锑化物热光伏电池材料的MOCVD生长特性研究及其器件模拟

【摘要】： GaxIn1-xAs1-ySby和InAs1-xSbx量子点的响应波长覆盖低温辐射体热光伏(TPV)电池的最佳波段。目前已报道的高性能的低温辐射体锑化物TPV电池大部分采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术制备,但与传统半导体相比,锑化物的外延工艺水平较低,并且多元合金的材料参数难以确定,给建立完整的器件物理模型带来困难。针对这些问题,本论文研究了锑化物薄膜及量子点的MOCVD生长特性；另外对锑化物TPV电池进行模拟。研究内容如下： 用低压MOCVD技术外延生长了InAs1-xSbx三元合金和GaxIn1-xAs1-ySby四元合金。研究了生长参量对外延层表面形貌、结晶质量、合金组分及电学特性的影响。选择合适的生长参数可获得表面光滑平整、晶体质量较高的外延层。 在国内首次研究了低压MOCVD技术生长的自组装InAs1-xSbx量子点,研究了生长参数对量子点形状、尺寸、面密度和均匀性等形貌特征的影响。选择合适的生长参数可获得高密度有序排列的InAs1-xSbx量子点。 首次通过模拟给出了影响GaxIn1-xAs1-ySby热光伏电池性能的完整的材料参数与组分、温度、掺杂浓度等的关系,建立了完整的材料和器件结构物理模型。 首次系统地模拟了结构为P-GaSb窗口/P-GaxIn1-xAs1-ySby有源区/N-GaxIn1-xAs1-ySby有源区/N-GaSb衬底的TPV电池,分析了材料和器件结构参数对电池性能参数的影响,通过模拟得到优化的材料及器件结构。首次通过模拟分析了工作温度对GaxIn1-xAs1-ySbyTPV电池器件性能参数的影响,得到了性能参数的温度变化系数。 【关键词】：金属有机化学气相沉积 锑化物 自组装量子点 低能辐射热光伏电池 材料参数 器件结构 模拟
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM914.4;TN304.05
【目录】：

• 内容提要4-8
• 第一章 绪论8-26
• 1.1 引言8-9
• 1.2 热光伏技术简介9-14
• 1.2.1 基本原理、结构及组件9-11
• 1.2.2 应用优势和技术难点11-12
• 1.2.3 应用领域12-14
• 1.3 Ⅲ-Ⅴ族锑化物半导体14-18
• 1.3.1 基本性质及应用领域14-16
• 1.3.2 多元锑化物薄膜的结构特性16-17
• 1.3.3 生长技术简介17-18
• 1.4 锑化物热光伏电池18-24
• 1.4.1 热光伏电池对材料禁带宽度的选择18-20
• 1.4.2 锑化物在热光伏电池中的应用20-21
• 1.4.3 锑化物热光伏电池的研究概述21-24
• 1.5 本论文的主要研究工作24-26
• 第二章 锑化物的MOCVD生长技术介绍26-42
• 2.1 金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术简介26-30
• 2.1.1 MOCVD外延生长的过程及生长速率的控制机制26-29
• 2.1.2 MOCVD技术的应用优势29-30
• 2.2 MOCVD方法生长锑化物30-40
• 2.2.1 MOCVD法生长锑化物的技术难点及解决方法30-32
• 2.2.2 MOCVD法制备锑化物的源材料选择32-34
• 2.2.3 生长锑化物的MOCVD系统34-40
• 2.3 本章小结40-42
• 第三章 锑化物薄膜的MOCVD生长特性研究42-64
• 3.1 InAs_(1-x)Sb_x的MOCVD生长特性研究42-55
• 3.1.1 基本性质42-44
• 3.1.2 应用领域及研究背景44-45
• 3.1.3 InAs_(1-x)Sb_x外延层的制备45-47
• 3.1.4 InAs_(1-x)Sb_x晶体质量的表征及分析47-51
• 3.1.5 InAs_(1-x)Sb_x固相组分的表征及分析51-55
• 3.2 Ga_xIn_(1-x)As_(1-y)Sb_y的MOCVD生长特性研究55-62
• 3.2.1 Ga_xIn_(1-x)As_(1-y)Sb_y外延层的制备及表征55-57
• 3.2.2 MOCVD法外延生长Ga_xIn_(1-x)As_(1-y)Sb_y的热力学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的电学特性61-62
• 3.3 本章小结62-64
• 第四章 自组装InAs_(1-x)Sb_x量子点的MOCVD生长特性研究64-86
• 4.1 半导体量子点的主要性质64-66
• 4.2 InAs_(1-x)Sb_x量子点在低温辐射体热光伏电池领域的应用价值66-70
• 4.2.1 量子点在光伏电池中的应用潜力66-68
• 4.2.2 InAs_(1-x)Sb_x量子点在低温辐射体热光伏电池中的应用潜力68-69
• 4.2.3 量子点热光伏电池对材料性能的基本要求69-70
• 4.3 InAs_(1-x)Sb_x量子点的生长及表征70-74
• 4.3.1 半导体量子点的制备技术简介70-72
• 4.3.2 自组装InAs_(1-x)Sb_x量子点的LP-MOCVD制备及表征72-74
• 4.4 InAs_(1-x)Sb_x量子点的生长特性研究74-84
• 4.4.1 生长温度的影响75-78
• 4.4.2 生长时间的控制78-82
• 4.4.3 锑化技术的影响82-83
• 4.4.4 生长压强的影响83-84
• 4.5 本章小结84-86
• 第五章 锑化物热光伏电池的理论模型及材料参数的模拟86-112
• 5.1 实际热光伏系统的能量转换效率87-88
• 5.2 锑化物热光伏电池的物理模型及性能参数88-94
• 5.2.1 锑化物热光伏电池的物理模型88-90
• 5.2.2 锑化物热光伏电池的基本性能参数90-94
• 5.3 Ga_xIn_(1-x)As_(1-y)Sb_y四元合金材料参数的模拟94-111
• 5.3.1 基本材料参数94-97
• 5.3.2 本征载流子浓度97-98
• 5.3.3 少数载流子的迁移率98-100
• 5.3.4 少数载流子的复合机制100-106
• 5.3.5 光学吸收系数106-111
• 5.4 本章小结111-112
• 第六章 Ga_xIn_(1-x)As_(1-y)Sb_y热光伏电池的模拟及优化112-138
• 6.1 分析思路及模拟方法112-114
• 6.2 器件结构及材料参数114-115
• 6.3 基本性能参数的模拟及分析115-129
• 6.3.1 内量子效率和短路电流密度115-122
• 6.3.2 少子复合电流密度和开路电压122-128
• 6.3.3 填充因子128-129
• 6.4 最大输出电功率密度及能量转换效率129-134
• 6.4.1 材料及器件结构参数的影响129-132
• 6.4.2 温度对器件性能的影响132-134
• 6.5 优化的材料及器件结构参数134-135
• 6.6 本章小结135-138
• 结论及创新点138-142
• 参考文献142-158
• 攻读博士学位期间发表的学术论文158-160
• 致谢160-161
• 中文摘要161-165
• Abstract165-168

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