文摘

的光电性质GaInP p i n与不同的固有层太阳能电池(光伏)厚度从0.25到1μ进行了研究。排放强度和半宽度光伏材料光致发光光谱的特点表明,最优厚度在0.5和0.75之间μm。综合当前光电流实验的结果也指出,样品在0.5到0.75μ光伏材料厚度最佳值约156 nA。Electroreflectance测量表明,样品的内建电场强度逐渐偏离理论值大当光伏材料厚度的样品比0.75更厚μm。我- - - - - -V整个样品的测量结果也证实晶体质量获得短电流光伏性能的信息。一系列的实验反映了光伏材料厚结构将产生更多的缺陷这一代降低晶体质量。

1。介绍

太阳能电池设备发挥重要作用在可再生能源中太阳能直接转化为电能。近年来,串联结构已经开发了高效的应用程序。这些都是堆由多个具有不同带隙的太阳光吸收太阳光线在不同光谱范围和转换成电力。多接点III-V串联结构太阳能电池如GaInP GaInAs /通用电气三结电池吸引了越来越多的关注非常高的转换效率(1,2]。然而,III-V串联电池的高成本已经广泛应用的主要障碍。另一种基本的太阳能电池结构是p i n结构,由p - n型地区在顶部和底部层和中间的固有层(光伏)。它提供了一个简单的方法来改善厚内在区域吸收能力。这也是众所周知,内置的电场在太阳能电池设备中起着至关重要的作用;然而,很难直接通过电方法检测和研究报告(3]。此外,不同厚度的一个光伏材料将详细研究了光伏材料,因为厚可能导致更多的缺陷,降低内建电场。调制光谱技术是一种强大的工具为研究光学精细结构半导体设备和材料(4- - - - - -9]。为了评估光伏材料的质量,系统的光学厚度和内建电场的特性必须澄清给我们信息,以优化功率转换效率。这些参数也希望提高串联电池的设计和改善质量的外延层。

在这项研究中,我们进行了光致发光(PL)和光电流(PC)光谱测量探测的能量带隙GaInP层和理解这些设备的吸收行为。我们也测量Franz-Keldysh振荡的周期(FKOs)使用electroreflectance (ER)光谱揭示内置的电场强度。因此,ER的结果可以确定光伏材料厚度是否适合放在设备的设计。此外, - - - - - - 测量的设备可以提供许多重要的信息和光电特性,如短电流( )、开路( ),填充因子(FF)、效率( ),串联电阻( )和分流电阻( )。比较不同技术,收集的信息清楚的内建电场和优化光伏材料厚度在InGaP p i n太阳能电池将在以下内容。

2。实验方法

一系列GaInP p i n太阳能电池光伏材料与不同厚度是生长在砷化镓基板(100)低压有机化学气相沉积系统,和图中给出的分层结构示意图1。在n-GaAs衬底的顶部,有一个n-GaAs缓冲层,其次是一个n-AlGaInP背表面场层(0.1μ米)和p i n结构组成的一个n-GaInP基地(0.3μ米)、一个i-GaInP层和p-GaInP发射极层(0.1μ米),紧随其后的是一个AlGaInP窗口层(0.03μ(0.3米)和p-GaAs接触层μ米)。构成比率Ga0.5在0.5光伏材料和(Al0.35遗传算法0.65)0.5在0.5P背面领域层。根据生长速度和时间信息,四个样品的光伏材料的厚度,可以计算是0.25,0.5,0.75,1μm,分别。我们象征样品A, B, C, d .发射器和基本层的掺杂浓度的样品2×1018和3×1017厘米−3,分别。


图1
的主要结构GaInP p i n太阳能电池。

PL光谱进行了通过使用一个100兆瓦的二极管泵固体激光器波长为532 nm为研究GaInP层的组成和晶体质量。硅探测器和0.25单色器配有锁定放大器被用来记录PL光谱的光强。电脑光谱系统,来自一个150 W的单色光卤素灯由单色器过滤,然后镜头聚焦在样品表面。诱发的光电流单色光被吉时利6485微微安培表测量。为了检测太阳能电池的内建电场,ER光谱进行了在不同的反向偏差(5,6]。调制电压为0.3 V和系统配置类似于反射率测量和详细的实验装置被描述在别处(10,11]。此外,一个太阳能模拟器(SS150完全反射太阳能模拟器)被用来获得 - - - - - - 特征。

3所示。结果与讨论

样品的PL光谱A, B, C和D与峰值约1.9 eV图所示2。这四个样品的PL信号主要来自i-GaInP层,因为高掺杂会产生非辐射的中心和削弱发光效率p -和n-doping层。PL强度增强光伏材料的厚度从0.25增加到0.5μm。因为主要辐射复合中心位于光伏材料厚样品的PL强度C低于样品B虽然光伏材料更厚。一般来说,PL强度反映了辐射复合的概率和给我们一个评价参考晶体质量。高结晶质量层展品PL强度;然而,一层水晶质量差显示生成弱发射,因为大部分的照片运营商重组的非辐射的复合中心。因此,这个结果可能归因于厚光伏材料的缺陷样本的生成C与样品的PL峰强度相比,B和C, D样品的强度非常小。这种弱PL强度表明光伏材料质量也不好由于样品中产生许多缺陷D,从而影响太阳能电池的效率。此外,我们还注意到,半宽度(应用PL光谱值是18.9,19.3,20.1,和25.0 nm四个样品,分别。样本D具有最大的应用价值在所有样本,这是另一个证据表明光伏材料的晶体质量可以退化为层厚度增加超过临界厚度。此外,四个样品的PL峰在1.88 eV。根据能量带隙和合金成分之间的关系提出了在前面的文献[12,13),合金成分 的 样品一到D被确定为0.58,0.54,0.58,和0.58,分别通过以下方程:


图2
样品的室温PL光谱~ D。

光伏材料厚度的影响在PC光谱如图3。四个样品,photo-induced电流突然上升至1.9 eV表明太阳能电池的吸收边缘位置。PC峰值电流是124,152,156,和147 nA样本到D,分别在综合值63,76,71,66 nA。与太阳照明相比,低综合测量值是样品单下频繁光单色器的过滤。样品的峰值和综合值小于那些其他的样品由于光伏材料太薄吸收所有的光。随着光伏材料的厚度增加,更大的光电流代可以预期。很明显,B和C的PC值样本在所有样品中改进。然而,随着光伏材料厚度不断增加,个人电脑的结果趋向于饱和,然后减少由于高密度点缺陷的形成在光伏材料厚,也符合上述PL的结果。电脑和PL光伏材料结果表明,最优厚度应在0.5和0.75之间μm。此外,我们分析了峰值变化之间的PL峰和他仔细PC吸收边沿。很明显发现样本,样本D的变化小,仍在一个合理范围(~ 20兆电子伏)。这些变化可能是由于轻微的不同成分或厚度均匀性,因为测量位置PL和PC之间不完全相同的实验。


图3
的电脑光谱样品~ D。

一般来说,一个小扰动触发了调制光谱使用外部电压或温度变化来创建一个周期性变化的带隙;之后,光吸收系数和介电系数会有所改变。ER的基本原理是利用光学的导数光谱对电场的调制。运营商可以解决,其他的吸收转换的背景信号ER系统可以减少使用锁定放大器探测小的变化探测光束的反射的光。ER系统被广泛用于揭示量子井的转换能量和多种结内建电场结构(14]。基于Franze和铁达尼理论(15),沈等人提出了一个电场强度的准确评估通过分析FKOs时期中存在ER光谱(16,17]。由于非接触和非破坏性方法的优点,这些努力使调制光谱的惟一方法检测二极管和晶体管结构的内建电场(18- - - - - -20.]。p i n太阳能电池,高电场是建立在光伏材料的费米能级差异p -和n型层。这个内建电场引起的发动机驱动电子空穴对太阳能灯的细胞,产生电力。因此,我们利用ER测量获得的内建电场光伏材料与不同厚度的样品。在图4,我们现在的ER光谱样本在不同的反向偏差和内置的电场强度计算 从FKO时期。ER线形状得到(约21] 在哪里 是归一化反射率差异, 是光子能量, 是一个阻尼参数, 是电光能源, 是一个阶段的因素。余弦项已经在能量极值 给出的 在哪里 的索引号吗 极值。运营商有产生电光能源: 在哪里 电子电荷和吗 国际米兰带减少磁场方向的有效质量。图4显示样本的ER光谱测量在不同的反向偏差在0和3.5 V之间。第一个特性低于1.9 eV显示了直接带隙能量( 光伏材料),而功能高于1.9 eV FKO特性。光子的能量是由线和箭头标记为1 - 6和指导最后,转向高能源由于增加反向偏压的增加内建电场。图5显示了光子的能量 ,它被定义为 ,情节的函数索引 进一步ER样本分析结果显示两条直线,广场为零偏差和三角形3.5 V反向偏压,我们提供样品。从这直线的斜率和(4),内建电场测定90千伏/厘米在零偏压和223千伏/厘米3.5 V反向偏压,分别。光伏材料的内建电场的pin结构主要是由掺杂水平在n - p-layers和光伏材料的厚度。由于掺杂水平相当高2×1018厘米−3在p层,3×1017厘米−3在n层,大量的电子和空穴积累在双方光伏材料的费米能级非常接近n型和p型导电和价带层,分别。因此,内建电场在零偏压可以估计的能量带隙InGaP除以光伏材料厚度。这个简单的基础上计算,内建电场的理论价值是86.3 kV / cm样品a .内建电场的理论值与测量结果相匹配。


图4
ER样品光谱测量在不同的反向偏差从0到3.5 V。

图5
光子的能量 作为的指数函数 ER的分析样本。

图6显示样品的内建电场的D从ER光谱结果安装在各种偏见。这些内建电场结果显示加入线性趋势增加反向偏压。加入相应的内建电场的值是38岁,18日,10日和3 kV / cm样品A到D,分别。反向电压可以应用于i-GaInP由于小的漏电流。因此,内建电场的理论加入值可以估计通过外加电压除以i-GaInP层的厚度。的理论价值增加电场提供当一伏特电压应该是40.0,20.0,13.3,和10.0 kV / cm样品A到D,分别。理论和实验值列在表中1。它可以发现,实验值与理论相匹配值,当i-GaInP层的厚度很小,如样品A和B,但逐渐偏离理论值的厚度大于0.75μm。样本D,加入值只有三分之一的理论价值。根据这个结果,很明显,i-GaInP薄层的晶体质量很好,没有缺陷偶极子存在的这一层,导致所有的反向偏压已经应用于这一层。另一方面,i-GaInP层样本D质量不够好,由于大量的点缺陷,成为带电偶极子应用反向偏压和电场的加入降低了价值(22,23]。

表1
的内建电场强度增加率样品~ D。

图6
的合适的内建电场从ER ~ D的样本结果在各种偏见。

图7显示了 - - - - - - 特征的样本到D在太阳光照获得的。大量的太阳能电池电路相关参数可以提取 - - - - - - 曲线如 , , , (24- - - - - -26]。 代表了最大电流在短路情况下,反映了产生电流的能力。我们可以观察到样品B和C的高值 ,而样本和D低 。然而, 是衡量太阳能模拟器组成的整个太阳光谱,和他们的结果类似于PC光谱的集成。综合值样本到D 63, 76, 71,和66 nA,分别。这个结果表明这一趋势这样我们已经观察到 值。我们可以进一步确认合适的光伏材料厚度为0.5和0.75之间的良好性能μm。Štulik和辛格提出缺陷的影响 基于硅晶体太阳能电池光伏材料表明糟糕的质量会导致更低的 值(27]。因此,低 A和D值样本反映光伏材料中存在的许多缺陷与不合适的厚度。


图7
的 - - - - - - 样本的特征~ D在太阳光照获得的。

开路电压, ,从结太阳能电池可用的最大电压,它发生在零电流。的 值获得的十字路口 - - - - - - 曲线和水平轴电压;这些值是1.19,1.14,1.17,和1.11 V A到d .样本结果的太阳能电池, 可以确定为 ,在那里 是热电压, 是理想的因素, 饱和电流, 短路电流密度。一般来说,饱和电流密度取决于复合太阳能电池;因此, 是一个衡量的复合设备。样本D 很明显减少,这可能与增强代饱和电流由复合电流等各种机制缺陷或扩散电流(28]。此外,两个串联的等效电阻( )和分流器( )也可以提取的斜率 曲线在开路和短路的情况下,分别。结果总结表2。一个高效的太阳能电池,低 和大 太阳能电池的特性是必要的,减少功率损耗除了影响FF。表2表明, 增加一个小样本为样本d . C和导致大幅跳我们认为的增加 负责光伏材料厚度的增加(29日]。样本D,很多光伏材料抵抗电流和点缺陷导致高串联电阻。的电阻 减少一点从样本为样本d . C和大幅减少的减少 负责非辐射的复合中心的增加来自光伏材料缺陷。一般来说,填充因子(FF)值可以反映出太阳能电池的性能。当FF关闭这意味着太阳能电池拥有理想的100% 特点和允许最大权力交付给负载,FF被定义为最大功率的比率的乘积 和 。一个大 或一个小 将减少FF。根据表中的信息2我们组织了,样品的相关结果显示低 和大 特征反映出好的FF财产。相比之下,一个贫穷的FF的样本D可能合理的由于高 和低 。

表2
光电性能的样品~ D。

另一个关键性能特征的太阳能电池的效率 的比例,这是最大权力的光功率。表2显示了 样品一个D值3至5%。根据之前的文献[30.),蜀等人提出的转换效率GaInP p i n太阳能电池可以用1 mA /厘米达到5%左右2光电流密度生成使用类似与我们的测量方法。在我们的情况下,不可能增透膜层应用于我们的设备效率低的原因。从数据表所示2B和C,它可以发现样品有更好的效率比样品和d从这些关键性能特征,我们可以理解,优化光伏材料的厚度是至关重要的,范围在0.5到0.75左右μm。光伏材料的晶体质量取决于光伏材料的厚度。性能和太阳能电池的内建电场实际上依赖于合适的光伏材料的厚度与高质量。

4所示。结论

总之,我们提出了研究的内建电场和光学性质GaInP p i n太阳能电池光伏材料与不同厚度。一系列的实验确定光伏材料内建电场的优势和对所有样品和确认质量优化光伏材料厚度0.5到0.75左右μ示例与稀释剂m。光伏材料厚度、太阳能电池无法全部吸收太阳的光效率。因此,短路电流和输出功率很低。此外,很多点缺陷在示例生成较厚层和内建电场不够高赶走所有photo-induced电流。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

作者要感谢美国国家科学委员会的财政支持,台湾,根据合同NSC 100 - 2112 m - 018 - 002。