在氮化物太阳能电池中废止不想要的内建电场

在氮化物太阳能电池中废止不想要的内建电场

生长在a-平面蓝宝石使得氮化物太阳能电池运送破记录的短路电流密度

常规氮化物太阳能电池受到与内建电场方向相反的压电电场的抑制并且阻碍了载流子从有源区排出。但是根据来自日本Meijo大学和Nagoya大学的一个研究小组的研究成果来看，通过在非极性的a-平面上制作氮化物光伏器件来去除这些压电电场从而增加效率是有可能的。

宽能带间隙非极性器件具有扩展广阔的光谱范围的潜力，并且最终能传送更高的效率——这个研究小组最新的a-平面氮化物太阳能电池仅仅将太阳发射光能的1.6%转化为电能，而与之相比的是c-平面变种的转换效率是2.9%。但是非平面器件通过在晶体质量上进行改进其转换效率会更高，它很可能会用纯GaN代替r-平面蓝宝石作为衬底材料。

非极性的氮化物天阳能电池是通过将一个r-平面蓝宝石衬底置于一个MOCVD反应器中，在条件为一个大气压、1100℃的氢气气氛中使用热清洗的方法将其表面进行清洗，然后淀积一系列的氮化物薄膜：首先是一层厚度为150nm的AIN薄膜，然后是一层厚度为500nm的Al0.5Ga0.5N薄膜，以及一层厚度为1.2um的非掺杂GaN，然后是一层N型掺杂的厚度为2.5um的GaN作为超级晶格有源区，然后是一层厚度为100nm的P型掺杂GaN顶层薄膜。有源区确保了30个周期的厚度为3nm的Ga0.85In0.15N薄膜以及厚度为1nm的GaN薄膜。

通过反应离子刻蚀工艺在衬底上定义平顶区域，而电子束蒸发工艺在器件上加入了N型和P型的接触电极，其尺寸为长350um、宽350um。

在400nm的条件下其外部量子效率的峰值为62%。这对应了一个假设Ni/Au电极的透射率为67%时内部量子效率为94%的结果。此太阳能电池的开路电压、短路电流密度以及填充因数分别为0.9V、4.8 mA/cm²以及57%。

研究小组宣称它们研究出的太阳能器件为氮化物太阳能电池的短路电流密度设定了一个新的基准。这一破记录的电流参数是通过阻止吸收边缘的较长波长的光波或者减小内建电场来实现的。

开路电压比InGaN材料有源层的能带宽度所期望带来的要低一些。研究小组成员Hiroshi Amano说这是由于与缺陷相关的漏电通道或者较低的轨道电阻所引起的。此非极性器件具有非常高级别的缺陷：线位错的密度和堆积缺陷分别为1 x 10¹⁰cm^-2和 1 x 10⁵cm^-1。研究小组计划通过在一个高质量的a-平面GaN衬底材料上制造的器件来解决这个问题，这会改善材料的质量并且提高太阳能电池的性能。

T. Nakao et. al. Appl. Phys Express 4  101001 (2011)