具有1.34电子伏特工程带隙的高效InGaN n型太阳能电池：一项关于合成、表征和器件性能的SCAPS-1D数值研究

《Renewable Energy》：High-Efficiency InGaN n-Type Solar Cells with Engineered Bandgap of 1.34 eV: A SCAPS-1D Numerical Study on Synthesis, Characterization, and Device Performance

InGaN太阳能电池通过带隙工程优化至1.34 eV，结合SCAPS-1D模拟研究吸收层与窗口层厚度对光电转换效率的影响，理论最高效率达22.40%。

　　

Lourassi Madi

应用材料实验室（AML），Djilali Liabes大学，22000 Sidi Bel Abbès，阿尔及利亚

摘要

氮化铟镓（InGaN）因其可调的带隙（0.7–3.4 eV）、高吸收系数（>10^5 cm^-1）和固有的抗辐射能力而成为下一代光伏技术的领先候选材料。本研究通过数值方法探讨了设计并优化了带隙为1.34 eV的n型InGaN太阳能电池，该带隙符合Shockley-Queisser（SQ）极限下的理想光谱响应。利用SCAPS-1D仿真，我们研究了吸收层厚度（0.5–1.7 μm）、窗口层厚度（0.1-0.64 μm）和光学滤波器之间的关系，以最大化光电转换效率（PCE）。需要强调的是，这项工作完全基于SCAPS-1D的数值模拟，尚未经过实验验证，因此提供了理论指导，以指导未来的实验研究。优化后的结构实现了22.40%的PCE，开路电压（Voc）为0.83 V，短路电流（Jsc）为30.93 mA/cm^2，填充因子（FF）为84.21%。该研究验证了InGaN在性能上超越硅基和钙钛矿基太阳能电池的潜力，并为实验合成提供了计算路径。

引言

全球能源转型要求太阳能电池具有更高的效率、更低的成本和更强的耐久性。虽然硅基电池在市场上占据主导地位，但其效率上限（约29%）和温度敏感性限制了其长期应用[1]。近年来，n型太阳能电池因载流子寿命更长、复合损失更低以及对常见金属杂质的耐受性更强而受到关注[2]。与p型电池不同，掺硼的硅会因光诱导退化（LID）而性能下降，而掺磷的n型电池则表现出稳定的性能和更高的理论效率上限[2]。第一块n型太阳能电池于20世纪80年代使用晶体硅开发，展示了这些优势，为现代高效结构（如异质结（HJT）和交错背接触（IBC）电池的发展铺平了道路[3]。

III-V族半导体，特别是氮化铟镓（InGaN），为下一代光伏技术提供了有吸引力的替代方案。由于生长过程中氮空位和非故意的氧掺杂，InGaN天然具有n型导电性，无需进行剧烈的外来掺杂，这通常会在III-V族材料中引入缺陷[4]。这种内在的n型特性简化了制造过程，并提高了载流子迁移率，使InGaN成为高性能n型太阳能电池的理想候选材料[4]。

通过调整铟的成分，InGaN的带隙可以从0.7 eV（InN）调整到3.4 eV（GaN）。对于单结电池而言，1.34 eV的带隙是最优的，因为它可以在AM1.5G光谱下最小化热化和传输损失[5]。然而，实际应用面临一些挑战：

1.

相分离：高铟浓度（>20%）在生长过程中会导致应变和成分不均匀[6]。

2.

缺陷密度：与GaN衬底的晶格失配引起的位错会降低载流子迁移率并增加复合概率[7]。

3.

p型掺杂难题：掺镁的GaN层具有较低的空穴迁移率和激活效率[8]。

本研究利用n型InGaN的天然优势，设计了一种具有n型吸收层的太阳能电池，并使用SCAPS-1D对该结构进行了建模[9]。n型配置减少了体复合，同时实现了与薄p-InGaN窗口层的兼容性，规避了p型InGaN掺杂的缺点[4,8]。通过结合材料的可调带隙和其天然的n型导电性，我们提出了一条通往高效、耐缺陷光伏技术的途径。

在此基础上，本研究不仅对器件参数进行了建模，还系统地进行了优化，以解决吸收层厚度、界面质量和缺陷密度等关键瓶颈问题。本研究的新颖之处在于专门设计并优化了带隙为1.34 eV的n型InGaN太阳能电池，采用厚而高质量的n型吸收层与薄的p型窗口层相结合，从而克服了高铟InGaN掺杂长期存在的挑战。与之前的SCAPS-1D研究不同，我们的工作提供了对厚度、缺陷密度和量子效率优化的全面分析，为实验实现提供了计算路径。

部分内容摘要

器件结构

如图1所示，所提出的太阳能电池结构由0.1 μm的p型In0.64Ga0.36N发射层和1.7 μm的n型In0.64Ga0.36N吸收层组成。这种配置充分利用了n型InGaN的天然优势，如较长的载流子寿命和较低的复合损失[10]，同时最小化了高铟含量合金中常见的p型掺杂带来的不良空穴传输特性[11]。对应的带隙为x =

J-V特性和效率

如图2所示，n型In0.64Ga0.36N太阳能电池在光照和黑暗条件下的J–V特性表现出优异的光伏和二极管性能。在AM1.5G光照下，该器件的开路电压（Voc）为0.75 V，这反映了高效的电荷分离和结区内的复合损失抑制。短路电流密度（Jsc）达到32.24 mA/cm^2，表明其具有很强的光吸收能力

结论

本研究对一种高效n型In0.64Ga0.36N太阳能电池进行了全面的数值分析，其带隙设计为1.34 eV，以紧密符合单结光伏器件的Shockley–Queisser极限。通过SCAPS-1D仿真，研究了关键结构参数（包括p型发射层和n型吸收层的厚度）对器件性能的影响。通过系统优化，确定了最佳器件配置

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了比利时根特大学电子与信息系统（ELIS）系开发的SCAPS项目的支持。作者感谢Marc Burgelman在SCAPS-1D技术支持方面的贡献，以及Alex Niemegeers、Koen Decock、Johan Verschraegen和Stefaan Degrave等研究人员对该项目开发的贡献。