InGaN太陽(yáng)能電池的數(shù)值分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

【摘要】：自從重新修訂了InN的禁帶寬度約為0.7eV,InGaN合金的帶寬與太陽(yáng)光譜能夠完美匹配,可以通過改變In組分來(lái)調(diào)整InGaN材料的帶寬,以及InGaN的高吸收系數(shù)、高機(jī)械強(qiáng)度以及良好的導(dǎo)熱性等性質(zhì),這使對(duì)InGaN的研究成為太陽(yáng)能電池中的前沿研究課題。但是目前對(duì)InGaN太陽(yáng)能電池的研究還不是很充分。本文目的是為了InGaN電池的制備提供理論基礎(chǔ)。主要研究?jī)?nèi)容包括利用AMPS軟件模擬單結(jié)太陽(yáng)能電池以及增加帶寬漸變層的太陽(yáng)能電池;利用MATLAB軟件計(jì)算出多結(jié)電池的最大效率,研究復(fù)合對(duì)電池的影響。本文的主要工作和研究成果如下: 1、利用AMPS軟件對(duì)摻雜濃度為1×10~(18)cm~(-3)、帶寬為1.32eV的同質(zhì)結(jié)InGaN電池進(jìn)行模擬,得到電池最大效率約為22.63%。p層和n層厚度均為200nm時(shí),電池的最佳帶寬是1.4eV。對(duì)異質(zhì)結(jié)p-GaN/n-InxGa1-xN電池模擬,當(dāng)In組分x約為0.5時(shí),電池的效率最大,為13.89%,而且此時(shí)價(jià)帶存在明顯的不連續(xù)性。 2、分別在帶寬為2.3eV的InGaN同質(zhì)結(jié)電池、p-GaN/n-In_(0.5)Ga_(0.5)N異質(zhì)結(jié)電池以及p-In_(0.39)Ga_(0.61)N/n-GaN異質(zhì)結(jié)中增加各種類型的InGaN帶寬漸變層。帶寬漸變層的增加不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)光子的分段吸收,提高了InGaN太陽(yáng)能電池的吸收效率,而且構(gòu)成了勢(shì)壘,形成了附加電場(chǎng),提高少數(shù)載流子的收集和壽命,減少異質(zhì)結(jié)電池中的價(jià)帶和導(dǎo)帶的不連續(xù)性,從而提高電池的轉(zhuǎn)換效率。在同質(zhì)結(jié)電池中的p層和n層分別添加相應(yīng)的帶寬漸變層,電池的效率可以從11.50%提高到14.30%。增加n型帶寬漸變層后,p-In_(0.39)Ga_(0.61)N/n-GaN異質(zhì)結(jié)中的導(dǎo)帶不連續(xù)性消失,電池效率從0.005%提高到15.54%。 3、對(duì)存在復(fù)合時(shí)的雙結(jié)太陽(yáng)能電池的電流密度公式進(jìn)行推導(dǎo),計(jì)算AM1.5G光譜照射下各種子電池帶寬組合下的電池效率。當(dāng)頂電池和底電池的帶寬組合為1.74/1.1eV時(shí)電池的效率最大,約為31.93%。 4、優(yōu)化復(fù)合情況下6結(jié)InGaN電池,得到最大效率為38.56%。存在復(fù)合時(shí),InGaN電池的轉(zhuǎn)換效率隨電池中子電池的數(shù)目呈線性變化。不存在復(fù)合時(shí),短路電流密度和轉(zhuǎn)換效率較高。 【關(guān)鍵詞】：InGaN 太陽(yáng)能電池 帶寬漸變層 雙結(jié)電池 多結(jié)電池
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-18
• 1.1 太陽(yáng)能電池的研究背景和意義9
• 1.2 太陽(yáng)能電池的發(fā)展9-10
• 1.3 高效率太陽(yáng)能電池10-12
• 1.3.1 單結(jié)太陽(yáng)能電池的效率極限10-11
• 1.3.2 多結(jié)太陽(yáng)能電池11-12
• 1.4 InGaN太陽(yáng)能電池12-16
• 1.4.1 III族氮化物的發(fā)展12
• 1.4.2 InGaN材料特性12-15
• 1.4.3 InGaN材料優(yōu)勢(shì)15
• 1.4.4 InGaN生長(zhǎng)的技術(shù)難題15-16
• 1.5 論文內(nèi)容安排16-18
• 第2章 單結(jié)InGaN太陽(yáng)能電池的數(shù)值模擬18-27
• 2.1 引言18
• 2.2 參數(shù)選定18-21
• 2.2.1 吸收系數(shù)的選擇19-20
• 2.2.2 反向飽和電流密度的求解20-21
• 2.3 理想太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率21
• 2.4 InGaN同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池21-24
• 2.4.1 單結(jié)電池的厚度分配22-23
• 2.4.2 對(duì)同質(zhì)結(jié)電池最佳帶寬的分析23-24
• 2.4.3 輕摻雜層對(duì)電池效率的影響24
• 2.5 InGaN異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池24-26
• 2.6 本章小結(jié)26-27
• 第3章 帶寬漸變層在單結(jié)電池中的應(yīng)用27-41
• 3.1 引言27
• 3.2 在同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池中增加帶寬漸變層27-30
• 3.2.1 分別在p層和n層引入對(duì)應(yīng)類型的帶寬漸變層27-29
• 3.2.2 增加n型和p型的交替漸變層29-30
• 3.3 帶寬漸變層在p-GaN/n-In0.5Ga0.5N異質(zhì)結(jié)電池中的應(yīng)用30-38
• 3.3.1 增加i型帶寬漸變層30-32
• 3.3.2 增加n型帶寬漸變層32-36
• 3.3.3 增加np交替型帶寬漸變層36-37
• 3.3.4 增加p型帶寬漸變層37
• 3.3.5 比較p型和n型漸變層對(duì)電池性能的影響37-38
• 3.4 n型帶寬漸變層在p-InGaN/n-GaN異質(zhì)結(jié)電池中的應(yīng)用38-39
• 3.5 本章小結(jié)39-41
• 第4章 存在復(fù)合時(shí)InGaN雙結(jié)電池的數(shù)值分析41-52
• 4.1 引言41
• 4.2 存在復(fù)合的雙結(jié)電池的短路電流密度公式推導(dǎo)41-46
• 4.2.1 頂電池的短路電流密度41-43
• 4.2.2 底電池的短路電流密度43-46
• 4.3 存在復(fù)合時(shí)雙結(jié)InGaN電池的數(shù)值模擬46-50
• 4.4 本章小結(jié)50-52
• 第5章 InGaN多結(jié)電池的數(shù)值模擬52-59
• 5.1 引言52
• 5.2 多結(jié)太陽(yáng)能電池的計(jì)算原理52-53
• 5.3 InGaN多結(jié)太陽(yáng)能電池的模擬53-58
• 5.3.1 對(duì)6結(jié)InGaN電池的模擬53-55
• 5.3.2 對(duì)多結(jié)太陽(yáng)能電池的分析55-56
• 5.3.3 復(fù)合對(duì)太陽(yáng)能電池的影響56-58
• 5.4 本章小結(jié)58-59
• 結(jié)論59-61
• 參考文獻(xiàn)61-67
• 致謝67

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