銻化物熱光伏電池材料的MOCVD生長特性研究及其器件模擬

【摘要】： GaxIn1-xAs1-ySby和InAs1-xSbx量子點的響應(yīng)波長覆蓋低溫輻射體熱光伏(TPV)電池的最佳波段。目前已報道的高性能的低溫輻射體銻化物TPV電池大部分采用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)技術(shù)制備,但與傳統(tǒng)半導體相比,銻化物的外延工藝水平較低,并且多元合金的材料參數(shù)難以確定,給建立完整的器件物理模型帶來困難。針對這些問題,本論文研究了銻化物薄膜及量子點的MOCVD生長特性；另外對銻化物TPV電池進行模擬。研究內(nèi)容如下： 用低壓MOCVD技術(shù)外延生長了InAs1-xSbx三元合金和GaxIn1-xAs1-ySby四元合金。研究了生長參量對外延層表面形貌、結(jié)晶質(zhì)量、合金組分及電學特性的影響。選擇合適的生長參數(shù)可獲得表面光滑平整、晶體質(zhì)量較高的外延層。 在國內(nèi)首次研究了低壓MOCVD技術(shù)生長的自組裝InAs1-xSbx量子點,研究了生長參數(shù)對量子點形狀、尺寸、面密度和均勻性等形貌特征的影響。選擇合適的生長參數(shù)可獲得高密度有序排列的InAs1-xSbx量子點。 首次通過模擬給出了影響GaxIn1-xAs1-ySby熱光伏電池性能的完整的材料參數(shù)與組分、溫度、摻雜濃度等的關(guān)系,建立了完整的材料和器件結(jié)構(gòu)物理模型。 首次系統(tǒng)地模擬了結(jié)構(gòu)為P-GaSb窗口/P-GaxIn1-xAs1-ySby有源區(qū)/N-GaxIn1-xAs1-ySby有源區(qū)/N-GaSb襯底的TPV電池,分析了材料和器件結(jié)構(gòu)參數(shù)對電池性能參數(shù)的影響,通過模擬得到優(yōu)化的材料及器件結(jié)構(gòu)。首次通過模擬分析了工作溫度對GaxIn1-xAs1-ySbyTPV電池器件性能參數(shù)的影響,得到了性能參數(shù)的溫度變化系數(shù)。 【關(guān)鍵詞】：金屬有機化學氣相沉積 銻化物 自組裝量子點 低能輻射熱光伏電池 材料參數(shù) 器件結(jié)構(gòu) 模擬
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2010
【分類號】：TM914.4;TN304.05
【目錄】：

• 內(nèi)容提要4-8
• 第一章 緒論8-26
• 1.1 引言8-9
• 1.2 熱光伏技術(shù)簡介9-14
• 1.2.1 基本原理、結(jié)構(gòu)及組件9-11
• 1.2.2 應(yīng)用優(yōu)勢和技術(shù)難點11-12
• 1.2.3 應(yīng)用領(lǐng)域12-14
• 1.3 Ⅲ-Ⅴ族銻化物半導體14-18
• 1.3.1 基本性質(zhì)及應(yīng)用領(lǐng)域14-16
• 1.3.2 多元銻化物薄膜的結(jié)構(gòu)特性16-17
• 1.3.3 生長技術(shù)簡介17-18
• 1.4 銻化物熱光伏電池18-24
• 1.4.1 熱光伏電池對材料禁帶寬度的選擇18-20
• 1.4.2 銻化物在熱光伏電池中的應(yīng)用20-21
• 1.4.3 銻化物熱光伏電池的研究概述21-24
• 1.5 本論文的主要研究工作24-26
• 第二章 銻化物的MOCVD生長技術(shù)介紹26-42
• 2.1 金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)技術(shù)簡介26-30
• 2.1.1 MOCVD外延生長的過程及生長速率的控制機制26-29
• 2.1.2 MOCVD技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢29-30
• 2.2 MOCVD方法生長銻化物30-40
• 2.2.1 MOCVD法生長銻化物的技術(shù)難點及解決方法30-32
• 2.2.2 MOCVD法制備銻化物的源材料選擇32-34
• 2.2.3 生長銻化物的MOCVD系統(tǒng)34-40
• 2.3 本章小結(jié)40-42
• 第三章 銻化物薄膜的MOCVD生長特性研究42-64
• 3.1 InAs_(1-x)Sb_x的MOCVD生長特性研究42-55
• 3.1.1 基本性質(zhì)42-44
• 3.1.2 應(yīng)用領(lǐng)域及研究背景44-45
• 3.1.3 InAs_(1-x)Sb_x外延層的制備45-47
• 3.1.4 InAs_(1-x)Sb_x晶體質(zhì)量的表征及分析47-51
• 3.1.5 InAs_(1-x)Sb_x固相組分的表征及分析51-55
• 3.2 Ga_xIn_(1-x)As_(1-y)Sb_y的MOCVD生長特性研究55-62
• 3.2.1 Ga_xIn_(1-x)As_(1-y)Sb_y外延層的制備及表征55-57
• 3.2.2 MOCVD法外延生長Ga_xIn_(1-x)As_(1-y)Sb_y的熱力學57-58
• 3.2.3 Ga_xIn_(1-x)As_(1-y)Sb_y的表面形貌58-61
• 3.2.4 Ga_xIn_(1-x)As_(1-y)Sb_y的電學特性61-62
• 3.3 本章小結(jié)62-64
• 第四章 自組裝InAs_(1-x)Sb_x量子點的MOCVD生長特性研究64-86
• 4.1 半導體量子點的主要性質(zhì)64-66
• 4.2 InAs_(1-x)Sb_x量子點在低溫輻射體熱光伏電池領(lǐng)域的應(yīng)用價值66-70
• 4.2.1 量子點在光伏電池中的應(yīng)用潛力66-68
• 4.2.2 InAs_(1-x)Sb_x量子點在低溫輻射體熱光伏電池中的應(yīng)用潛力68-69
• 4.2.3 量子點熱光伏電池對材料性能的基本要求69-70
• 4.3 InAs_(1-x)Sb_x量子點的生長及表征70-74
• 4.3.1 半導體量子點的制備技術(shù)簡介70-72
• 4.3.2 自組裝InAs_(1-x)Sb_x量子點的LP-MOCVD制備及表征72-74
• 4.4 InAs_(1-x)Sb_x量子點的生長特性研究74-84
• 4.4.1 生長溫度的影響75-78
• 4.4.2 生長時間的控制78-82
• 4.4.3 銻化技術(shù)的影響82-83
• 4.4.4 生長壓強的影響83-84
• 4.5 本章小結(jié)84-86
• 第五章 銻化物熱光伏電池的理論模型及材料參數(shù)的模擬86-112
• 5.1 實際熱光伏系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率87-88
• 5.2 銻化物熱光伏電池的物理模型及性能參數(shù)88-94
• 5.2.1 銻化物熱光伏電池的物理模型88-90
• 5.2.2 銻化物熱光伏電池的基本性能參數(shù)90-94
• 5.3 Ga_xIn_(1-x)As_(1-y)Sb_y四元合金材料參數(shù)的模擬94-111
• 5.3.1 基本材料參數(shù)94-97
• 5.3.2 本征載流子濃度97-98
• 5.3.3 少數(shù)載流子的遷移率98-100
• 5.3.4 少數(shù)載流子的復(fù)合機制100-106
• 5.3.5 光學吸收系數(shù)106-111
• 5.4 本章小結(jié)111-112
• 第六章 Ga_xIn_(1-x)As_(1-y)Sb_y熱光伏電池的模擬及優(yōu)化112-138
• 6.1 分析思路及模擬方法112-114
• 6.2 器件結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)114-115
• 6.3 基本性能參數(shù)的模擬及分析115-129
• 6.3.1 內(nèi)量子效率和短路電流密度115-122
• 6.3.2 少子復(fù)合電流密度和開路電壓122-128
• 6.3.3 填充因子128-129
• 6.4 最大輸出電功率密度及能量轉(zhuǎn)換效率129-134
• 6.4.1 材料及器件結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響129-132
• 6.4.2 溫度對器件性能的影響132-134
• 6.5 優(yōu)化的材料及器件結(jié)構(gòu)參數(shù)134-135
• 6.6 本章小結(jié)135-138
• 結(jié)論及創(chuàng)新點138-142
• 參考文獻142-158
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的學術(shù)論文158-160
• 致謝160-161
• 中文摘要161-165
• Abstract165-168

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