晶格小失配InGaAsP材料特性及太阳电池应用
发布时间：2021-03-20 18:28
Ⅲ-Ⅴ族太阳电池效率的持续提升要求对能量转换材料的带隙宽度进行更细致划分,以实现对全光谱的高效利用。在短波红外波段,四元InGaAsP混晶材料因在带隙宽度和晶格常数的调节上具有很好的可操作性,是一种极具潜力的短波红外光电转换材料。本文对InGaAsP材料生长及子电池器件制备进行了研究,通过时间分辨荧光光谱、高分辨X射线衍射等表征手段对室温下晶格失配的InGaAsP材料进行了测试分析。实验结果表明,在一定程度负失配生长条件下,InGaAsP材料质量随着负失配程度逐渐提高。在后续电池制备过程中,一定程度负失配同样有助于电池器件性能提升,制备的单结电池开路电压由晶格匹配时的633 mV提高到负失配条件下的684 mV,从而为高效多结太阳电池的应用提供了新的技术路线。
【文章来源】：发光学报. 2020,41(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
不同晶格失配下的InGaAsP/InP DH XRD测试曲线（a）、PL发光曲线（b）及荧光寿命（c）。
一般而言,使用MOCVD进行外延生长时,外延材料需要与衬底晶格匹配以减少外延层应力,提高材料质量。对于四元材料InGaAsP而言,晶格不匹配不仅会带来材料缺陷,也同样会导致相分离。为对外延生长得到的InGaAsP材料质量进行表征,我们对其荧光寿命进行了测试分析。为获得最接近实际电池器件中的InGaAsP荧光寿命,我们设计了InP/InGaAsP/InP双异质结结构,该结构是提取材料荧光寿命常用且有效的手段[13]。在该双异质结结构中,垒层InP选择了与电池结构中背场完全一致的厚度掺杂类型和掺杂浓度,阱层InGaAsP选取了基区的掺杂类型和浓度。采用TRPL设备对设计制备的双异质结结构进行发光衰减测试,然后对获得的曲线进行拟合得到荧光寿命,最后我们可以根据获得的荧光寿命判断基区材料生长质量和非辐射复合占比情况,测试过程中,激发波长为1 050 nm。我们外延生长了具备特定厚度、特定掺杂浓度的InP∶Zn/InGaAsP∶Zn/InP∶Zn双异质结样品,其结构如图2(a)所示,其中InGaAsP层和InP层的p型掺杂浓度分别为6×1016 cm-3与2×1017 cm-3。在首次生长的#1460样品中,由于生长参数的偏差,InGaAsP材料的晶格常数偏大,XRD测试曲线呈现负失配,如图2(b)中红色曲线所示;对应发光峰位为1 185.4 nm,带隙宽度为1.046 eV,如图2(c)中红色曲线所示。通过TRPL测试,在1 185.4 nm发射波长位置的荧光发光衰减曲线如图2(d)中红色所示,提取出来的荧光寿命为62 ns。在接下来生长的#1461样品中,我们保持InGaAsP带隙宽度不变,将晶格常数调整至与InP衬底匹配,其XRD、PL和TRPL测试结果如图2(b)、(c)、(d)中黑色曲线所示,提取出的荧光寿命为33 ns,外延生长的材料调整晶格匹配之后,其荧光寿命反而出现了下降,这与传统意义上晶格匹配材料质量更好的结论相违背。
为进一步验证上述实验结果的有效性,我们外延生长了具有不同失配程度的1.0 eV的InGaAsP电池器件,探索晶格小失配对器件性能的影响趋势。电池结构如图4所示,首先在p型衬底上生长InP缓冲层,然后分别生长InP∶Zn背场、InGaAsP∶Zn基区、InGaAsP∶Si发射区和InP∶Si窗口层,接触层采用InGaAs∶Si。 实验中我们生长了3种具有不同程度晶格小失配的子电池,失配度分别为0 arcs(#1465)、-72 arcs(#1466)和-132 arcs(#1467),3种子电池除了基区/发射区晶格失配度不一致外,其余参数完全一致。我们对3种InGaAsP子电池器件进行了电学性能测试,其电池量子效率曲线和电流-电压曲线如图5(a)和5(b)所示。由于InGaAsP材料的失配情况不同,其组分会有细微的差异,反映在材料能带上会有±8 meV的区别。通过对内量子曲线带边区域进行线性拟合,在电池失配达到0,-72,-132 arcs时,InGaAsP材料的带隙分别为1.000,0.996,1.008 eV。电池的电流-电压曲线测试条件为:AM0光谱、25 ℃,测试得到3种子电池的开路电压分别为633,651,684 mV。其短路电流密度分别为47.65,49.39,48.34 mA/cm2,与相应的QE积分电流相一致。基于带隙上存在的细微差异,单纯用开路电压难以准确评价电池的性能,为了比较具有不同带隙InGaAsP材料的电池性能,通常引入了带隙补偿差Woc(Woc=Eg/q-Voc)[5],它表征了电池开路电压偏离吸光层能带隙的程度,其值越小,表明材料质量越高。Woc消除了不同材料带隙的影响,可以用来衡量电池整体的性能。通过比较具有不同失配情况的电池能带隙和开路电压,我们可以计算出3种子电池的Woc分别为367,345,324 mV。这表明在一定范围内,随着失配程度逐渐增加,子电池的器件性能呈逐步提升趋势,与材料荧光寿命变化趋势一致。
【参考文献】：
期刊论文
[1]852nm半导体激光器InGaAlAs、InGaAsP、InGaAs和GaAs量子阱的温度稳定性[J]. 徐华伟,宁永强,曾玉刚,张星,秦莉,刘云,王立军. 发光学报. 2012(06)
[2]1.06μm InGaAs/InGaAsP量子阱半导体激光器的温度特性[J]. 李再金,芦鹏,李特,曲轶,薄报学,刘国军,马晓辉. 发光学报. 2012(06)
本文编号：3091462
【文章来源】：发光学报. 2020,41(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
不同晶格失配下的InGaAsP/InP DH XRD测试曲线（a）、PL发光曲线（b）及荧光寿命（c）。
一般而言,使用MOCVD进行外延生长时,外延材料需要与衬底晶格匹配以减少外延层应力,提高材料质量。对于四元材料InGaAsP而言,晶格不匹配不仅会带来材料缺陷,也同样会导致相分离。为对外延生长得到的InGaAsP材料质量进行表征,我们对其荧光寿命进行了测试分析。为获得最接近实际电池器件中的InGaAsP荧光寿命,我们设计了InP/InGaAsP/InP双异质结结构,该结构是提取材料荧光寿命常用且有效的手段[13]。在该双异质结结构中,垒层InP选择了与电池结构中背场完全一致的厚度掺杂类型和掺杂浓度,阱层InGaAsP选取了基区的掺杂类型和浓度。采用TRPL设备对设计制备的双异质结结构进行发光衰减测试,然后对获得的曲线进行拟合得到荧光寿命,最后我们可以根据获得的荧光寿命判断基区材料生长质量和非辐射复合占比情况,测试过程中,激发波长为1 050 nm。我们外延生长了具备特定厚度、特定掺杂浓度的InP∶Zn/InGaAsP∶Zn/InP∶Zn双异质结样品,其结构如图2(a)所示,其中InGaAsP层和InP层的p型掺杂浓度分别为6×1016 cm-3与2×1017 cm-3。在首次生长的#1460样品中,由于生长参数的偏差,InGaAsP材料的晶格常数偏大,XRD测试曲线呈现负失配,如图2(b)中红色曲线所示;对应发光峰位为1 185.4 nm,带隙宽度为1.046 eV,如图2(c)中红色曲线所示。通过TRPL测试,在1 185.4 nm发射波长位置的荧光发光衰减曲线如图2(d)中红色所示,提取出来的荧光寿命为62 ns。在接下来生长的#1461样品中,我们保持InGaAsP带隙宽度不变,将晶格常数调整至与InP衬底匹配,其XRD、PL和TRPL测试结果如图2(b)、(c)、(d)中黑色曲线所示,提取出的荧光寿命为33 ns,外延生长的材料调整晶格匹配之后,其荧光寿命反而出现了下降,这与传统意义上晶格匹配材料质量更好的结论相违背。
为进一步验证上述实验结果的有效性,我们外延生长了具有不同失配程度的1.0 eV的InGaAsP电池器件,探索晶格小失配对器件性能的影响趋势。电池结构如图4所示,首先在p型衬底上生长InP缓冲层,然后分别生长InP∶Zn背场、InGaAsP∶Zn基区、InGaAsP∶Si发射区和InP∶Si窗口层,接触层采用InGaAs∶Si。 实验中我们生长了3种具有不同程度晶格小失配的子电池,失配度分别为0 arcs(#1465)、-72 arcs(#1466)和-132 arcs(#1467),3种子电池除了基区/发射区晶格失配度不一致外,其余参数完全一致。我们对3种InGaAsP子电池器件进行了电学性能测试,其电池量子效率曲线和电流-电压曲线如图5(a)和5(b)所示。由于InGaAsP材料的失配情况不同,其组分会有细微的差异,反映在材料能带上会有±8 meV的区别。通过对内量子曲线带边区域进行线性拟合,在电池失配达到0,-72,-132 arcs时,InGaAsP材料的带隙分别为1.000,0.996,1.008 eV。电池的电流-电压曲线测试条件为:AM0光谱、25 ℃,测试得到3种子电池的开路电压分别为633,651,684 mV。其短路电流密度分别为47.65,49.39,48.34 mA/cm2,与相应的QE积分电流相一致。基于带隙上存在的细微差异,单纯用开路电压难以准确评价电池的性能,为了比较具有不同带隙InGaAsP材料的电池性能,通常引入了带隙补偿差Woc(Woc=Eg/q-Voc)[5],它表征了电池开路电压偏离吸光层能带隙的程度,其值越小,表明材料质量越高。Woc消除了不同材料带隙的影响,可以用来衡量电池整体的性能。通过比较具有不同失配情况的电池能带隙和开路电压,我们可以计算出3种子电池的Woc分别为367,345,324 mV。这表明在一定范围内,随着失配程度逐渐增加,子电池的器件性能呈逐步提升趋势,与材料荧光寿命变化趋势一致。
【参考文献】：
期刊论文
[1]852nm半导体激光器InGaAlAs、InGaAsP、InGaAs和GaAs量子阱的温度稳定性[J]. 徐华伟,宁永强,曾玉刚,张星,秦莉,刘云,王立军. 发光学报. 2012(06)
[2]1.06μm InGaAs/InGaAsP量子阱半导体激光器的温度特性[J]. 李再金,芦鹏,李特,曲轶,薄报学,刘国军,马晓辉. 发光学报. 2012(06)
本文编号：3091462
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