InGaN太阳能电池的数值分析与结构优化

【摘要】：自从重新修订了InN的禁带宽度约为0.7eV,InGaN合金的带宽与太阳光谱能够完美匹配,可以通过改变In组分来调整InGaN材料的带宽,以及InGaN的高吸收系数、高机械强度以及良好的导热性等性质,这使对InGaN的研究成为太阳能电池中的前沿研究课题。但是目前对InGaN太阳能电池的研究还不是很充分。本文目的是为了InGaN电池的制备提供理论基础。主要研究内容包括利用AMPS软件模拟单结太阳能电池以及增加带宽渐变层的太阳能电池;利用MATLAB软件计算出多结电池的最大效率,研究复合对电池的影响。本文的主要工作和研究成果如下: 1、利用AMPS软件对掺杂浓度为1×10~(18)cm~(-3)、带宽为1.32eV的同质结InGaN电池进行模拟,得到电池最大效率约为22.63%。p层和n层厚度均为200nm时,电池的最佳带宽是1.4eV。对异质结p-GaN/n-InxGa1-xN电池模拟,当In组分x约为0.5时,电池的效率最大,为13.89%,而且此时价带存在明显的不连续性。 2、分别在带宽为2.3eV的InGaN同质结电池、p-GaN/n-In_(0.5)Ga_(0.5)N异质结电池以及p-In_(0.39)Ga_(0.61)N/n-GaN异质结中增加各种类型的InGaN带宽渐变层。带宽渐变层的增加不仅实现了对光子的分段吸收,提高了InGaN太阳能电池的吸收效率,而且构成了势垒,形成了附加电场,提高少数载流子的收集和寿命,减少异质结电池中的价带和导带的不连续性,从而提高电池的转换效率。在同质结电池中的p层和n层分别添加相应的带宽渐变层,电池的效率可以从11.50%提高到14.30%。增加n型带宽渐变层后,p-In_(0.39)Ga_(0.61)N/n-GaN异质结中的导带不连续性消失,电池效率从0.005%提高到15.54%。 3、对存在复合时的双结太阳能电池的电流密度公式进行推导,计算AM1.5G光谱照射下各种子电池带宽组合下的电池效率。当顶电池和底电池的带宽组合为1.74/1.1eV时电池的效率最大,约为31.93%。 4、优化复合情况下6结InGaN电池,得到最大效率为38.56%。存在复合时,InGaN电池的转换效率随电池中子电池的数目呈线性变化。不存在复合时,短路电流密度和转换效率较高。 【关键词】：InGaN 太阳能电池 带宽渐变层 双结电池 多结电池
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 太阳能电池的研究背景和意义9
• 1.2 太阳能电池的发展9-10
• 1.3 高效率太阳能电池10-12
• 1.3.1 单结太阳能电池的效率极限10-11
• 1.3.2 多结太阳能电池11-12
• 1.4 InGaN太阳能电池12-16
• 1.4.1 III族氮化物的发展12
• 1.4.2 InGaN材料特性12-15
• 1.4.3 InGaN材料优势15
• 1.4.4 InGaN生长的技术难题15-16
• 1.5 论文内容安排16-18
• 第2章 单结InGaN太阳能电池的数值模拟18-27
• 2.1 引言18
• 2.2 参数选定18-21
• 2.2.1 吸收系数的选择19-20
• 2.2.2 反向饱和电流密度的求解20-21
• 2.3 理想太阳能电池的转换效率21
• 2.4 InGaN同质结太阳能电池21-24
• 2.4.1 单结电池的厚度分配22-23
• 2.4.2 对同质结电池最佳带宽的分析23-24
• 2.4.3 轻掺杂层对电池效率的影响24
• 2.5 InGaN异质结太阳能电池24-26
• 2.6 本章小结26-27
• 第3章 带宽渐变层在单结电池中的应用27-41
• 3.1 引言27
• 3.2 在同质结太阳能电池中增加带宽渐变层27-30
• 3.2.1 分别在p层和n层引入对应类型的带宽渐变层27-29
• 3.2.2 增加n型和p型的交替渐变层29-30
• 3.3 带宽渐变层在p-GaN/n-In0.5Ga0.5N异质结电池中的应用30-38
• 3.3.1 增加i型带宽渐变层30-32
• 3.3.2 增加n型带宽渐变层32-36
• 3.3.3 增加np交替型带宽渐变层36-37
• 3.3.4 增加p型带宽渐变层37
• 3.3.5 比较p型和n型渐变层对电池性能的影响37-38
• 3.4 n型带宽渐变层在p-InGaN/n-GaN异质结电池中的应用38-39
• 3.5 本章小结39-41
• 第4章 存在复合时InGaN双结电池的数值分析41-52
• 4.1 引言41
• 4.2 存在复合的双结电池的短路电流密度公式推导41-46
• 4.2.1 顶电池的短路电流密度41-43
• 4.2.2 底电池的短路电流密度43-46
• 4.3 存在复合时双结InGaN电池的数值模拟46-50
• 4.4 本章小结50-52
• 第5章 InGaN多结电池的数值模拟52-59
• 5.1 引言52
• 5.2 多结太阳能电池的计算原理52-53
• 5.3 InGaN多结太阳能电池的模拟53-58
• 5.3.1 对6结InGaN电池的模拟53-55
• 5.3.2 对多结太阳能电池的分析55-56
• 5.3.3 复合对太阳能电池的影响56-58
• 5.4 本章小结58-59
• 结论59-61
• 参考文献61-67
• 致谢67

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