Ⅲ-Ⅴ族太陽電池效率的持續(xù)提升要求對(duì)能量轉(zhuǎn)換材料的帶隙寬度進(jìn)行更細(xì)致劃分,以實(shí)現(xiàn)對(duì)全光譜的高效利用。在短波紅外波段,四元InGaAsP混晶材料因在帶隙寬度和晶格常數(shù)的調(diào)節(jié)上具有很好的可操作性,是一種極具潛力的短波紅外光電轉(zhuǎn)換材料。本文對(duì)InGaAsP材料生長(zhǎng)及子電池器件制備進(jìn)行了研究,通過時(shí)間分辨熒光光譜、高分辨X射線衍射等表征手段對(duì)室溫下晶格失配的InGaAsP材料進(jìn)行了測(cè)試分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在一定程度負(fù)失配生長(zhǎng)條件下,InGaAsP材料質(zhì)量隨著負(fù)失配程度逐漸提高。在后續(xù)電池制備過程中,一定程度負(fù)失配同樣有助于電池器件性能提升,制備的單結(jié)電池開路電壓由晶格匹配時(shí)的633 mV提高到負(fù)失配條件下的684 mV,從而為高效多結(jié)太陽電池的應(yīng)用提供了新的技術(shù)路線。 

【文章來源】：發(fā)光學(xué)報(bào). 2020,41(04)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

不同晶格失配下的InGaAsP/InP DH XRD測(cè)試曲線（a）、PL發(fā)光曲線（b）及熒光壽命（c）。

一般而言,使用MOCVD進(jìn)行外延生長(zhǎng)時(shí),外延材料需要與襯底晶格匹配以減少外延層應(yīng)力,提高材料質(zhì)量。對(duì)于四元材料InGaAsP而言,晶格不匹配不僅會(huì)帶來材料缺陷,也同樣會(huì)導(dǎo)致相分離。為對(duì)外延生長(zhǎng)得到的InGaAsP材料質(zhì)量進(jìn)行表征,我們對(duì)其熒光壽命進(jìn)行了測(cè)試分析。為獲得最接近實(shí)際電池器件中的InGaAsP熒光壽命,我們?cè)O(shè)計(jì)了InP/InGaAsP/InP雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)是提取材料熒光壽命常用且有效的手段[13]。在該雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中,壘層InP選擇了與電池結(jié)構(gòu)中背場(chǎng)完全一致的厚度摻雜類型和摻雜濃度,阱層InGaAsP選取了基區(qū)的摻雜類型和濃度。采用TRPL設(shè)備對(duì)設(shè)計(jì)制備的雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行發(fā)光衰減測(cè)試,然后對(duì)獲得的曲線進(jìn)行擬合得到熒光壽命,最后我們可以根據(jù)獲得的熒光壽命判斷基區(qū)材料生長(zhǎng)質(zhì)量和非輻射復(fù)合占比情況,測(cè)試過程中,激發(fā)波長(zhǎng)為1 050 nm。我們外延生長(zhǎng)了具備特定厚度、特定摻雜濃度的InP∶Zn/InGaAsP∶Zn/InP∶Zn雙異質(zhì)結(jié)樣品,其結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示,其中InGaAsP層和InP層的p型摻雜濃度分別為6×1016 cm-3與2×1017 cm-3。在首次生長(zhǎng)的#1460樣品中,由于生長(zhǎng)參數(shù)的偏差,InGaAsP材料的晶格常數(shù)偏大,XRD測(cè)試曲線呈現(xiàn)負(fù)失配,如圖2(b)中紅色曲線所示;對(duì)應(yīng)發(fā)光峰位為1 185.4 nm,帶隙寬度為1.046 eV,如圖2(c)中紅色曲線所示。通過TRPL測(cè)試,在1 185.4 nm發(fā)射波長(zhǎng)位置的熒光發(fā)光衰減曲線如圖2(d)中紅色所示,提取出來的熒光壽命為62 ns。在接下來生長(zhǎng)的#1461樣品中,我們保持InGaAsP帶隙寬度不變,將晶格常數(shù)調(diào)整至與InP襯底匹配,其XRD、PL和TRPL測(cè)試結(jié)果如圖2(b)、(c)、(d)中黑色曲線所示,提取出的熒光壽命為33 ns,外延生長(zhǎng)的材料調(diào)整晶格匹配之后,其熒光壽命反而出現(xiàn)了下降,這與傳統(tǒng)意義上晶格匹配材料質(zhì)量更好的結(jié)論相違背。

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性,我們外延生長(zhǎng)了具有不同失配程度的1.0 eV的InGaAsP電池器件,探索晶格小失配對(duì)器件性能的影響趨勢(shì)。電池結(jié)構(gòu)如圖4所示,首先在p型襯底上生長(zhǎng)InP緩沖層,然后分別生長(zhǎng)InP∶Zn背場(chǎng)、InGaAsP∶Zn基區(qū)、InGaAsP∶Si發(fā)射區(qū)和InP∶Si窗口層,接觸層采用InGaAs∶Si。 實(shí)驗(yàn)中我們生長(zhǎng)了3種具有不同程度晶格小失配的子電池,失配度分別為0 arcs(#1465)、-72 arcs(#1466)和-132 arcs(#1467),3種子電池除了基區(qū)/發(fā)射區(qū)晶格失配度不一致外,其余參數(shù)完全一致。我們對(duì)3種InGaAsP子電池器件進(jìn)行了電學(xué)性能測(cè)試,其電池量子效率曲線和電流-電壓曲線如圖5(a)和5(b)所示。由于InGaAsP材料的失配情況不同,其組分會(huì)有細(xì)微的差異,反映在材料能帶上會(huì)有±8 meV的區(qū)別。通過對(duì)內(nèi)量子曲線帶邊區(qū)域進(jìn)行線性擬合,在電池失配達(dá)到0,-72,-132 arcs時(shí),InGaAsP材料的帶隙分別為1.000,0.996,1.008 eV。電池的電流-電壓曲線測(cè)試條件為:AM0光譜、25 ℃,測(cè)試得到3種子電池的開路電壓分別為633,651,684 mV。其短路電流密度分別為47.65,49.39,48.34 mA/cm2,與相應(yīng)的QE積分電流相一致�；趲渡洗嬖诘募�(xì)微差異,單純用開路電壓難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)電池的性能,為了比較具有不同帶隙InGaAsP材料的電池性能,通常引入了帶隙補(bǔ)償差Woc(Woc=Eg/q-Voc)[5],它表征了電池開路電壓偏離吸光層能帶隙的程度,其值越小,表明材料質(zhì)量越高。Woc消除了不同材料帶隙的影響,可以用來衡量電池整體的性能。通過比較具有不同失配情況的電池能帶隙和開路電壓,我們可以計(jì)算出3種子電池的Woc分別為367,345,324 mV。這表明在一定范圍內(nèi),隨著失配程度逐漸增加,子電池的器件性能呈逐步提升趨勢(shì),與材料熒光壽命變化趨勢(shì)一致。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]852nm半導(dǎo)體激光器InGaAlAs、InGaAsP、InGaAs和GaAs量子阱的溫度穩(wěn)定性[J]. 徐華偉,寧永強(qiáng),曾玉剛,張星,秦莉,劉云,王立軍.  發(fā)光學(xué)報(bào). 2012(06)
[2]1.06μm InGaAs/InGaAsP量子阱半導(dǎo)體激光器的溫度特性[J]. 李再金,蘆鵬,李特,曲軼,薄報(bào)學(xué),劉國軍,馬曉輝.  發(fā)光學(xué)報(bào). 2012(06)



本文編號(hào)：3091462