不同周期数的GaInAs/GaAsP多量子阱太阳能电池

张奇灵,尧　舜*,杨翠柏,张　杨,陈丙振,常晓阳,王智勇

（1.北京工业大学激光工程研究院，北京 100124； 2.瑞德兴阳新能源技术有限公司，广东中山 528437）

不同周期数的GaInAs/GaAsP多量子阱太阳能电池

张奇灵1,尧舜1*,杨翠柏2,张杨2,陈丙振1,常晓阳1,王智勇1

（1.北京工业大学激光工程研究院，北京 100124； 2.瑞德兴阳新能源技术有限公司，广东中山 528437）

为了研究不同量子阱周期数下GaInAs/GaAsP多量子阱太阳能电池性能的变化规律，利用金属有机化学气相沉积技术（MOCVD）制备了不同周期数的双结多量子阱太阳能电池样品以及无量子阱双结结构的参考样品，利用高分辨率X射线衍射仪（HXRD）和高分辨率透射电镜（TEM）测试了样品的晶体质量，同时在AM0（1×）光谱条件下测试了样品的I-V特性曲线和相应子电池的外量子效率。最终得到了高晶体质量、吸收截止波长在954 nm的Ga0.89In0.11As/GaAs0.92P0.08多量子阱结构，扩展波段的外量子效率最高达到75.18%，电池光电转换效率相对于无量子阱结构提升2.77%。通过对比测试结果发现，随着量子阱结构周期数的增加，太阳能电池在扩展波段（890～954 nm）的外量子效率不断提高，常规波段的短波响应（300～700 nm）会出现下降，长波响应（700～890 nm）会出现上升，短路电流和转换效率相应提升并趋于饱和。

GaInAs/GaAsP；量子阱；外量子效率；太阳能电池

1 引 言

多结Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体太阳能电池在空间电池技术中具有很大的优势，在陆地聚光发电系统中的应用也越来越具有竞争力［1-2］。

多结电池的常规结构在材料选择上受限于晶格匹配的条件，转换效率存在Shockley-Queisser极限［3］。常规的Ga0.51In0.49P/Ga0.99In0.01As/Ge材料组合并不是三结结构最优的带宽分配方案，在给定其他子电池材料的情况下，GaInAs子电池的最优带宽应小于Ga0.99In0.01As的带宽［4］。为了在常规电池结构的基础上进一步提升转换效率，需要在GaInAs子电池中引入窄带隙材料以拓宽其光谱吸收范围，应力平衡的GaInAs/GaAsP多量子阱太阳能电池就是在这个基础上提出来的。与普通太阳能电池相比，在GaInAs子电池中引入量子阱可以使电池的光谱响应范围得到扩展，同时也使太阳能电池结构的带隙具有了可调性。虽然窄带隙材料的引入会带来开路电压的下降，但在聚光条件下，量子阱部分产生的光生电流能对开路电压的下降进行有效补偿，使电池整体的转换效率得到有效提升［5］。

在实际应用中，首先要确定的往往是材料组分、材料厚度等有关应力平衡的重要参数，但除了这方面的考虑，还需要确定引入不同周期数的量子阱结构对太阳能电池性能的影响。国内外有关量子阱电池的报道大多集中在对单个样品的性能分析，其中最为突出的是吸收截止边在940 nm处、外量子效率约50%的多量子阱结构，最终对电池贡献了额外的2%转换效率［4，6-8］，但量子阱周期数对电池性能影响的研究却很少有人涉及。本文制备了不同周期数的双结GaInAs/GaAsP多量子阱太阳能电池样品，得到了性能更好的量子阱结构，同时对量子阱周期数对电池光电特性参数及光谱响应的影响进行了研究。

2 结构参数和材料生长

为排除三结电池中子电池电流匹配的干扰，本文通过双结电池结构（Duel-junction solar cells，DJSC）进行比较研究。所有的结构均采用Ge（100）偏＜111＞6°衬底，外延生长设备为Veeco K475 As/P系统，其中Ⅲ族源为TMGa、TMIn，Ⅴ族源为经过纯化的AsH3、PH3。为了便于参考，本文使用同一批次的衬底生长了无量子阱的常规双结电池结构，光电转换效率一般在23%左右（@ AM0，1×）。用于实验对比的量子阱双结电池（Quantum well duel-junction solar cells，QWDJSC）是在常规结构的发射层和基区之间引入了不同周期数的量子阱，周期数40/60/100分别对应着样品A/B/C。除了周期数的差异外，其他材料参数完全一致。其中设计的量子阱材料为Ga0.89In0.11As/ GaAs0.92P0.08，阱层厚度为15 nm，垒层厚度为25 nm，生长温度在580～650℃之间。

图1　样品结构。（a）常规双结结构；（b）多量子阱双结结构。Fig.1 Structure of the samples.（a）DJSC.（b）QWDJSC.

对于应力平衡的多量子阱结构，其整体的等效晶格常数可用以下模型进行计算，并以此预测材料在X射线衍射下摇摆曲线的零级峰位置。

其中a1、a2分别为势阱、势垒本征材料的晶格常数，t1、t2分别为两种材料的厚度，a0即为量子阱结构的等效晶格常数。将本文的设计参数带入模型得到等效晶格常数为0.565 97 nm，与Ga0.99In0.01As的0.565 73 nm非常接近，对应的零级峰峰位在Ga0.99In0.01As左侧112 arcsec处，晶格近乎匹配。

3 测试结果和讨论

3.1量子阱晶体质量

实验中样品C的势阱材料总厚度超过了1 μm，为了检验其中的量子阱结构晶体质量，对样品C进行了HXRD和TEM测试，测试设备分别为Bede QC200型X射线双晶衍射仪和Hitachi H9000高分辨透射电镜，结果如图2、3所示。在HXRD的测试结果中，各级衍射峰清晰且半宽极窄，半高宽普遍在15 arcsec左右，而且次级衍射峰的半宽随着级次增加没有出现明显展宽的趋势，衍射峰之间的Pendellösun峰也比较锐利。这说明即使在周期数增加到100的情况下，多量子阱结构的晶体质量和界面粗糙度依然良好。测试曲线中，零级峰峰位在-63 arcsec处。

通过模拟分析软件对实验曲线进行拟合，得到样品结构的拟合参数，其中GaxIn1-xAs组分x= 0.888 3，厚度为14.89 nm，GaAsxP1-x组分x= 0.914 5，厚度为26.78 nm，与设计参数基本一致。将拟合结果带入式（1），得到等效晶格常数为0.565 81 nm，对应零级峰峰位在-39 arcsec处，与实测值很接近。

图2　样品C的XRD实验曲线和拟合曲线Fig.2 Experimental XRD curve and fitting XRD curve of sample C

在TEM的测试结果中，可以看到清晰的分层界面，且没有出现晶格弛豫造成的界面波动现象，说明量子阱结构应力补偿的效果很好，量子阱的厚度在临界厚度的范围之内。根据标尺比例大致测算，阱层厚度和垒层厚度分别为（15.57±1）nm和（27.25±1）nm。

图3　样品C的TEM测试结果Fig.3 TEM result of sample C

3.2量子阱周期数对电池光电参数的影响

在单倍AM0光谱照射条件下对实验样品进行I-V电性能特性测试，样品I-V曲线与电性能数据分别如表1和图4所示。在量子阱周期数为60和100的样品中，电池转换效率均增加了2.7%左右，极大提升了电池的光电转换效率。

表1　样品的I-V性能参数Tab.1 I-V performance parameters of the samples

图4　样品的I-V特性曲线Fig.4 I-V curves of the samples

转换效率的收益主要因为短路电流Isc有了明显增加，其中样品A增加了43.3 mA，样品B和C均增加62 mA左右。样品C的短路电流并没有随着量子阱周期数的增多而持续增加，呈现出饱和的状态。从表中可以看到量子阱的引入对FF的影响并不大，而开路电压虽然有所下降，但随着量子阱周期数的增加，样品A、B、C的开路电压基本保持不变，所以作为这几个参数的综合结果，转换效率的变化规律与短路电流的规律基本保持一致——增高到一定值后出现饱和。同时，样品A、B的开路电压和FF与样品C基本相同，也说明了样品A和样品B的晶体质量同样良好，3个样品的量子阱结构并没有带来新的位错或者缺陷。

3.3量子阱周期数对光谱响应的影响

在晶体质量良好的情况下，量子阱周期数的增加并没有带来更高的电流收益。针对这点，本文对不同量子阱周期数下Isc的变化机制做了进一步的研究。通过EQE的测试结果发现，随着量子阱周期数的增加，电池结构对光谱的吸收效果也发生了不同的变化。首先，加入量子阱后，因为窄带隙材料的引入，GaInAs子电池对光谱的吸收截止波长从890 nm扩展到了954 nm左右。随着量子阱周期数的增加，扩展波段内的最高外量子效率分别为38.89%、55.27%、75.18%。值得注意的是，随着量子阱周期数的增加，样品B在短波波段（300～700 nm）的量子效率略微下降，样品C下降更为明显。在700～890 nm波段，样品B、C的量子效率则随着周期数的增加而不断提高。在现象最为明显的样品C中，短波方向量子效率的大量损失很大程度上抵消了长波方向量子效率提高所带来的好处。因此，虽然样品C在扩展波段上的量子效率达到了75%，但其短路电流并没有提高。

图5　EQE测试结果Fig.5 External quantum efficiencies of the samples

造成这一现象的主要原因是耗尽区材料吸收系数的变化，GaAs体材料与Ga（In）As/GaAsP量子阱材料对光谱的吸收性能有很大的差异，量子阱材料在短波方向的吸收性能弱于GaAs材料，而长波方向则正好相反［10］。吸收系数的差异不仅源于材料体系以及材料的禁带宽度等方面，还与材料所在的内建电场的场强大小有关［11-12］。随着量子阱材料周期数的增加，内建电场强度不断减弱，使得不同周期数的量子阱材料吸收性能也产生了变化。

综上所述，在设计量子阱参数时，除了需要考虑量子阱结构的应力平衡，还应当考虑不同量子阱周期数下电池性能表现出来的内在变化。综合成本以及晶体质量的考量，人们往往会希望量子阱结构在带入更多光生载流子的同时能够越薄越好，按照这个标准，样品B就是一个非常适合参考的例子。

4 结 论

制备了高晶体质量、高量子效率的Ga0.89In0.11As/ GaAs0.92P0.08多量子阱双结太阳能电池，电池转换效率的提升高达2.77%。随着量子阱周期数的增多，太阳能电池在扩展波段以及长波段的外量子效率不断提高，在短波段的外量子效率出现下降，电池的短路电流和转换效率逐渐提高，最终趋于饱和。

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张奇灵（1992-），男，江西婺源人，

硕士研究生，2013年于北京工业大学获得学士学位，主要从事宽禁带半导体化合物材料的研究。

E-mail：zhangqiling0113@emails.bjut. edu.cn

尧舜（1979-），男，重庆人，博士，副研究员，2006年于中科院长春光机所获得博士学位，主要从事高光束质量大功率半导体激光技术以及半导体化合物方面的研究。

E-mail：yaoshun@bjut.edu.cn

GaInAs/GaAsP Multiple Quantum Well Solar Cells with Different Periods

ZHANG Qi-ling1，YAO Shun1*，YANG Cui-bai2，ZHANG Yang2，CHEN Bing-zhen1，CHANG Xiao-yang1，WANG Zhi-yong1
（1.Institute of Laser Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.Redsolar New Energy Technology Co.Ltd.，Zhongshan 528437，China）
*Corresponding Author，E-mail：yaoshun@bjut.edu.cn

In order to study the GaInAs/GaAsP multiple quantum well solar cells（MQW-SC）with different periods，double-junction solar cell samples with different periods quantum well（QW）and reference sample without QW were grown by metalorganic chemical vapor deposition（MOCVD）.The crystal quality of the samples was judged by high resolution X-ray diffraction（HXRD）and high resolution transmission electron microscopy（TEM）.I-V curves and external quantum efficiency（EQE）of samples were measured under AM0（1×）spectra.Relative to the non-QW sample，the absorption spectra of QW samples extend from 890 nm to 954 nm，the highest external quantum efficiency of the extending spectra achieves 75.18%，the conversion efficiency increases by 2.77%.With the increased periods of quantum wells structure，the response of the extending spectra and the longer wavelengths（700-890 nm）in the conventional spectra increase，while in the shorter wavelengths（300-700 nm）the response has a fall.Eventually，the short circuit current and the efficiency of the cells are improved and finally tend to be steady.

GaInAs/GaAsP；quantum well；EQE；solar cell

O472+.8

A

10.3788/fgxb20163706.0701

1000-7032（2016）06-0701-05

2016-02-03；

2016-03-10

北京市委组织部优秀人才培养计划（2012D005015000005）；北京市教委项目（KM201110005017）资助