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热光伏是将各种热源辐射的能量通过半导体PN结直接转变成电能的技术。从原理上看,热光伏的基本原理与传统的太阳电池原理相同,只是其转换的热辐射光谱波段与太阳电池不同。热光伏技术被认为是一种第三代光伏电池技术。对于一般的热源,GaSb电池对应的吸收波长比Si更趋于长波段,能够提供更高的功率密度,因此GaSb电池在热光伏技术的发展中起到了关键的作用。但GaSb材料应用于热光伏技术的主要问题是成本高,包括衬底、单晶外延层以及器件工艺的成本。一种降低成本的途径是在廉价的衬底上采用廉价工艺制备GaSb多晶薄膜材料。
本论文以GaSb和InxGal-xSb多晶薄膜的基本特性和GaSb薄膜热光伏电池器件结构为研究对象,取得了如下具有创新意义的进展:
1.采用共蒸发方法成功制备出GaSb多晶薄膜。X射线衍射结果表明薄膜具有(111)择优取向。随着薄膜厚度的增加,薄膜的晶粒尺寸增大。GaSb薄膜的吸收系数达到104 cm-1,薄膜的光学带宽为0.726 eV。当死Tga/Tsb比增加时,薄膜的空穴浓度明显增加。当Ga蒸发源温度为810℃,Sb蒸发源温度为415℃时,多晶GaSb薄膜的空穴浓度为2×1017cm1-3,迁移率为130 cm2/(V·s),这个结果优于NREL报道的结果。研究结果表明实验制备的GaSb多晶薄膜是一种合适的热光伏电池材料。
2.论文通过实验确定了用Al-ZnO作为GaSb、haGaSb多晶薄膜热光伏器件的导电电极,并在Al-ZnO衬底上制备出结晶质量优于玻璃衬底的GaSb、InGaSb多晶薄膜,Al-ZnO衬底上的GaSb/CdS异质结二接管特性良好。本论文进行了GaSb多晶薄膜器件的探索研究,并根据实验结果,设计出倒结构Filter/Glass/Al-ZnO/p-GaSb/n-GaSb/CdS/Al-ZnO/Contact的GaSb多晶薄膜热光伏器件。论文对GaSb/CdS异质结热光伏电池的理论效率进行了计算。
3.首次采用Raman光谱对GaSb、InGaSb多晶薄膜进行了研究。Raman谱发现,当退火温度高于350℃时,GaSb薄膜表面会有sb单质出现,确定了后续器件工艺需要在低温下完成。用Raman谱研究了GaSb薄膜应力,计算得到薄膜的应力约为1.0GPa,薄膜的应力随衬底温度的升高而减小。研究了InGaSb多晶薄膜的光学声子行为,计算了InxGal-xSb多晶薄膜的光学声子频率、晶格振动强度以及介电常数与In成分的对应关系,计算结果与Raman测试结果符合较好。