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摘 要：利用AMPS-1D软件，对p-GaN/i-InxGa1-xN/n-GaN 太阳能电池进行仿真并且分析了本征i层In组分对太阳能电池性能的影响。研究结果发现：随着本征In组分的增加，p-GaN/i-InxGa1-xN/n-GaN太阳能电池开路电压不断下降，同时短路电流随着本征层In组分的增加先增加后下降，电池转换效率大约在本征层In组分在0.25左右时，太阳能电池的转换效率达到最高值为7.0%。
关键词：AMPS-1D软件；太阳能电池；转换效率
InGaN合金材料可随In组分的改变禁带宽度从0.7ev可连续调到3.4ev[1]， 这一变化范围对应的光子波长为365nm～1770nm，覆盖了可见光的所有区域，与太阳光谱几乎完美匹配。因此，利用不同组分的 InGaN 材料进行带隙叠层搭配，制作的双结及多结太阳能电池理论上将方便调节带隙以实现与太阳光谱的匹配，从而使用一种材料便可实现高效多结太阳能电池，这比传统的硅基和砷化镓基的多结电池具有优势。从目前理论计算得出：InGaN双结太阳能电池的转换效率可高达50%，如果制成多结InGaN太阳能电池，效率高达70%以上[2]。此外，InGaN材料属于直接带隙半导体材料，具有高的吸收系数，数量级在105 cm-2远高于单晶硅和 GaAs。也就是说，只需要少量的InGaN 材料即可吸收绝大部分太阳光。较高的吸收系数，不仅提高了电池的效率，也减小了太阳能电池的厚度，节省了材料，减小了制作成本。
但是，高In组分p型InGaN合金材料生长还存在一些困难，尤其是高In组份下InGaN的p型掺杂很难制备出性能良好的InGaN 太阳能电池[3]。因此，选择p-GaN/i-InxGa1-xN/n-GaN结构太阳能电池替代p-InGaN/n-InGaN结构太阳能电池。使用与GaN组成的InGaN/GaN异质结结构具有以下的优势：不需要通过控制pn结的掺杂浓度来控制耗尽区的位置和长度[4]；p、n区选GaN材料，减少了高In组分同衬底、缓冲层失配的问题[5]。然而，从双异质结p-GaN/i-InxGaN1-x/n-GaN太阳能电池的能带结构来看，界面处导带和价带会存在突起，在界面处出现能带不连续的现象[6-8]。如果本征层In组分比较大，相应地突起势垒也增大，将严重阻碍两端电极对光生载流子收集，以致于太阳能电池的效率会显著下降。本文利用AMPS-1D软件，对p-GaN/i-InxGa1-xN/n-GaN 太阳能电池进行仿真并且分析了本征i层In组分对太阳能电池性能的影响。
1 结构参数
目前，GaN材料的p型掺杂还存在一些困难， p型掺杂浓度设置为一般值5×1017cm-3，n型掺杂浓度设为1×1018 cm-3。首先对p-GaN/i-InxGa1-xN/n-GaN结构的太阳能电池建立模型，p层厚度为30nm，掺杂浓度NA=5×1017cm-3，本征层i层厚度300nm，本征浓度Nd=5×1015 cm-3，n层厚度为100nm，掺杂浓度Nd=1×1018 cm-3，本征层In组分取值范围x=0.05～0.35。
2 结果与讨论
研究了本征层不同In组分对p-GaN/i-InxGa1-xN/n-GaN太阳能电池性能的影响，图（1）是短路电流和开路电压随着本征In组分的变化曲线，可以看出，随着In组分的增加，p-GaN/i-InxGa1-xN/n-GaN太阳能电池开路电压不断下降，同时短路电流随着本征层In组分的增加先增加后下降，当In 组分增加到0.26时，短路电流达到最大值6.721mA/cm3。由于本征载流子浓度随着本征层In组分增加而指数增加，同时反向饱和电流也随之增加，根据方程Voc=（ kT/q ）ln（ Jsc/Jo） 可以看出，开路电压 Voc随反向饱和电流 Jo的增加而下降。如果要形成光生电流或光生电压，入射光的光子能量必须大于材料的禁带宽度。随着本征层In组分的增加，本征层禁带宽度不断减小，太阳光中被InGaN材料吸收的光子数量增多，这样总的光生电流增加。本征i层In组分大于0.26以后，在本征i层和n层界面存在大的导带势垒，当内建电场的作用下不足以使光生载流子穿过导带势垒，严重阻碍了导带电子的运动，从而被电极收集的有效载流子数量减少，致使短路电流在直线下降。
太阳能电池转换效率与短路电流和开路电压的乘积呈正比，计算了p-GaN/i-InxGa1-xN/n-GaN太阳能电池转换效率随随本征层In组分的变化如图（2），随着本征层In组分的增加，电池转换效率也随之增加，但是到一定值以后又开始下降，大约在本征层In组分在0.25左右时，太阳能电池的转换效率达到最高值为7.0%。由图（1）短路电流和开路电压变化来看，随着本征In组分的增大，开路电压增大，同时短路电流先增大后下降，太阳能电池的转换效率与这两个值都有关系，要得到最高的转换效率，本征i层In组分不能太大也不能太小，必须有合适的短路电流和开路电压。由图（2）计算结果可以看出In组分在0.25效率可以达到最高值。
3 结论
随着本征In组分的增加，p-GaN/i-InxGa1-xN/n-GaN太阳能电池开路电压不断下降，同时短路电流随着本征层In组分的增加先增加后下降，当In 组分增加到0.26时，短路电流达到最大值6.721mA/cm3。p-GaN/i-InxGa1-xN/n-GaN太阳能电池在本征层In组分x=0.25时，太阳能电池的转化效率达到最高值为7.0%。当In组分大于0.25以后，在本征i层和n层界面处出现明显能带不连续现象，界面突起势垒可能是太阳能电池效率直线下降的主要原因。■
参考文献
[1]Matsuoka T， Okamoto H， NakaoM， et al. Optical bandgap energy of wurtziteInN. Appl Phys Lett， 2002， 81（7）： 1246
[2] 文博， 周建军， 江若琏， 等. InGaN 太阳电池转换效率的理论计算. 半导体学报， 2007， 28： 1392—1395
[3] Lai KY， et al. Effect of indium fluctuation on the photovoltaic characteristics of InGaN/GaN multiple quantum well solar cell， Appl Phys Lett， 2010，96：081103
[4]Omkar Jani， et al. Design and characterization of GaN/InGaN solar cells.Appl Phys Lett， 2007， 91： 117—123
[5]C. J. Neufeld， et al， High quantum efficiency InGaN/GaN solar cells with 2.95eV band gap. Appl Phys Lett，2008，93 ：143502.
[6]刘恩科，朱秉升，罗晋升，等. 半导体物理学. 西安： 西安交通大学出版社， 2007
[7]Li Liang， et al，The effects of InGaN layer thickness on the performance of InGaN/GaN p-i-n solar cells， Chin. Phys. B 2013， 22（6）， 068802
[8] 张锴，王振晓. 中间带宽插入层对InGaN太阳能电池的影响.光电材料，2013， 26（08）：32-41
关键词：AMPS-1D软件；太阳能电池；转换效率
InGaN合金材料可随In组分的改变禁带宽度从0.7ev可连续调到3.4ev[1]， 这一变化范围对应的光子波长为365nm～1770nm，覆盖了可见光的所有区域，与太阳光谱几乎完美匹配。因此，利用不同组分的 InGaN 材料进行带隙叠层搭配，制作的双结及多结太阳能电池理论上将方便调节带隙以实现与太阳光谱的匹配，从而使用一种材料便可实现高效多结太阳能电池，这比传统的硅基和砷化镓基的多结电池具有优势。从目前理论计算得出：InGaN双结太阳能电池的转换效率可高达50%，如果制成多结InGaN太阳能电池，效率高达70%以上[2]。此外，InGaN材料属于直接带隙半导体材料，具有高的吸收系数，数量级在105 cm-2远高于单晶硅和 GaAs。也就是说，只需要少量的InGaN 材料即可吸收绝大部分太阳光。较高的吸收系数，不仅提高了电池的效率，也减小了太阳能电池的厚度，节省了材料，减小了制作成本。
但是，高In组分p型InGaN合金材料生长还存在一些困难，尤其是高In组份下InGaN的p型掺杂很难制备出性能良好的InGaN 太阳能电池[3]。因此，选择p-GaN/i-InxGa1-xN/n-GaN结构太阳能电池替代p-InGaN/n-InGaN结构太阳能电池。使用与GaN组成的InGaN/GaN异质结结构具有以下的优势：不需要通过控制pn结的掺杂浓度来控制耗尽区的位置和长度[4]；p、n区选GaN材料，减少了高In组分同衬底、缓冲层失配的问题[5]。然而，从双异质结p-GaN/i-InxGaN1-x/n-GaN太阳能电池的能带结构来看，界面处导带和价带会存在突起，在界面处出现能带不连续的现象[6-8]。如果本征层In组分比较大，相应地突起势垒也增大，将严重阻碍两端电极对光生载流子收集，以致于太阳能电池的效率会显著下降。本文利用AMPS-1D软件，对p-GaN/i-InxGa1-xN/n-GaN 太阳能电池进行仿真并且分析了本征i层In组分对太阳能电池性能的影响。
1 结构参数
目前，GaN材料的p型掺杂还存在一些困难， p型掺杂浓度设置为一般值5×1017cm-3，n型掺杂浓度设为1×1018 cm-3。首先对p-GaN/i-InxGa1-xN/n-GaN结构的太阳能电池建立模型，p层厚度为30nm，掺杂浓度NA=5×1017cm-3，本征层i层厚度300nm，本征浓度Nd=5×1015 cm-3，n层厚度为100nm，掺杂浓度Nd=1×1018 cm-3，本征层In组分取值范围x=0.05～0.35。
2 结果与讨论
研究了本征层不同In组分对p-GaN/i-InxGa1-xN/n-GaN太阳能电池性能的影响，图（1）是短路电流和开路电压随着本征In组分的变化曲线，可以看出，随着In组分的增加，p-GaN/i-InxGa1-xN/n-GaN太阳能电池开路电压不断下降，同时短路电流随着本征层In组分的增加先增加后下降，当In 组分增加到0.26时，短路电流达到最大值6.721mA/cm3。由于本征载流子浓度随着本征层In组分增加而指数增加，同时反向饱和电流也随之增加，根据方程Voc=（ kT/q ）ln（ Jsc/Jo） 可以看出，开路电压 Voc随反向饱和电流 Jo的增加而下降。如果要形成光生电流或光生电压，入射光的光子能量必须大于材料的禁带宽度。随着本征层In组分的增加，本征层禁带宽度不断减小，太阳光中被InGaN材料吸收的光子数量增多，这样总的光生电流增加。本征i层In组分大于0.26以后，在本征i层和n层界面存在大的导带势垒，当内建电场的作用下不足以使光生载流子穿过导带势垒，严重阻碍了导带电子的运动，从而被电极收集的有效载流子数量减少，致使短路电流在直线下降。
太阳能电池转换效率与短路电流和开路电压的乘积呈正比，计算了p-GaN/i-InxGa1-xN/n-GaN太阳能电池转换效率随随本征层In组分的变化如图（2），随着本征层In组分的增加，电池转换效率也随之增加，但是到一定值以后又开始下降，大约在本征层In组分在0.25左右时，太阳能电池的转换效率达到最高值为7.0%。由图（1）短路电流和开路电压变化来看，随着本征In组分的增大，开路电压增大，同时短路电流先增大后下降，太阳能电池的转换效率与这两个值都有关系，要得到最高的转换效率，本征i层In组分不能太大也不能太小，必须有合适的短路电流和开路电压。由图（2）计算结果可以看出In组分在0.25效率可以达到最高值。
3 结论
随着本征In组分的增加，p-GaN/i-InxGa1-xN/n-GaN太阳能电池开路电压不断下降，同时短路电流随着本征层In组分的增加先增加后下降，当In 组分增加到0.26时，短路电流达到最大值6.721mA/cm3。p-GaN/i-InxGa1-xN/n-GaN太阳能电池在本征层In组分x=0.25时，太阳能电池的转化效率达到最高值为7.0%。当In组分大于0.25以后，在本征i层和n层界面处出现明显能带不连续现象，界面突起势垒可能是太阳能电池效率直线下降的主要原因。■
参考文献
[1]Matsuoka T， Okamoto H， NakaoM， et al. Optical bandgap energy of wurtziteInN. Appl Phys Lett， 2002， 81（7）： 1246
[2] 文博， 周建军， 江若琏， 等. InGaN 太阳电池转换效率的理论计算. 半导体学报， 2007， 28： 1392—1395
[3] Lai KY， et al. Effect of indium fluctuation on the photovoltaic characteristics of InGaN/GaN multiple quantum well solar cell， Appl Phys Lett， 2010，96：081103
[4]Omkar Jani， et al. Design and characterization of GaN/InGaN solar cells.Appl Phys Lett， 2007， 91： 117—123
[5]C. J. Neufeld， et al， High quantum efficiency InGaN/GaN solar cells with 2.95eV band gap. Appl Phys Lett，2008，93 ：143502.
[6]刘恩科，朱秉升，罗晋升，等. 半导体物理学. 西安： 西安交通大学出版社， 2007
[7]Li Liang， et al，The effects of InGaN layer thickness on the performance of InGaN/GaN p-i-n solar cells， Chin. Phys. B 2013， 22（6）， 068802
[8] 张锴，王振晓. 中间带宽插入层对InGaN太阳能电池的影响.光电材料，2013， 26（08）：32-41