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本文通过实验与Silvaco模拟研究In0.28Ga0.72N/GaN MQW太阳能电池的正温度效应，发现禁带宽度变窄和载流子浓度增加共同作用导致效率提升，模拟与实验误差小于6%，为高温应用提供依据。
盛盛山|梁婷梅|李明辉|梅云健|李晓雅|王宁
陕西科技大学物理与信息科学学院，中国西安，710021
摘要
本文从理论和实验角度研究了1×1 mm2 In?.??Ga?.??N/GaN多量子阱太阳能电池在50°C至250°C温度范围内的正温度效应的物理机制。首先，通过高分辨率X射线衍射和光致发光（PL）特性分析了对InGaN材料进行了研究。随后，Silvaco软件模拟发现，PL测量中观察到的发射波长红移所导致的带隙变窄效应不足以解释效率的显著提高。此外，相关文献表明温度可以有效增加载流子浓度。在模拟软件中加入载流子浓度增加的模型后，结果显示在检测温度范围内，模拟数据与实验数据之间的转换效率相对误差小于6%。这表明In?.??Ga?.??N/GaN多量子阱太阳能电池的正温度效应是窄带隙效应和载流子浓度增加共同作用的结果。本研究为InGaN太阳能电池在高温下的应用提供了参考。
引言
由于InGaN材料具有高吸收系数[1,2]、高电子迁移率[3,4]以及直接带隙（0.7至3.4 eV），几乎覆盖了整个太阳光谱[5][6][7]，这些优点使其成为光伏（PV）应用的理想候选材料[8]。同时，随着成熟器件制造工艺的发展，InGaN多结太阳能电池的转换效率理论上可以达到50%[9]。与传统硅基和砷化镓基太阳能电池相比，InGaN太阳能电池在光伏/热电（PV/T）系统中表现出更优的性能，尤其是在高温和恶劣环境下[10]。因此，InGaN/GaN多量子阱（MQWs）太阳能电池作为有前景的光伏器件受到了广泛关注[11][12][13][14]。
根据文献，InGaN/GaN MQWs太阳能电池在高温下表现出不同的特性。例如，研究表明[15][16][17]，这些电池的短路电流密度（J SC）在高温下会增加，而开路电压（Voc）会显著降低，从而导致整体转换效率（η）下降。分析其原因，这种现象可能是由两种机制共同作用的结果：首先，高温降低了电子迁移率，同时增加了费米能级并减少了二维电子气（2DEG）的浓度；其次，热效应会加剧高铟含量层中的铟偏聚，从而引入更多晶体缺陷。另一方面，InGaN太阳能电池在高温下表现出正温度系数。Chen等人[18]发现，使用图案化蓝宝石衬底（PSS）可以提高InGaN/GaN MQW太阳能电池的晶体质量，减少非辐射复合中心，延长少数载流子寿命，并降低暗电流密度，从而在温度升高时提高电池效率。随后，Moses等人[19]发现，在高太阳辐射强度下，InGaN/GaN MQWs太阳能电池的J SC随温度显著增加，弥补了V OC和填充因子（FF）随温度降低的影响，使得电池在高温条件下的效率得到提升。Zhao等人[20]指出，InGaN/GaN MQW太阳能电池的正温度效应主要是由于其在高温下具有高量子效率和改进的载流子收集效率。尽管有这些令人鼓舞的结果，但关于In?.??Ga?.??N/GaN（中间铟含量约为0.3）MQW太阳能电池温度效应的物理机制的文献仍然相对不足。
在本研究中，我们通过理论和实验方法研究了中等铟含量的InGaN太阳能电池的正温度行为。首先，通过对In?.??Ga?.??N/GaN MQW太阳能电池进行表征和测试，研究了温度对其性能的影响。然后，基于材料属性，使用Silvaco软件模拟了该器件在高温下的特性。模拟和实验数据一致表明，高温会导致器件内部铟成分分布不均、带隙变窄以及载流子浓度增加，这些是太阳能电池正温度系数的主要原因。与现有文献不同，现有文献仅提到高温下的带隙变窄会影响光谱吸收，但未能将载流子浓度的增加与带隙变窄效应联系起来。因此，通过结合实验和模拟数据，本研究系统地证明了高温不仅会导致带隙变窄，还会显著增加载流子浓度，尤其是在中等铟含量的InGaN材料中。这种协同机制为理解太阳能电池在高温下的性能变化提供了新的视角。
实验部分
实验
In?.??Ga?.??N/GaN MQW太阳能电池的结构如图1(a)所示。InGaN材料通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在c-plane (0001) PSS衬底上生长，厚度约为430 μm。首先，在650°C下沉积了80 nm厚的GaN成核层（NL-GaN），然后在980°C下沉积了2.5 μm厚的本征GaN层（U-GaN），最后在980°C下沉积了2 μm厚的掺硅n-GaN层（1220°C）。
结果与讨论
为了表征材料的相关参数，我们使用了高分辨率X射线衍射（HRXRD）和光致发光（PL）进行分析。图3展示了室温下（002）平面上In?.??Ga?.??N/GaN MQW外延晶片的2θ-ω扫描曲线。最强峰为GaN，位于34.58°。在主峰左侧观察到了In?.??Ga?.??N/GaN MQW的卫星峰，其零阶衍射峰位置为34.37°。
结论
本研究采用MOCVD工艺制备了尺寸为1×1 mm2的InGaN/GaN MQW太阳能电池，并研究了高温对其性能的影响。实验结果表明，当温度从50°C升至250°C时，In?.??Ga?.??N/GaN MQW太阳能电池的转换效率（η）提高了62.57%。借助Silvaco软件模拟和InGaN材料的光致发光光谱分析，将In?.??Ga?.??N/GaN MQW太阳能电池的正温度效应归因于...
CRediT作者贡献声明
盛盛山：项目管理。梁婷梅：撰写——初稿。李明辉：验证。梅云健：验证。李晓雅：指导。王宁：指导。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（61901375, 62474112）和中国博士后科学基金（2019M663950XB）的支持；部分资金来自上海浦江计划（Grant 23PJD066）。
