InGaN太阳电池光电转换特性的理论计算

张玉宁，剡文杰

(宁夏大学物理电气信息学院，宁夏银川750021)

InGaN太阳电池光电转换特性的理论计算

张玉宁，剡文杰

(宁夏大学物理电气信息学院，宁夏银川750021)

从p-n结太阳电池的理论模型和带隙的经验公式出发，结合实际材料参数，通过改变In组分来调节带隙。计算了标准太阳光谱AM1.5光子通量及该光谱下单结和异质双结太阳电池的光电转换效率。结果显示，单结太阳电池的最大转换效率是27.28%，与之对应的In组分为0.82。异质双结太阳电池的最高转换效率为30.75%，对应的In组分是0.74。这些结果可作为设计制备InGaN太阳电池的理论依据。

光电子材料；InGaN太阳电池；光电特性；转换效率；理论计算

作为永久可依赖的绿色能源，太阳能的有效利用，特别是髙效光电转换，是目前非常活跃的研究领域。太阳电池是太阳能光电转换的核心器件，提高太阳电池光电转换效率和降低生产成本是最终目标[1]。经过几十年的研究，已发展出很多种基于不同材料、结构和原理的太阳电池，有些已经商业化生产并用于发电，光伏业已成为新兴产业。其中最成熟、最具代表性的是晶体硅太阳电池。由于晶体硅是间接带隙半导体且禁带宽度不是理想值，光吸收系数低且晶体硅太阳电池的最大理论转换效率也较低。探索髙效太阳能光电转换的新材料、新结构、新机理成为目前太阳能光电转换领域的前沿热点。带隙可调的材料具有制成高效低成本太阳电池的诸多潜力。首先，是直接带隙材料，吸收系数高。1997年 Muth等人[2]报道了的带隙边缘吸收系数高达105cm－1[3](晶体硅的吸收系数为103cm－1)，这意味着400 nm左右的InGaN材料就可以吸收98%以上的入射光[4]，有利于节省材料成本并减轻电池质量。其次电子迁移率高[5]。高电子迁移率可降低光生载流子在材料内部的复合几率[6]，使其能快速到达电极，有利于提高电池的短路电流。第三，禁带宽度连续可调。2002年，美国伯克利劳伦斯国家实验室的W.Walukiewicz和J.Wu等发现InN的禁带宽度为0.7 eV[7]。因此，III族氮化物三元合金InGaN的禁带宽度从GaN的3.4 eV到InN的0.7 eV连续可调。对应的吸收光谱的波长从365 nm到1 700 nm[8]，与太阳光谱几乎完美匹配，具备了高效光电转换的基础。此外，还具有电子和空穴的有效质量低、饱和速度高、耐辐射[9]、对温度变化不敏感[10]等一系列优点[11]。利用上述优点，不仅可构成多结太阳电池，还可开发量子阱等“第三代”太阳电池。另外，器件可在高温和恶劣的环境下工作。有研究表明，在高能粒子轰击后，的光电特性并没有明显变化，这使得成为制作空间太阳电池的理想材料。

本文从p-n结太阳电池的电压-电流方程出发，分析了AM1.5光谱下p-n结太阳电池的光电流、最大功率点。在此基础上，计算了单结及异质双结太阳电池的最大转换效率及相应的最优In组分，并对结果进行了讨论分析。

1 理论计算模型

p-n结太阳电池的电流-电压方程：

太阳电池转换效率定义为：

由此，为了计算太阳电池的转换效率，就要算出最大输出电流和电压，要算出和，就要算出短路电流。

若太阳电池能产生电子-空穴对的厚度为d，则产生的电子-空穴对总数为：

则电池的短路电流为：

又对公式(3)变形得：

将上式代入式(1)：

则功率可表达为：

为了求解最大功率下对应的最大电压，对功率求极值，代入所有参量最终可得：

这是一个关于V的超越方程，通过对其数值求解，可得最大电压，其中求解所需GaN和InN的光学参数查文献[12]得到，而的参数由GaN和InN各项参数线性数据拟合得到，见表1。

表1 InGaN、InN、GaN光电参数

对于计算光子数，所用到的太阳光谱是采用标准的AM 1.5谱，是由美国国家可再生能源实验室的官方网站颁布的，American Society for Testing and Materials(ASTM)于2004年最新测量得到的ASTM G173-03。实际上入射到太阳电池的光子数应当是太阳光所包含的各种波长的光子之和，即：

2 计算结果及讨论

图1 InxGa1－xN单结太阳电池转换效率和禁带宽度的关系曲线

图2 禁带宽度和电流密度关系曲线

图3 禁带宽度和电压关系曲线

基于上述计算结果，为了进一步提高太阳电池的转换效率，本文接着计算了异质双结太阳电池的转换效率。

图4给出了同质单结太阳电池和异质双结太阳电池的结构示意图。在对两结以上串联太阳电池仿真计算时，太阳电池的短路电流密度应取各结电池短路电流密度之最小值；太阳电池的开路电压是各结电池开路电压之和。表2给出了计算得到太阳电池的最大转换效率和性能参数，从表中可以看出，相比单结太阳电池，双结太阳电池将转换效率提高了约3%，转换效率为30.75%，此时对应的In组分是0.74。由于合金的禁带宽度在太阳光谱的最主要范围内是连续可调的[14]，很容易得到与最大转换效率相对应的禁带宽度材料，而目前所用的太阳电池材料，禁带宽度是固定的，或者是可调的，但是可调范围不大，不容易与最大转换效率相对应，而的禁带宽度是连续可调的，它容易达到最佳的禁带宽度组合。

图4 InxGa1－xN 同质单结/异质双结太阳电池结构示意图

表2 计算的InxGa1－xN和InxGa1－xN/GaP太阳电池的光电学参数

3 结论

根据p-n结型太阳电池的理论模型，以AM1.5标准太阳光谱为入射光，利用材料带隙与In组分间关系的经验公式，计算得出单结和异质双结太阳电池的转换效率。当In的组分为0.82时，禁带宽度为1.389 3 eV，单结太阳电池的最高转换效率是27.28%；当In组分为0.74时异质双结太阳电池的最高转换效率是30.75%。本文只是在理想情况下计算禁带宽度对转换效率的影响，忽略了实际中很多情况，比如能量损耗、结层厚度、掺杂浓度等，也没有考虑制备中的实际问题，并且还有很多导致光电转换能量损失的因素，实际工艺中遇到的问题，这些都需要作进一步的研究，才能更准确地了解InGaN太阳电池其他参数与电池性能的关系，进一步提高电池的转换效率。

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Theoretical calculation of photoelectric conversion efficiency of InGaN solar cell

Based on the theoretical model of p-n junction solar cells and empirical energy gap formula ofcombining with the actual material parameters, the energy gap ofwas changed by adjusting the In contents.The photon flux density of AM1.5 solar spectrum and photoelectric conversion efficiency of single-junctionand double-heterojunctionsolar cells were calculated.The results show that the maximum solar energy conversion efficiency ofsingle-junction solar cells is 27.28%,the In contents is 0.82,and that of double heterojuctionsolar cells with In contents of 0.74 achieves up to 30.75%.These results may provide a theoretical basis for the preparation of InGaN solar cells.

optoelectronic materials;InGaN solar cells;photoelectric properties;conversion efficiency;theoretical calculation

TM 914.4

A

1002-087 X(2016)03-0604-03

2015-08-22

国家自然科学基金(61066002)

张玉宁(1990—)，女，宁夏回族自治区人，硕士生，主要研究方向为光伏材料与器件。

剡文杰，Email：yanwj@nxu.edu.cn