InGaN太阳能电池的建模仿真与设计

论文摘要

氮化镓铟(InGaN)太阳能电池是一种新型的半导体太阳能电池,它凭借禁带宽度可调且与太阳光谱完美匹配的特点,已成为国际上氮化物材料和新型高效太阳电池研究领域的前沿研究方向。然而,与传统的太阳电池材料和器件相比较,目前人们对全光谱氮化镓铟太阳能电池的研究和认识还很有限,在芯片结构设计上存在着许多问题,在材料生长工艺上难以获得高质量、高铟组分的氮化镓铟材料,要使太阳能电池获得较好的光电特性,需要对芯片结构进行优化设计。本论文利用Silvaco TCAD半导体器件仿真软件,结合硅太阳能电池及三五族半导体器件的仿真实例,建立了针对氮化镓铟太阳能电池的仿真模型,在此基础之上来对不同结构的氮化镓铟太阳能电池进行调试与对比分析,分别对PN型、PIN型及多量子阱(MQWs)型三种氮化镓铟太阳能电池进行仿真建模,通过分别改变各层厚度、铟含量、掺杂浓度以及量子阱的深度与宽度,来分析它们对太阳能电池的光电特性的影响。为了获得高外量子效率,文中提出单结氮化镓铟太阳能电池的铟组分应为0.6左右,吸收区的铟组分决定着太阳能电池的光谱吸收范围,铟组分过高将导致开路电压降低以及电池转换效率的降低。相邻层的铟组分之差不大于0.3,否则会导致异质结处势垒变大,载流子传输效率的降低。为了获得高内量子效率,文中提出P区厚度在50纳米之内,N区厚度为110纳米左右,耗尽区的长度为300纳米左右,耗尽区位置应当接近电池顶部,以获得最大光生电流。P、N区掺杂浓度应不低于1.0×1018/cm3,这样耗尽区的平均电场强度较大,使电流密度增大。在多量子阱结构中,量子阱的最佳宽度为3纳米左右,由于极化效应的存在,过宽的量子阱将使电流密度减小。结合仿真计算的结果,本论文对氮化镓铟太阳能电池提出了优化设计思路,最终得到光电转换效率分别为23.5%、32.1%、31.4%的三种氮化镓铟太阳能电池的芯片结构设计方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 太阳能电池概述
• 1.2 太阳能电池的基本原理
• 1.3 InGaN 太阳能电池的特点和应用
• 1.4 InGaN 太阳能电池的发展现状
• 1.5 本文的工作
• 2 InGaN 太阳能电池的建模分析方法
• 2.1 Silvaco TCAD 的介绍
• 2.2 二维器件仿真器ATLAS 与仿真方法
• 2.3 使用仿真软件对InGaN 太阳能电池建模
• 3 PN 型结构的InGaN 太阳能电池的模拟仿真
• 3.1 建模特点
• 3.2 仿真分析
• 3.3 设计方案
• 3.4 本章小结
• 4 PIN 型结构的InGaN 太阳能电池的模拟仿真
• 4.1 建模特点
• 4.2 仿真分析
• 4.3 设计方案
• 4.4 本章小结
• 5 多量子阱结构的InGaN 太阳能电池的模拟仿真
• 5.1 建模特点
• 5.2 仿真分析
• 5.3 设计方案
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 科研成果说明