InGaN太陽能電池的建模仿真與設計

【摘要】：氮化鎵銦(InGaN)太陽能電池是一種新型的半導體太陽能電池,它憑借禁帶寬度可調且與太陽光譜完美匹配的特點,已成為國際上氮化物材料和新型高效太陽電池研究領域的前沿研究方向。然而,與傳統(tǒng)的太陽電池材料和器件相比較,目前人們對全光譜氮化鎵銦太陽能電池的研究和認識還很有限,在芯片結構設計上存在著許多問題,在材料生長工藝上難以獲得高質量、高銦組分的氮化鎵銦材料,要使太陽能電池獲得較好的光電特性,需要對芯片結構進行優(yōu)化設計。 本論文利用Silvaco TCAD半導體器件仿真軟件,結合硅太陽能電池及三五族半導體器件的仿真實例,建立了針對氮化鎵銦太陽能電池的仿真模型,在此基礎之上來對不同結構的氮化鎵銦太陽能電池進行調試與對比分析,分別對PN型、PIN型及多量子阱(MQWs)型三種氮化鎵銦太陽能電池進行仿真建模,通過分別改變各層厚度、銦含量、摻雜濃度以及量子阱的深度與寬度,來分析它們對太陽能電池的光電特性的影響。 為了獲得高外量子效率,文中提出單結氮化鎵銦太陽能電池的銦組分應為0.6左右,吸收區(qū)的銦組分決定著太陽能電池的光譜吸收范圍,銦組分過高將導致開路電壓降低以及電池轉換效率的降低。相鄰層的銦組分之差不大于0.3,否則會導致異質結處勢壘變大,載流子傳輸效率的降低。為了獲得高內量子效率,文中提出P區(qū)厚度在50納米之內,N區(qū)厚度為110納米左右,耗盡區(qū)的長度為300納米左右,耗盡區(qū)位置應當接近電池頂部,以獲得最大光生電流。P、N區(qū)摻雜濃度應不低于1.0×1018/cm3,這樣耗盡區(qū)的平均電場強度較大,使電流密度增大。在多量子阱結構中,量子阱的最佳寬度為3納米左右,由于極化效應的存在,過寬的量子阱將使電流密度減小。 結合仿真計算的結果,本論文對氮化鎵銦太陽能電池提出了優(yōu)化設計思路,最終得到光電轉換效率分別為23.5%、32.1%、31.4%的三種氮化鎵銦太陽能電池的芯片結構設計方案。 【關鍵詞】：太陽能電池 氮化鎵銦 性能模擬 量子阱 極化效應 Silvaco模擬器
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 緒論8-13
• 1.1 太陽能電池概述8
• 1.2 太陽能電池的基本原理8-9
• 1.3 InGaN 太陽能電池的特點和應用9-10
• 1.4 InGaN 太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀10-12
• 1.5 本文的工作12-13
• 2 InGaN 太陽能電池的建模分析方法13-26
• 2.1 Silvaco TCAD 的介紹13
• 2.2 二維器件仿真器ATLAS 與仿真方法13-15
• 2.3 使用仿真軟件對InGaN 太陽能電池建模15-26
• 3 PN 型結構的InGaN 太陽能電池的模擬仿真26-34
• 3.1 建模特點26-27
• 3.2 仿真分析27-30
• 3.3 設計方案30-32
• 3.4 本章小結32-34
• 4 PIN 型結構的InGaN 太陽能電池的模擬仿真34-44
• 4.1 建模特點34-35
• 4.2 仿真分析35-40
• 4.3 設計方案40-42
• 4.4 本章小結42-44
• 5 多量子阱結構的InGaN 太陽能電池的模擬仿真44-53
• 5.1 建模特點44
• 5.2 仿真分析44-50
• 5.3 設計方案50-52
• 5.4 本章小結52-53
• 6 總結與展望53-55
• 致謝55-56
• 參考文獻56-59
• 附錄 科研成果說明59

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