銻化物熱光伏電池材料MBE制備及器件特性研究.pdf

1、熱光伏(Thermophotovoltaic:TPV)電池系統(tǒng)以其能量利用率高、便攜、可全天候使用等特點(diǎn),具有很好的應(yīng)用前景和商用價(jià)值。目前,對(duì)于熱光伏電池系統(tǒng)的研究主要集中在新型PTV電池材料的研發(fā)、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化生長(zhǎng)工藝等方面。其中,光伏電池特性的模擬分析可給出不同器件結(jié)構(gòu)、材料不同的結(jié)晶狀況以及各種光譜條件下的電池轉(zhuǎn)換效率,對(duì)器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料生長(zhǎng)工藝起到了重要的理論指導(dǎo)作用。本文在材料特性參數(shù)和器件性能的模擬分析基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)

2、生長(zhǎng)了異質(zhì)結(jié)p-GaSb/n-GaAs和p-InAs/n-GaSbTPV電池結(jié)構(gòu)薄膜材料,利用XRD、AFM等表征了材料的結(jié)晶質(zhì)量,基于該薄膜材料制作了TPV電池器件,最后通過(guò)I-V測(cè)試對(duì)器件的光電性能進(jìn)行了表征。
　　首先用MATLAB軟件分別模擬了GaSb/GaAs和InAs/GaSb異質(zhì)結(jié)的少子復(fù)合壽命、吸收系數(shù)、少子遷移率和少子擴(kuò)散長(zhǎng)度隨摻雜濃度和溫度等因素而變化的規(guī)律,為后面器件結(jié)構(gòu)的模擬優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。
　　

3、用PC-1D軟件模擬了p-GaSb/n-GaAs結(jié)構(gòu)TPV電池轉(zhuǎn)換效率隨GaSb層厚度和摻雜濃度的變化規(guī)律,得到了最佳的GaSb層厚度為0.3μm,最佳摻雜濃度為1019cm-3。另外分析了表面復(fù)合速率和界面復(fù)合速率對(duì)器件轉(zhuǎn)換效率的影響,隨著表面復(fù)合速率和界面復(fù)合速率的提高,短路電流ISC和開路電壓VOC都隨之降低。論文中提出了一種新型的p-InAs/n-GaSbTPV電池結(jié)構(gòu),模擬分析了轉(zhuǎn)換效率隨InAs層厚度和摻雜濃度的變化規(guī)律,得

4、到了最佳的InAs層厚度為0.4μm,最佳摻雜濃度為1019cm-3。
　　采用MBE制備技術(shù),以GaAs為襯底,分別設(shè)計(jì)生長(zhǎng)了1號(hào)p-GaSb/n-GaAs以及2號(hào)、3號(hào)p-InAs/n-GaSbTPV結(jié)構(gòu)薄膜材料。1號(hào)樣品的AFM分析結(jié)果表明,其均方根粗糙度為1.98nm,連續(xù)性較好,但不夠平整,表現(xiàn)為典型的SK生長(zhǎng)模式;XRD測(cè)試結(jié)果表明GaSb層FWHM為0.140,說(shuō)明晶體結(jié)構(gòu)質(zhì)量較好。2號(hào)、3號(hào)樣品的AFM分析結(jié)果表明

5、其表面均方根粗糙度分別為1.68nm、1.65nm,表面粗糙度較低,表面質(zhì)量較好;XRD測(cè)試結(jié)果表明2號(hào)、3號(hào)樣品的FWHM分別為0.283和0.271,晶體質(zhì)量較好。利用AFM方法測(cè)試了KOH腐蝕后的各外延層的厚度,GaSb薄膜厚為0.241μm,2號(hào)樣品InAs層厚0.192μm,3號(hào)InAs層厚度為0.384μm。
　　最后通過(guò)打磨和濕法刻蝕的方法將各樣品制作成器件,用電化學(xué)工作站分別測(cè)試了各樣品無(wú)光照下的伏安特性和光照下的

6、I-V特性曲線。無(wú)光照下1號(hào)樣品的伏安特性曲線表明,正偏開始時(shí)勢(shì)壘區(qū)電流以復(fù)合電流要為主,隨著注入電流增加變?yōu)橐詳U(kuò)散電流起為主。2號(hào)樣品的特性曲線并沒有出現(xiàn)拐點(diǎn),說(shuō)明晶體內(nèi)部的缺陷密度較大。光照下的I-V特性曲線顯示,1號(hào)樣品短路電流ISC=75.5μA,開路電壓VOC=145.70mV,FF=40.57％,數(shù)值偏小,這主要是由于襯底電阻較大等原因所致;2號(hào)樣品短路電流ISC=98.10mA,開路電壓VOC=266.14mV,FF=46