太阳能电池|美高校对非极性、半极性和极性基底生产的InGaN太阳能电池进行了性能比较，针对不同需求应做不同选择

美国亚利桑那州国家大学和美国加利福尼亚大学圣芭芭拉分校（UCSB）研究人员针对使用非极性、半极性和极性基底生产的InGaN太阳能电池进行了详细比较，其中，非极性m面器件在光伏（PV）指标上表现出了最佳性能。

InGaN太阳能电池

InN的能隙为0.7 eV（红外波段），GaN的能隙为3.4 eV（紫外波段），而InGaN太阳能电池能够将整个太阳光波段范围的光能转化为可用能量。在实验中，III族氮化物化合键的电荷极化现象引发异质结构中的强电场导致了自发效应和应变效应。在非极性或半极性方向生长III族氮化物结构可以降低甚至消除这些效应，从而提高了性能。

目前，InGaN太阳能电池在被证明趋向于在0.7-3.4eV范围内能量偏高的部分工作，光转换效率限制在百分之几。这些高能光子转换器可以作为用于空间及地面聚光（即聚焦不同太阳能密度）的光伏电池，为超高效率（>50%）多结太阳能电池中的顶层电池。

结构

太阳能电池的结构是通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）法，在非极性m面、半极性（20-21面）或极性c面的GaN衬底上生长的。电池结构按照以下顺序分层：1μm n-GaN层，10nm的n+-GaN层，20个6nm/10nm In0.2Ga0.8N/GaN 多量子阱(MQW), 30nm的p+-GaN层，120nm的p-GaN层，以及10nm的p+-GaN层。其中，120nm的p-GaN层有意做成粗糙的。

该器件被制作成1mm×1mm的平面，上有钛/铝/钛/金的n-接触电极以及一个间隙为200μm的镍/金p-接触网格。

图1为（a）室温下的发射光谱曲线，（b）InGaN太阳能电池的m面、（20-21面）、c面Tauc曲线

表1为InGaN太阳能电池器件的核心参数对比图

图2为InGaN太阳能电池的m面、（20-21面）、c面的（a）J–V曲线（b）EQE曲线及（c）IQE曲线

性能对比

图1为吸收光谱示意图，表1给出了序列中的m面、半极化和c面随着极化强度的增加，带隙能量（Eg）表现出的红移现象。极化现象也扩大了吸收范围。除了较高的截至能量外，降低极化强度能够提高太阳能电池的一些性能，如开路电压（Voc）、带隙电压偏移（(Woc=Eg/q-Voc，q为电荷量）、短路电流密度（Jsc）、填充因子（FF）、峰外量子效率（EQE）和内部量子效率（IQE）等，如图2所示。

研究团队评价说：“虽然c面太阳能电池的光谱吸收远比非极性、半极性器件高，但是以内部量子效率（IQE）为代表的载流子收集效率比较低，导致了很低的短路电流密度（Jsc）以及较低的光伏性能。相反，非极性m平面及半极性（20-21面）太阳能电池具有更高的外部量子效率，尽管其光吸收比极性的c平面器件低。这可以归因于它们减少了偏振相关效应，从而提高了载流子收集效率。”