張玉寧，剡文杰

(寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院，寧夏銀川750021)

InGaN太陽電池光電轉(zhuǎn)換特性的理論計算

張玉寧，剡文杰

(寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院，寧夏銀川750021)

從p-n結(jié)太陽電池的理論模型和帶隙的經(jīng)驗(yàn)公式出發(fā)，結(jié)合實(shí)際材料參數(shù)，通過改變In組分來調(diào)節(jié)帶隙。計算了標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜AM1.5光子通量及該光譜下單結(jié)和異質(zhì)雙結(jié)太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。結(jié)果顯示，單結(jié)太陽電池的最大轉(zhuǎn)換效率是27.28%，與之對應(yīng)的In組分為0.82。異質(zhì)雙結(jié)太陽電池的最高轉(zhuǎn)換效率為30.75%，對應(yīng)的In組分是0.74。這些結(jié)果可作為設(shè)計制備InGaN太陽電池的理論依據(jù)。

光電子材料；InGaN太陽電池；光電特性；轉(zhuǎn)換效率；理論計算

作為永久可依賴的綠色能源，太陽能的有效利用，特別是髙效光電轉(zhuǎn)換，是目前非常活躍的研究領(lǐng)域。太陽電池是太陽能光電轉(zhuǎn)換的核心器件，提高太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率和降低生產(chǎn)成本是最終目標(biāo)[1]。經(jīng)過幾十年的研究，已發(fā)展出很多種基于不同材料、結(jié)構(gòu)和原理的太陽電池，有些已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)并用于發(fā)電，光伏業(yè)已成為新興產(chǎn)業(yè)。其中最成熟、最具代表性的是晶體硅太陽電池。由于晶體硅是間接帶隙半導(dǎo)體且禁帶寬度不是理想值，光吸收系數(shù)低且晶體硅太陽電池的最大理論轉(zhuǎn)換效率也較低。探索髙效太陽能光電轉(zhuǎn)換的新材料、新結(jié)構(gòu)、新機(jī)理成為目前太陽能光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)。帶隙可調(diào)的材料具有制成高效低成本太陽電池的諸多潛力。首先，是直接帶隙材料，吸收系數(shù)高。1997年 Muth等人[2]報道了的帶隙邊緣吸收系數(shù)高達(dá)105cm－1[3](晶體硅的吸收系數(shù)為103cm－1)，這意味著400 nm左右的InGaN材料就可以吸收98%以上的入射光[4]，有利于節(jié)省材料成本并減輕電池質(zhì)量。其次電子遷移率高[5]。高電子遷移率可降低光生載流子在材料內(nèi)部的復(fù)合幾率[6]，使其能快速到達(dá)電極，有利于提高電池的短路電流。第三，禁帶寬度連續(xù)可調(diào)。2002年，美國伯克利勞倫斯國家實(shí)驗(yàn)室的W.Walukiewicz和J.Wu等發(fā)現(xiàn)InN的禁帶寬度為0.7 eV[7]。因此，III族氮化物三元合金InGaN的禁帶寬度從GaN的3.4 eV到InN的0.7 eV連續(xù)可調(diào)。對應(yīng)的吸收光譜的波長從365 nm到1 700 nm[8]，與太陽光譜幾乎完美匹配，具備了高效光電轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)。此外，還具有電子和空穴的有效質(zhì)量低、飽和速度高、耐輻射[9]、對溫度變化不敏感[10]等一系列優(yōu)點(diǎn)[11]。利用上述優(yōu)點(diǎn)，不僅可構(gòu)成多結(jié)太陽電池，還可開發(fā)量子阱等“第三代”太陽電池。另外，器件可在高溫和惡劣的環(huán)境下工作。有研究表明，在高能粒子轟擊后，的光電特性并沒有明顯變化，這使得成為制作空間太陽電池的理想材料。

本文從p-n結(jié)太陽電池的電壓-電流方程出發(fā)，分析了AM1.5光譜下p-n結(jié)太陽電池的光電流、最大功率點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，計算了單結(jié)及異質(zhì)雙結(jié)太陽電池的最大轉(zhuǎn)換效率及相應(yīng)的最優(yōu)In組分，并對結(jié)果進(jìn)行了討論分析。

1 理論計算模型

p-n結(jié)太陽電池的電流-電壓方程：

太陽電池轉(zhuǎn)換效率定義為：

由此，為了計算太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，就要算出最大輸出電流和電壓，要算出和，就要算出短路電流。

若太陽電池能產(chǎn)生電子-空穴對的厚度為d，則產(chǎn)生的電子-空穴對總數(shù)為：

則電池的短路電流為：

又對公式(3)變形得：

將上式代入式(1)：

則功率可表達(dá)為：

為了求解最大功率下對應(yīng)的最大電壓，對功率求極值，代入所有參量最終可得：

這是一個關(guān)于V的超越方程，通過對其數(shù)值求解，可得最大電壓，其中求解所需GaN和InN的光學(xué)參數(shù)查文獻(xiàn)[12]得到，而的參數(shù)由GaN和InN各項(xiàng)參數(shù)線性數(shù)據(jù)擬合得到，見表1。

表1 InGaN、InN、GaN光電參數(shù)

對于計算光子數(shù)，所用到的太陽光譜是采用標(biāo)準(zhǔn)的AM 1.5譜，是由美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的官方網(wǎng)站頒布的，American Society for Testing and Materials(ASTM)于2004年最新測量得到的ASTM G173-03。實(shí)際上入射到太陽電池的光子數(shù)應(yīng)當(dāng)是太陽光所包含的各種波長的光子之和，即：

2 計算結(jié)果及討論

圖1 InxGa1－xN單結(jié)太陽電池轉(zhuǎn)換效率和禁帶寬度的關(guān)系曲線

圖2 禁帶寬度和電流密度關(guān)系曲線

圖3 禁帶寬度和電壓關(guān)系曲線

基于上述計算結(jié)果，為了進(jìn)一步提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，本文接著計算了異質(zhì)雙結(jié)太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。

圖4給出了同質(zhì)單結(jié)太陽電池和異質(zhì)雙結(jié)太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖。在對兩結(jié)以上串聯(lián)太陽電池仿真計算時，太陽電池的短路電流密度應(yīng)取各結(jié)電池短路電流密度之最小值；太陽電池的開路電壓是各結(jié)電池開路電壓之和。表2給出了計算得到太陽電池的最大轉(zhuǎn)換效率和性能參數(shù)，從表中可以看出，相比單結(jié)太陽電池，雙結(jié)太陽電池將轉(zhuǎn)換效率提高了約3%，轉(zhuǎn)換效率為30.75%，此時對應(yīng)的In組分是0.74。由于合金的禁帶寬度在太陽光譜的最主要范圍內(nèi)是連續(xù)可調(diào)的[14]，很容易得到與最大轉(zhuǎn)換效率相對應(yīng)的禁帶寬度材料，而目前所用的太陽電池材料，禁帶寬度是固定的，或者是可調(diào)的，但是可調(diào)范圍不大，不容易與最大轉(zhuǎn)換效率相對應(yīng)，而的禁帶寬度是連續(xù)可調(diào)的，它容易達(dá)到最佳的禁帶寬度組合。

圖4 InxGa1－xN 同質(zhì)單結(jié)/異質(zhì)雙結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖

表2 計算的InxGa1－xN和InxGa1－xN/GaP太陽電池的光電學(xué)參數(shù)

3 結(jié)論

根據(jù)p-n結(jié)型太陽電池的理論模型，以AM1.5標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜為入射光，利用材料帶隙與In組分間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，計算得出單結(jié)和異質(zhì)雙結(jié)太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)In的組分為0.82時，禁帶寬度為1.389 3 eV，單結(jié)太陽電池的最高轉(zhuǎn)換效率是27.28%；當(dāng)In組分為0.74時異質(zhì)雙結(jié)太陽電池的最高轉(zhuǎn)換效率是30.75%。本文只是在理想情況下計算禁帶寬度對轉(zhuǎn)換效率的影響，忽略了實(shí)際中很多情況，比如能量損耗、結(jié)層厚度、摻雜濃度等，也沒有考慮制備中的實(shí)際問題，并且還有很多導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換能量損失的因素，實(shí)際工藝中遇到的問題，這些都需要作進(jìn)一步的研究，才能更準(zhǔn)確地了解InGaN太陽電池其他參數(shù)與電池性能的關(guān)系，進(jìn)一步提高電池的轉(zhuǎn)換效率。

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Theoretical calculation of photoelectric conversion efficiency of InGaN solar cell

Based on the theoretical model of p-n junction solar cells and empirical energy gap formula ofcombining with the actual material parameters, the energy gap ofwas changed by adjusting the In contents.The photon flux density of AM1.5 solar spectrum and photoelectric conversion efficiency of single-junctionand double-heterojunctionsolar cells were calculated.The results show that the maximum solar energy conversion efficiency ofsingle-junction solar cells is 27.28%,the In contents is 0.82,and that of double heterojuctionsolar cells with In contents of 0.74 achieves up to 30.75%.These results may provide a theoretical basis for the preparation of InGaN solar cells.

optoelectronic materials;InGaN solar cells;photoelectric properties;conversion efficiency;theoretical calculation

TM 914.4

A

1002-087 X(2016)03-0604-03

2015-08-22

國家自然科學(xué)基金(61066002)

張玉寧(1990—)，女，寧夏回族自治區(qū)人，碩士生，主要研究方向?yàn)楣夥牧吓c器件。

剡文杰，Email：yanwj@nxu.edu.cn