锑化物热光伏电池材料MBE制备及器件特性研究

【摘要】：热光伏（Thermophotovoltaic：TPV）电池系统以其能量利用率高、便携、可全天候使用等特点，具有很好的应用前景和商用价值。目前，对于热光伏电池系统的研究主要集中在新型PTV电池材料的研发、器件结构设计和优化生长工艺等方面。其中，光伏电池特性的模拟分析可给出不同器件结构、材料不同的结晶状况以及各种光谱条件下的电池转换效率，对器件结构设计和材料生长工艺起到了重要的理论指导作用。本文在材料特性参数和器件性能的模拟分析基础上，设计生长了异质结p-GaSb/n-GaAs和p-InAs/n-GaSb TPV电池结构薄膜材料，利用XRD、AFM等表征了材料的结晶质量，基于该薄膜材料制作了TPV电池器件，最后通过I-V测试对器件的光电性能进行了表征。 首先用MATLAB软件分别模拟了GaSb/GaAs和InAs/GaSb异质结的少子复合寿命、吸收系数、少子迁移率和少子扩散长度随掺杂浓度和温度等因素而变化的规律，为后面器件结构的模拟优化提供了理论基础。 用PC-1D软件模拟了p-GaSb/n-GaAs结构TPV电池转换效率随GaSb层厚度和掺杂浓度的变化规律，得到了最佳的GaSb层厚度为0.3μm，最佳掺杂浓度为10~(19)cm~(-3)。另外分析了表面复合速率和界面复合速率对器件转换效率的影响，随着表面复合速率和界面复合速率的提高，短路电流I_(SC)和开路电压V_(OC)都随之降低。论文中提出了一种新型的p-InAs/n-GaSb TPV电池结构，模拟分析了转换效率随InAs层厚度和掺杂浓度的变化规律，得到了最佳的InAs层厚度为0.4μm，最佳掺杂浓度为10~(19)cm~(-3)。 采用MBE制备技术，以GaAs为衬底，分别设计生长了1号p-GaSb/n-GaAs以及2号、3号p-InAs/n-GaSb TPV结构薄膜材料。1号样品的AFM分析结果表明，其均方根粗糙度为1.98nm，连续性较好，但不够平整，表现为典型的SK生长模式；XRD测试结果表明GaSb层FWHM为0.140，说明晶体结构质量较好。2号、3号样品的AFM分析结果表明其表面均方根粗糙度分别为1.68nm、1.65nm，表面粗糙度较低，表面质量较好；XRD测试结果表明2号、3号样品的FWHM分别为0.283和0.271，晶体质量较好。利用AFM方法测试了KOH腐蚀后的各外延层的厚度，GaSb薄膜厚为0.241μm，2号样品InAs层厚0.192μm，3号InAs层厚度为0.384μm。 最后通过打磨和湿法刻蚀的方法将各样品制作成器件，用电化学工作站分别测试了各样品无光照下的伏安特性和光照下的I-V特性曲线。无光照下1号样品的伏安特性曲线表明，正偏开始时势垒区电流以复合电流要为主，随着注入电流增加变为以扩散电流起为主。2号样品的特性曲线并没有出现拐点，说明晶体内部的缺陷密度较大。光照下的I-V特性曲线显示，1号样品短路电流I_(SC)=75.5μA，开路电压V_(OC)=145.70mV，FF=40.57%，数值偏小，这主要是由于衬底电阻较大等原因所致；2号样品短路电流I_(SC)=98.10mA，开路电压V_(OC)=266.14mV，FF=46.7%；3号样品短路电流I_(SC)=107.551mA，开路电压V_(OC)=272.14mV，FF=52%。随着外延InAs层厚度的增加，器件转换效率增加，短路电流增大。实验研究结果与模拟分析相一致。 【关键词】：热光伏电池 锑化物 模拟优化 光电性能
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 课题背景及研究的目的与意义10-11
• 1.1.1 课题研究背景10-11
• 1.1.2 研究的目的与意义11
• 1.2 锑化物 TPV 系统相关研究问题11-15
• 1.2.1 光电转换机理11-12
• 1.2.2 热光伏系统构造12-13
• 1.2.3 热光伏电池材料13-14
• 1.2.4 热光伏电池器件特性模拟分析方法14-15
• 1.3 国内外在该方向的研究概况15-17
• 1.3.1 热光伏技术的研究概况15-16
• 1.3.2 锑化物半导体材料生长研究概况16-17
• 1.4 主要研究内容17-19
• 第2章 材料生长方法及测试技术19-27
• 2.0 引言19
• 2.1 材料的生长方法19-22
• 2.1.1 薄膜生长方式19-20
• 2.1.2 实验设备20-21
• 2.1.3 MBE 技术原理和特点21
• 2.1.4 RHEED 原位监控技术21-22
• 2.3 材料的分析测试方法22-25
• 2.3.1 原子力显微镜技术（AFM）22-23
• 2.3.2 X 射线衍射技术（XRD）23-24
• 2.3.3 I-V 特性测试系统24-25
• 2.4 TPV 电池制备方法25-27
• 2.4.1 湿法刻蚀25
• 2.4.2 光刻机25-26
• 2.4.3 台阶仪26-27
• 第3章 锑化物 TPV 电池器件模拟及性能优化分析27-54
• 3.1 引言27
• 3.2 锑化物 TPV 电池的物理模型及基本性能参数27-30
• 3.2.1 锑化物 TPV 电池的物理模型27-28
• 3.2.2 短路电流密度28
• 3.2.3 开路电压28-29
• 3.2.4 填充因子29
• 3.2.5 转换效率29-30
• 3.3 锑化物 TPV 电池材料特性参数的模拟30-43
• 3.3.1 少数载流子的复合机制30-34
• 3.3.2 吸收系数34-38
• 3.3.3 少子迁移率38-42
• 3.3.4 少子扩散长度42-43
• 3.4 锑化物 TPV 电池器件模拟及性能优化43-52
• 3.4.1 GaSb/GaAs TPV 电池器件模拟及性能优化44-49
• 3.4.2 InAs/ GaSb TPV 电池器件模拟及性能优化49-52
• 3.5 本章小结52-54
• 第4章 材料的外延生长与结构质量表征54-63
• 4.1 引言54
• 4.2 衬底的选择与处理54-55
• 4.2.1 衬底的选择54
• 4.2.2 衬底的处理54-55
• 4.3 p-GaSb/n-GaAs 薄膜生长与结构质量分析55-57
• 4.3.1 GaSb 层的生长设计55-56
• 4.3.2 薄膜 AFM 表面形貌分析56
• 4.3.3 薄膜 XRD 结构质量分析56-57
• 4.4 p-InAs/n-GaSb 薄膜生长与结构质量分析57-61
• 4.4.1 薄膜的生长设计57-58
• 4.4.2 薄膜 AFM 表面形貌分析58-60
• 4.4.3 薄膜 XRD 结构质量分析60-61
• 4.5 薄膜厚度测试61-62
• 4.6 本章小结62-63
• 第5章 锑化物 TPV 电池光电性能研究63-70
• 5.1 引言63
• 5.2 TPV 电池的制备63-65
• 5.2.0 概述63
• 5.2.1 电极制备工艺过程63-64
• 5.2.2 腐蚀方法64-65
• 5.3 TPV 电池 I-V 性能测试65-69
• 5.3.1 伏安特性测试及结果分析65-67
• 5.3.2 光电性能测试及结果分析67-69
• 5.4 本章小结69-70
• 结论70-71
• 参考文献71-76
• 致谢76

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