专利名称：铟镓氮p-n结型多结太阳电池的结构的设置方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体太阳能电池。尤其是涉及一种新型半导体材料InxGa1-xNp-n结型多结(含单结)太阳电池的结构的设置方法。
背景技术：
90年代以来，半导体氮化镓GaN及其合金铝镓氮AlGaN、铟镓氮InGaN等III族氮化物材料和器件的应用研究发展很快，主要应用于光电子器件和高频大功率微电子器件。2002年，美国的W.Walukiewicz等人发现InN的禁带宽度为0.7eV，而不是以前报道的1.89eV。这使得InxGa1-xN合金的禁带宽度随In组分x的变化从GaN(x＝0)的3.4eV到InN(x＝1)的0.7eV连续可调，其对应吸收光谱的波长从紫外部分(365nm)一直可以延伸到近红外部分(1770nm)，几乎完整地覆盖了整个太阳光谱，比现有的Si，InGaAsP系列等太阳电池材料只能覆盖部分太阳光谱要优越许多，这为设计和制备新型高效太阳能电池提供了新的理想材料。InGaN材料与现有制备太阳能电池的半导体材料相比还有许多优点①InxGa1-xN是直接带隙材料，其吸收系数高，光电转换效率将更高。②InGaN的电子迁移率高，有利于提高光电转换效率。③高吸收系数的InGaN太阳电池的吸收区厚度可以更薄，器件的重量更轻。④InGaN有更强的抗辐射能力。⑤特别适合制备“多结”(或称“串联”、“迭层”)太阳电池。单结(指含1个p-n结)太阳电池因材料的带隙宽度Eg一定，太阳光谱中只有能量大于Eg的光子才能产生光生载流子，而且能量远大于Eg的光会在转换过程中产生热量，导致能量损失，因此转换效率不够高，多结(指含1个以上个p-n结)太阳电池按理论计算需要把不同禁带宽度的材料串联起来，使太阳光谱中不同波段的光被不同禁带宽度的材料吸收，从而使得转换效率达到最大。目前制备多结的太阳电池选材较困难，不容易寻找到在禁带宽度、晶格失配和热失配等诸方面都合适的材料，例如现有的三结太阳电池要用Ga0.51In0.49P/GaAs/Ge三种材料，这给电池的材料生长和制备带来困难。用InxGa1-xN材料制备多结太阳电池的优点是改变In组分x就可以连续调节InxGa1-xN的禁带宽度(它几乎覆盖整个太阳光谱)，因此只需要用一种InxGa1-xN三元合金材料即可获得所需要的不同禁带宽度，电池的转换效率也将提高许多，而电池的材料生长和制备也将更简便。
目前对InxGa1-xN特别是高In组分、厚薄膜的InxGa1-xN三元合金的研究起步不久，材料生长、p型掺杂等材料生长技术和物性尚在不断研究发展之中。太阳电池的结构主要有p-n结、表面势垒等类型，依靠这些结的内建电场将光生电子-空穴对分开并扫出形成外电路的电流。在制备InGaN太阳电池之前必须对InGaN单结和多结太阳电池进行最大转换效率的理论计算，然后获得材料的最佳禁带宽度和相应的In组分值，在此基础上进行太阳电池的结构设计。
参见[1]William Shockley and Hans.J.Queisser，J.Appl.Phys.1961，32(3)510.K.P.O′Donnell，I.Fernandez-Torrente，P.R.Edwards，R.W.Martin，Journal of Crystal Growth，2004，296100Hasna Hamzaoui，Ahmed S.Bouazzi，Bahri Rezig，Sol.Energy Mat.Sol.Cells.2005，87595Michael E.Levinshtein，Sergey L.Rumyantsev，Michael S.Shur.Properties of AdvancedSemiconductor Materials(制备先进的半导体材料)GaN，AIN，InN，BN，SiC，SiGe.New JerseyJohn Wiley& Sons，2001Landolt Bornstein，BerlinSpringer-Verlag，1982，PIII/17
发明内容
本发明的目的是提出铟镓氮(InxGa1-xN)p-n结型多结(含单结)太阳电池转换效率、最佳禁带宽度和对应的铟组分值的计算和太阳电池的结构设置方法。
本发明的目的是这样实现的铟镓氮p-n结型多结太阳电池的结构的设置方法，用p-n结型太阳电池的电流-电压方程、InxGa1-xN禁带宽度与In组分关系式和InxGa1-xN材料的相关参数的计算方法，计算多结InGaN太阳电池的最大转换效率以及获得此转换效率时的其中各结材料的最佳禁带宽度和对应的In组分值，用这些不同In组分的InxGa1-xN为其中各结电池材料，在各结电池之间用隧道结垂直串联起来，成为p-n结型多结InGaN太阳电池的结构。
所述太阳电池的结构设计有正照射和照射背两种。选用半导体材料InxGa1-xN(0.01≤x≤0.99)为光吸收区，兰宝石(sapphire)或其他材料为衬底。用不同In组分x的InxGa1-xN为其中各结电池材料，各结材料的排列顺序是沿着太阳光入射方向按In组分由小到大(其禁带宽度由大到小)排列。在各结电池之间用隧道结垂直串联起来。在第1结的n(或p)-Inx1Ga1-x1N和最后第i结的p(或n)-InxiGa1-xiN上设有金属导电电极，入射表面覆盖减反射膜成为多结太阳电池的结构。
本发明特点是铟镓氮(InxGa1-xN)p-n结型多结(含单结)太阳电池转换效率得到提高，如比较理想的三结结构可以达到41.3％，而且多结电池材料只需要用一种InxGa1-xN三元合金材料，在生长设备中一次完成多结材料的生长，制备工艺与现有微电子工艺兼容。清楚表达了太阳电池转换效率和禁带宽度的变化关系，如给出的两者之间的变化关系曲线。
图1为本发明计算所得的InxGa1-xN单结太阳电池转换效率和禁带宽度的变化关系图。
图2为本发明计算所得的InxGa1-xN二结太阳电池转换效率和其中两个单结电池材料禁带宽度Eg1、Eg2的变化关系图。
图3为本发明提出的一种背照射InxGa1-xN二结太阳电池的结构示意图(其中Inx1Ga1-x1N和Inx2Ga1-x2N中的In组分x1＜x2)。
具体实施例方式 1.铟镓氮p-n结型多结太阳电池的结构的设置 所述多结(含单结)太阳电池需要选用不同In组分的InxGa1-xN材料，In组分的确定过程如下首先计算最大转换效率，然后得出此转换效率时的各材料的最佳禁带宽度，最后获得对应的In组分值。太阳电池转换效率的理论计算方法如下InGaN p-n结型太阳电池满足理想p-n结的电流-电压方程[1]，在计算过程中做以下假设1)太阳电池结构是理想的p-n结；2)忽略太阳光入射到电池的表面反射；3)太阳电池的各结只吸收能量大于(含等于，以下同)该结禁带宽度的光子；4)能量大于材料禁带宽度的每个光子只激发-对电子-空穴对；5)不考虑光生载流子在电池内的各种损耗，全部扫出外电路；6)在对多结串联太阳电池进行模拟时，太阳电池的短路电流密度取各结电池短路电流密度的最小值，太阳电池的开路电压为各结电池开路电压的和。
太阳电池转换效率η的定义式为 式中Pm为太阳电池单位面积的最大输出功率，Jm和Vm为此时的最大电流和最大电压，Pi为投射到电池表面单位面积的太阳光功率，FF、Voc和Jsc分别为太阳电池的填充因子、开路电压和短路电流密度。从此式可知，要求得Pm，就要从p-n结电流-电压方程出发求得最大输出功率时的Jm和Vm。有光照时的电流-电压方程为 J＝Jsc-J0(eV/Vc-1)(2) 其中Vc＝kT/q为室温(300K)下的热电压，其值为0.026V。J0为反向饱和电流密度，有 式中Nc和Nv分别为导带和价带的态密度，NA和ND分别为p区和n区的掺杂浓度，Dn和Dp分别为电子和空穴的扩散系数，Ln和Lp分别是电子和空穴的扩散长度，Eg是材料的禁带宽度。开路时，有J＝0，由(2)式可得此时的电压即开路电压Voc的表达式为 Voc＝Vcln(Jsc/J0+1)(4) 当J＝0，由(2)式可得光照时短路电流密度Jsc为 Jsc＝J0exp(Voc/Vc)-J0(5) 短路电流密度Jsc即为光生电流密度，当光照在太阳电池上时，根据朗伯定律，距电池表面深度为x处的光子数满足 Q(λ，x)＝Qs(λ)exp(-α(λ)x)(6) 其中Qs为在此辐射下单位时间、单位面积里能量大于Eg的光子的数目，α为材料的吸收系数，它是波长λ的函数。而光子数随深度变化率的负值就是电子-空穴对的产生率G，即 G(λ，x)＝-dQ(λ，x)/dx＝Qs(λ)α(λ)exp(-α(λ)x)(7) 假设吸收层的厚度为d，那么这个p-n结中产生的电子-空穴对总数N为 则p-n结产生的光生电流密度为 Jsc＝q∫Qs(λ)[1-exp(-α(λ)d)]dλ(9) 为了求解最大功率时所对应的Vm，对(2)式求导，令dP/dV＝d(JV)/dV＝0，可得方程 exp(Voc/Vc)＝[(V+Vc)/Vc]exp(V/Vc)(10) (10)式为超越方程，其数值解就是最大值Vm，将Vm再代入(2)式，便可求得此时的Jm，从而由(1)式求得转换效率η并得到η与材料的禁带宽度Eg的关系。
InxGa1-xN材料的禁带宽度Eg与In组分x的关系式为[2] Eg(x)＝3.4-2.7x(11) 2.InxGa1-xN的材料参数和计算结果 根据上述理论模型进行计算，作为具体计算例子，计算中作了如下假设1)所用的太阳光谱为标准的AM1.5谱，数据来源于美国国家可再生能源实验室的官方网站，用的是American Society for Testingand Materials(ASTM)于2004年最新测量得到的ASTM G173-03；2)吸收系数由α(λ，Eg)＝(hc/λ)×A+B关系式确定，系数A、B由以下关系获得在带边吸收系数为9.5×103cm-1，在4eV处吸收系数为1.3×104cm-1 [3]；3)InGaN p-n结太阳电池的P区和N区的掺杂浓度都设为1018cm-3；电池吸收区的厚度d设为4μm；InxGa1-xN相关的其他参数见表1[4，5]，其中InxGa1-xN的各个参数由GaN和InN的参数线性拟合得到。
表1计算中所用到的InxGa1-xN材料参数 计算得到InxGa1-xN单、二、三结太阳电池的结果见表2和表3。
表2计算的InxGa1-xN单、二、三结太阳能电池的性能参数 表3计算的InxGa1-xN单、二、三结太阳能电池对应的禁带宽度和In组份 除了给出最佳数值之外，为了更清楚表达太阳电池转换效率和禁带宽度的关系，还给出两者之间的变化曲线。图1和图2分别是计算所得的InxGa1-xN单结和二结太阳电池转换效率和禁带宽度的关系图。从图1中可以看到，InxGa1-xN单结太阳电池的最高转换效率为27.3％，取得此转换效率时，InxGa1-xN的禁带宽度是1.39eV。从图2中可以看到，二结太阳电池最大的转换效率为36.6％，取得此转换效率时，两结电池材料Inx1Ga1-x1N和Inx2Ga1-x2N的禁带宽度分别是1.73eV和1.12eV。计算结果与理论预期一致，InxGa1-xN太阳电池的转换效率都高于现有材料的太阳电池。
根据以上的理论计算方法，可以计算任意i个结(i＝1，2，3，4，5。。。等整数)的多结InxGa1-xN太阳电池的最大的转换效率和各结电池材料的禁带宽度及其相对应的In组分值。
3.InxGa1-xN多结太阳能电池的结构设计 在上述理论计算的基础上，给出如下的多结太阳电池的结构太阳电池的结构可以有正照射和背照射两种。选用半导体材料InxGa1-xN(0.01≤x≤0.99)为光吸收区，兰宝石(sapphire)或其他材料为衬底。用不同In组分的InxGa1-xN为其中各结电池材料，沿着太阳光入射方向的第1、第2、第3。。。第i等结材料的排列顺序是按In组分由小到大(其禁带宽度由大到小)排列，以使第1、第2、第3。。。第i等结电池顺序吸收太阳光谱中由短到长的不同波段的光。在各结电池之间用相应上一结材料的重掺杂p+-n+隧道结垂直串联起来。在第1结的n(或p，视背、正照射而定)-Inx1Ga1-x1N和最后第i结的p(或n，视背、正照射而定)-InxiGa1-xiN上设有金属导电电极，入射表面覆盖减反射膜。图3是提出的一种背照射InxGa1-xN二结太阳电池的结构示意图(其中Inx1Ga1-x2N和Inx1Ga1-x2N中的x1＜x2)。
权利要求
1、铟镓氮p-n结型多结太阳电池的结构的设置方法，其特征是采用p-n结型太阳电池的电流-电压方程、InxGa1-xN禁带宽度与In组分关系式和InxGa1-xN材料的相关参数，计算InGaN多结(含单结)太阳电池的最大转换效率以及获得此转换效率时的其中各结材料的最佳禁带宽度和对应的In组分值，用这些不同In组分的InxGa1-xN为其中各结电池材料，在各结电池之间用隧道结垂直串联起来，成为p-n结型多结InGaN太阳电池的主要结构
太阳电池转换效率η的定义式为
式中Pm为太阳电池单位面积的最大输出功率，Jm和Vm为此时的最大电流和最大电压，Pi为投射到电池表面单位面积的太阳光功率，FF、Voc和Jsc分别为太阳电池的填充因子、开路电压和短路电流密度。从此式可知，要求得Pm，就要从p-n结电流-电压方程出发求得最大输出功率时的Jm和Vm。有光照时的电流-电压方程为
J＝Jsc-J0(eV/Vc-1)(2)
其中Vc＝kT/q为室温(300K)下的热电压，其值为0.026V。J0为反向饱和电流密度，有
式中Nc和Nv分别为导带和价带的态密度，NA和ND分别为p区和n区的掺杂浓度，Dn和Dp分别为电子和空穴的扩散系数，Ln和Lp分别是电子和空穴的扩散长度，Eg是材料的禁带宽度。开路时，有J＝0，由(2)式可得此时的电压即开路电压Voc的表达式为
Voc＝Vcln(Jsc/J0+1)(4)
当J＝0，由(2)式可得光照时短路电流密度Jsc为
Jsc＝J0exp(Voc/Vc)-J0 (5)
短路电流密度Jsc即为光生电流密度，当光照在太阳电池上时，根据朗伯定律，距电池表面深度为x处的光子数满足
Q(λ，x)＝Qs(λ)exp(-α(λ)x) (6)
其中Qs为在此辐射下单位时间、单位面积里能量大于Eg的光子的数目，α为材料的吸收系数，它是波长λ的函数。而光子数随深度变化率的负值就是电子-空穴对的产生率G，即
G(λ，x)＝-dQ(λ，x)/dx＝Qs(λ)α(λ)exp(-α(λ)x)(7)
假设吸收层的厚度为d，那么这个p-n结中产生的电子-空穴对总数N为
则p-n结产生的光生电流密度为
Jsc＝q∫Qs(λ)[1-exp(-α(λ)d)]dλ (9)
为了求解最大功率时所对应的Vm，对(2)式求导，令dP/dV＝d(JV)/dV＝0，可得方程
exp(Voc/Vc)＝[V+Vc)/Vc]exp(V/Vc)(10)
(10)式为超越方程，其数值解就是最大值Vm，将Vm再代入(2)式，便可求得此时的Jm，从而由(1)式求得转换效率η并得到η与材料的禁带宽度Eg的关系。
InxGa1-xN材料的禁带宽度Eg与In组分x的关系式为
Eg(x)＝3.4-2.7x (11)
2、根据权利要求1所述的InGaN p-n结型多结太阳电池，其特征是所述太阳电池的结构设计有正照射和照射背两种。
3、根据权利要求1所述的InGaN p-n结型多结太阳电池的结构，其特征是光吸收区为InxGa1-xN(0.01≤x≤0.99)材料，其中每个结的材料，仅仅是In组分x的取不同值，In组分的数值是由上述计算确定的。沿着太阳光入射方向的第1、2、3。。。i等各结材料的排列顺序是按In组分由小到大(其禁带宽度由大到小)排列。
4、根据权利要求1所述的InGaN p-n结型多结太阳电池的结构，其特征是以兰宝石(sapphire)或其他材料为衬底，用上述计算的不同In组分的InxGa1-xN材料为其中各结电池，在各结电池之间用相应上一结材料的隧道结垂直串联起来。在第1结的n(或p)-Inx1Ga1-x1N和最后第i结的p(或n)-InxiGa1-xiN上设有金属导电电极，入射表面覆盖减反射膜。
5、根据权利要求1所述的铟镓氮p-n结型多结太阳电池的结构的设置方法，其特征是InGaN p-n结型多结太阳电池的结构是二结或三结的结构。
全文摘要
铟镓氮(InGaN)p-n结型多结太阳电池的结构的设置方法，采用p-n结型太阳电池的电流-电压方程、InxGa1-xN禁带宽度与In组分关系式和InxGa1-xN材料的相关参数，计算InGaN多结(含单结)太阳电池的最大转换效率以及获得此转换效率时的其中各结材料的最佳禁带宽度和对应的In组分值，用这些不同In组分的InxGa1-xN为其中各结电池材料，在各结电池之间用隧道结垂直串联起来，在第1结的n(或p)-Inx1Ga1-x1N和最后第i结的p(或n)-InxiGa1-xiN上设有金属导电电极，入射表面覆盖减反射膜。
文档编号H01L31/0687GK101101933SQ20071002512
公开日2008年1月9日 申请日期2007年7月13日 优先权日2007年7月13日
发明者江若琏, 谢自力, 博 文, 周建军, 陈敦军, 荣 张, 平 韩, 郑有炓 申请人:南京大学