Cu(In_xGa_(1-x))Se_2薄膜太阳电池吸收层材料研究进展

简要介绍了Cu(InxGa1-x)Se2(CIGS)薄膜太阳电池的结构特点,阐述目前其吸收层材料CIGS薄膜典型制备方法的特点、研究应用现状及发展趋势;提出了目前CIGS薄膜太阳电池实现大规模商业化应用存在的问题,并对其发展进行展望。

单结In_xGa_(1-x)N太阳电池特性的研究

采用第一性原理和电子连续方程方法,研究了p层厚度和In的掺杂浓度对单结In_xGa_(1-x)N太阳电池性能的影响。计算结果表明:p层厚度从0.05μm增加到0.07μm,In0.1Ga0.9N电池的转换效率缓慢增大;当p层厚度从0.07μm逐渐增大到0.25μm时,太阳电池的转换效率逐渐减小。当In掺杂浓度在0.5～0.7范围内逐渐增大时,短路电流密度逐渐增大,开路电压逐渐减小。当In的掺杂浓度为0.63时,转换效率达到最大,为19.80%,填充因子为0.82。因此,通过调节p层厚度和改变In掺杂浓度的方法可以提高单结InxGa1-xN太阳电池的光电特性。

InxGa1-xN合金薄膜In的表面分凝现象

用MOCVD方法在α-Al2O3(0001)衬底上外延生长了InxGa1-xN合金薄膜.测量结果显示:所制备的InxGa1-xN样品中In的组分随外延生长温度而改变,生长温度由620℃升高到740℃,In的组分由0.72降低到0.27.这是由于衬底温度越高,In进入InxGa1-xN薄膜而成键的效率越低.样品的X射线衍射谱和X射线光电子能谱均显示:在生长温度为620℃和690℃时所生长的InxGa1-xN样品中均存在明显的In的表面分凝现象;而生长温度升至740℃时所得到的InxGa1-xN样品中,In的表面分凝现象得到了有效抑制.保持生长温度不变而将反应气体的Ⅴ/Ⅲ比从14000增加到38000,In的表面分凝现象也明显减弱.由此可以认为,较高的生长温度使得In原子的表面迁移能力增强,In原子从InxGa1-xN表面解吸附的几率增大,而较高的Ⅴ/Ⅲ比则能增加N与In成键几率,从而有利于抑制In的表面分凝.

化学法测定InxGa1-xN外延层中的In含量

采用熔融氢氧化钠对生长在蓝宝石衬底上的InxGa1-xN外延层进行化学腐蚀,通过深紫外光致发光光谱仪测量InxGa1-xN的激发光谱来控制其腐蚀过程,用硫酸和氨水对腐蚀InxGa1-xN后得到的的腐蚀溶液进行酸度调节,加入碘化钾、乙基紫与铟离子形成蓝色的离子缔合物,用苯将离子缔合物萃取至有机相,采用分光光度计测量腐蚀溶液在619 nm波长处的吸光度来计算外延层中的In含量。使用该方法测试6次,测试结果的标准偏差为0.25%,测量结果与卢瑟福背散射法的测量结果基本一致,说明该方法具有较高的精密度和准确度。该方法可用于InxGa1-xN外延层中的In含量的准确测量。

纤锌矿InxGa1-xN／GaN量子阱中的界面声子-电子相互作用

在介电连续模型下,运用传递矩阵的方法研究了任意层纤锌矿量子阱中界面光学声子的电声相互作用,得出了任意层纤锌矿量子阱中界面光学声子与电子相互作用的哈密顿。结果表明,在对称单量子阱GaN/InxGa1-xN/GaN中,界面声子-电子相互作用的耦合强度随组分x的变化差别很大;在对称单量子阱GaN/In0.8Ga0.2N/GaN中,不同的界面声子随着波数的变化对电声相互作用的贡献不同。

InxGa1-xN／GaN柱形量子点中电子的能级研究

在有效质量的理论框架下，考虑量子点的三维约束效应，研究了InxGa1-xN／GaN柱形量子点中电子的能级，讨论了柱形量子点中电子的基态（m=0）和激发态（m=1）能量以及柱形量子点的电子云概率密度。计算结果发现，InxGa1-xN／GaN量子点中电子Z方向的能量较大，Z方向越窄，其能量越大，径方向能量与角动量量子数m、径向半径R有关，角量子数m越大，能级越高，当角量子数m确定后，量子点的能量与径向半径R有关，径向半径越大，能量越小。当柱形量子点处于基态时，其电子云概率密度分布呈类椭圆形，越靠近中心处概率密度越大，并随着径向坐标ρ的增大而减小。

纤锌矿In-xGa_(1-x)N/GaN量子阱中的界面声子模

采用赝原胞模型计算讨论纤锌矿InxGa1-xN混晶性质;基于宏观介电连续模型的传递矩阵方法研究任意层纤锌矿量子阱中的界面声子,得出任意层纤锌矿量子阱中的界面声子的本征模解和单量子阱的色散关系,并对InxGa1-xN/GaN单量子阱界面声子的色散关系进行了数值计算和讨论。结果表明,纤锌矿InxGa1-xN混晶中的E1声子和A1声子都表现为单模行为;在对称非应变单量子阱GaN/InxGa1-xN/GaN中,界面声子频率随x的变化呈线性关系。

MOCVD生长In_xGa_(1-x)N薄膜的表征

本文利用MOCVD方法在(0001)取向的蓝宝石衬底上实现了不同生工艺条件下的InxGa1-xN薄膜的制备,并通过XRD、SEM、AFM等测量分析方法系统研究了生长工艺参数对InxGa1-xN薄膜的组分和性质的影响。InxGa1-xN薄膜的制备包括蓝宝石衬底表面上GaN缓冲层的生长以及缓冲层上InxGa1-xN薄膜的沉积两个过程。通过对所制备InxGa1-xN薄膜的XRD、SEM、AFM分析发现,调节生长温度和TMGa的流量可以有效控制InxGa1-xN薄膜中In的组分,并且随着生长温度的升高,InxGa1-xN薄膜的表面缺陷减少。

探索提高光电极太阳能转换效率的新方法

光电化学电池制氢是解决能源短缺的可能途径之一,然而太阳能转换效率低限制了其大规模实用化。提出了通过提高量子转换效率(IPCE)和减小带隙等手段来提高太阳能转换效率。利用异质结中的内建电场,有利于电子空穴分离,从而提高量子转换效率。以WO3/Fe2O3异质结光电极为例,在400～530nm波长范围内,其量子转换效率高于单一的WO3和Fe2O3电极的总和。窄带隙半导体材料能够吸收更多的可见光,从而提高太阳能转换效率。窄带隙材料可以通过固溶体方法对宽带隙半导体的价带进行调控来获得。以(SrTiO3)1-x·(LaTiO2N)x(0≤x≤0.40)为例,随着x的增加,价带提高而带隙逐渐减小。当x=0.4时可见光响应超过600nm,IPCE的最大值4.6%出现在410nm左右。窄带隙材料也可以通过固溶体方法对宽带隙半导体的导带进行调控来获得。以InxGa1-xN(0≤x≤0.20)为例,固溶体的带隙随着x的增加而逐渐减小,固溶体带隙减小主要是由于导带降低引起的;当x=0.2时可见光响应超过480nm,在400～430nm波长范围内最高IPCE达到9%。

In_xGa_(1-x)N/GaN量子点中类氢杂质态结合能

在有效质量近似下,运用变分方法,考虑内建电场(BEF)效应和量子点的三维约束效应,研究了纤锌矿结构的InxGa1-xN/GaN柱形量子点中类氢杂质态结合能随量子点的结构参数(高度、半径)I、n组分和杂质位置的变化规律。结果表明:类氢杂质位于量子点中心时,杂质态结合能随量子点高度的增加先增大后减小,存在最大值;随量子点半径增大而减小;而随着In组分的增加,杂质态结合能增大;杂质从量子点下界面沿z轴移至上界面过程中,杂质态结合能增大;量子点内外材料的电子有效质量的失配使杂质态结合能减小。

类氢杂质对In_xGa_(1-x)N/GaN量子点中激子的基态能和结合能的影响

在效质量近似下,运用变分方法,考虑内建电场效应和量子点的三维约束效应,研究了类氢杂质对InxGa1-xN/GaN量子点中激子的基态能和结合能的影响。结果表明:量子点中心引入类氢杂质,量子点的结构参数(半径、高度)和In含量存在临界值,当参数大于临界值时,约束在QD中激子的基态能减小,结合能增大,激子态的稳定性增强。杂质位于量子点上界面时,激子的基态能最小,结合能最大,系统最稳定。随着杂质从量子点的上界面沿着Z轴移至下界面,激子基态能增大,结合能减小。

In_xGa_(1-x)N/GaN应变量子点中激子的结合能

利用有效质量方法和变分原理,考虑内建电场效应和量子点的三维约束效应,研究了In xGa1-xN/GaN应变量子点中的激子结合能随量子点结构参数和量子点中In含量x的变化规律.结果表明,随着量子点高度L和半径R的增加,结合能降低,随着量子点中In含量的增加,激子的结合能增大.对给定体积的量子点,激子结合能存在一最大值,此时电子、空穴被最有效的约束在量子点内.对不同体积的量子点,最大值的位置在量子点高度L=1.7nm附近取得.

衬底温度对In_xGa_(1-x)N薄膜结构特性的影响

本文采用MOCVD工艺,通过调整衬底温度(固定其它工艺参数)来沉积用于太阳电池的InxGa1-xN薄膜,并利用X射线衍射仪(XRD)、X射线荧光光谱仪(XRF)、扫描电子显微镜(SEM)和台阶仪来分析研究其结构特性.衬底温度较低时有利于薄膜的In注入,衬底温度较高时有利于沉积高结晶质量的InxGa1-xN薄膜.当衬底温度为470℃时,在硅衬底上所沉积的InxGa1-xN薄膜In含量较高,为46.92%;薄膜表面光滑致密,粗糙度小;颗粒较大,且颗粒大小均匀.

In_xGa_(1-x)N纳米管能带调制的研究

采用密度泛函理论方法计算(9,0)单壁GaN纳米管替代掺杂不同浓度In体系电子结构特性,通过调制能带从而探究该体系掺杂后的电学方面的特性。研究结果表明:In掺杂到GaN后In-N的键变长,GaN晶胞体积增大,带宽变窄,使得材料电导率有所提高。

类氢杂质对束缚激子基态能和结合能的影响

利用有效质量方法和变分原理,考虑内建电场效应和量子点的三维约束效应,研究了含有类氢离子杂质的InxGa1-xN/GaN应变类量子点中激子基态能、结合能随量子点结构参数和量子点中In含量x的变化规律.计算结果显示,类氢离子杂质束对束缚激子的基态能和结合能有很强的影响.

Mg掺杂In_xGa_(1-x)N薄膜的磁控溅射法制备和表征（英文）

采用磁控溅射法,用In_2O_3靶、Ga_2O_3靶、Mg靶在Si片上制备出In_xGa_(1-x)N薄膜和Mg掺杂的In_xGa_(1-x)N薄膜。薄膜中的In组分随着Mg的掺杂而减少,因为Mg的掺杂抑制了In-N键的形成,并增加了Ga进入薄膜的机会。通过EDS对Mg掺杂的In_xGa_(1-x)N薄膜的分析表明,有1.4%的Mg组分被成功地掺入In_xGa_(1-x)N薄膜。电学性能分析表明In_(0.84)Ga_(0.16)N和Mg掺杂的In_(0.1)Ga_(0.9)N薄膜导电类型由n型转变为p型,而且Mg掺杂的In_(0.1)Ga_(0.9)N薄膜的空穴浓度和电子迁移率分别为2.65×10^(18) cm^(-3)和3.9 cm^2/(V·s)。

纤锌矿In_xGa_(1-x)N合金的电子结构和光学性质的第一性原理研究（英文）

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究In掺杂对纤锌矿In_xGa_(1-x)N合金的晶格常数、能带结构、态密度和光学性质的影响。计算结果表明:随着In掺杂浓度的增加,晶格常数逐渐增大,导带向低能方向移动,带隙变窄;与此同时,介电函数向低能方向发生了漂移,发生了红移现象。在2.0 eV附近出现了第一个介电峰,在4.76 eV附近出现了最大的介电峰。在大约5.6 eV和9.2 eV处有两个交叉点,当光子能量低于5.6或者高于9.2 eV,低掺杂浓度(小于50%)的吸收系数小于高掺杂浓度的吸收系数;当光子能量在5.6到9.2 eV之间,低掺杂浓度的吸收系数高于高掺杂浓度的吸收系数。研究结果表明In_xGa_(1-x)N合金可以作为太阳能电池以及透明导电薄膜的材料。

全In组分可调InGaN的分子束外延生长

Ⅲ族氮化物InxGa1-xN合金为直接带隙半导体,其禁带宽度随着In组分变化从3.43 e V(Ga N)到0.64e V(In N)连续可调,波长范围覆盖了0.3–1.9μm,具有电子饱和速度高和光学吸收系数大等特点,是制备高效率全光谱太阳能电池和白光照明器件的理想材料.由于缺少合适的衬底,In N和InxGa1-xN薄膜通常生长在蓝宝石或Ga N模板上.本论文综述了采用MBE方法,在蓝宝石衬底和Ga N模板上生长了In N和全组分InxGa1-xN薄膜的生长行为和材料物理性质.利用MBE边界温度控制法在蓝宝石衬底上生长高室温电子迁移率的InN薄膜,利用温度控制外延法在Ga N/蓝宝石模板上制备了全组分InxGa1-xN薄膜.

InGaN薄膜的紫外共振喇曼散射

利用325nm紫外光激发,对不同组分的InxGa1-xN薄膜的喇曼散射谱进行了研究.在光子能量大于带隙的情况下,观察到显著增强的二阶A1(LO)声子散射峰.二阶LO声子峰都从一阶LO声子的二倍处向高能方向移动,移动量随样品In组分的增加而增大,认为是带内Frhlich相互作用决定的多共振效应引起的.分析了一阶LO声子散射频率和峰型与In组分的关系.在喇曼谱中观察到样品存在相分离现象,并与X射线衍射的实验结果进行了对比.此外,还观察到位于1310cm-1附近的InxGa1-xN的E2声子组合模.