毕业论文-赵世阳(0810020101)

本科毕业论文
极化诱导与相分离对 InGaN 太阳电池
J-V 特性的影响与分析
专业年级 08 级应用物理
学号 0810020101
姓名赵世阳
指导教师张开骁
评阅人郑鹤松
二〇一二年六月
中国南京

HoHai University
Dissertation for the Bachelor Degree in Science
Analysis of the Influence to J-V Characteristics of InGaN
Solar Cell from Induced Polarization and Phase Separation
Candidate
Supervisor
Academic Degree Applied for
Specialty
Affiliation
Date of Defense
Degree-Conferring-Institution
Zhao Shiyang
Zhang Kaixiao
Bachelor of Science
Applied Physics
Department of Physics
June, 2012
HoHai University
2012 June
China Nanjing

河海大学
本科毕业设计（论文）任务书
（理工科类）
Ⅰ、毕业设计（论文）题目：
极化诱导与相分离对 InGaN 太阳电池 J-V 特性的影响与分析
Ⅱ、毕业设计（论文）工作内容（从综合运用知识、研究方案的设计、研究方法
和手段的运用、应用文献资料、数据分析处理、图纸质量、技术或观点创新等方
面详细说明）：
InGaN 电池是太阳能电池中的后起之秀，有着其独特的优势。自 InN 的禁带
宽度修订为 0.7eV 之后，就预示了通过调节 InGaN 三元合金中 In 的组分可以使
其禁带宽度从 3.42eV 到 0.70eV 连续可调，从而延长了相对应的吸收光谱波长从
紫外部分一直到红外部分，覆盖了几乎整个太阳光谱。因此，对 InGaN 电池的
研究尤为重要。本次毕设的任务如下：首先，确定一种 InGaN 电池的结构（例
如 p-i-n）以及相关具体参数；其次，研究界面极化诱导情况下，运用 wxAMPS
软件模拟分析；第三，研究 InGaN 相分离情况下（具体讨论不同方向上的相分
离，如向上纵向、向下纵向、横向等）对 InGaN 太阳电池 J-V 特性的影响；最
后，综合分析模拟结果，给出论文结论。
本文主要目的是通过对 InGaN 太阳能电池的模拟，为完善 InGaN 电池提供
理论基础，主要内容包括理想情况下单结 pn 和 pin 两种结构 InGaN 电池的模拟；
相分离下 pin 结构的 InGaN 电池模拟；极化诱导下 pn 结构的 InGaN 电池模拟。
本论文共分为 5 个部分，具体安排如下：第 1 章是绪论，介绍了太阳能电池的研
究意义背景和太阳能的发展方向，接着介绍了新型的第三代太阳电池。第 2 章介
绍了半导体的一些重要的特性，简要分析了 InGaN 的材料特点，阐述了 InGaN
材料的优势以及缺陷。第 3 章是研究如何对单结 InGaN 太阳能电池进行模拟，
主要是对 InGaN 材料参数的选择，应用 wxAMPS 软件对同质结 InGaN 太阳能电
池进行模拟。第 4 章是研究在相分离和极化效应的作用下对单结太阳能电池性能
的影响。第 5 章是对整体的总结。
能源如此重要，太阳电池势必将成为很多专家学者的研究对象。然而极化诱
导和相分离对其的影响还没有得到有效地解决或是利用。因此，本文应在极化效
应和相分离对 InGaN 太阳电池的特性影响方面进行简单的模拟和分析，并将其
结果作为参考提供给以后的研究者。本文运用了软件模拟并分析数据的研究方法，
其模型的构建比较新颖，提高了学生阅读文献、处理数据的能力。
Ⅲ、进度安排：
1. 预备阶段：第七学期第 16~17 周：了解毕业设计的题目和内容，清楚该完成
的任务，该学习的知识，该应用的软件。
第七学期第 18~19 周：根据所知在图书馆和网络上收集资料，下载、安装软

件 wxAMPS 并熟悉其界面及其各部分功能特点。
2. 准备阶段：第八学期第 1~2 周：阅读有关半导体器件和太阳电池的书籍及文
献，学习基础知识。了解软件新旧本版的基本原理和区别，并从中选择使用。
第八学期第 3~4 周：综合阅读软件方面的文章，学会软件的基本使用步骤和
方法。研读了太阳能电池相关书籍和文献，了解了太阳能电池的发展与概况。
第八学期第 5~6 周：阅读相分离及极化诱导相关文献，了解其产生机理。
3. 开题阶段：第八学期第 7~9 周：进一步阅读文献，撰写论文大纲。
4. 撰写论文阶段：第八学期第 10~15 周：理论探讨、建立模型、软件模拟、书
写论文。
5. 提交成果阶段：第八学期第 16~17 周：上交指导教师，修改完成的论文，完
善内容、排版等并完成最终的网上提交。
6. 答辩阶段：第八学期第 18 周：按物理系要求统一安排。
Ⅳ、主要参考资料：
[1] Martin A. Green, Solar Cells—Operating Principles, Technology and System
Applications, Second edition, 上海:上海交通大学出版社 2010 年.
[2] Wu J, Walukiewicz W, Yu K M, et al. Unusual properties of the fundamental
band gap of InN. Appl Phys Lett, 2002.
[3] 林硕，沈晓明等. InGaN 单结太阳电池中的浅能级杂质的理论计算和模拟
科学通报 2010 年第 55 卷第 15 期
[4] 文博, 周建军, 江若琏等. InGaN 太阳电池转换效率的理论计算半导体学
报 2007 年
指导教师：张开骁， 2012 年 06 月日
学生姓名：赵世阳，专业年级： 08 级应用物理
系负责人审核意见（从选题是否符合本专业培养目标、是否结合科研或工程
实际、综合训练程度、内容难度及工作量等方面加以审核）：
系负责人签字：，年月日

摘要
I
摘要
能源危机一直都是困扰全世界的首要难题之一，随着新能源和可再生能源的
重要性不断提高，太阳能的利用也获得了前所未有的关注。其中，对太阳能电池
转化效率的研究成为了很多学者研究的课题。2002 年的研究显示 InN 的禁带宽
度由之前所报道的 1.89eV 修订为 0.7eV。这个变化预示了一个事实，那就是通过
调节 InxGa1-xN 三元合金中 In 的组分可以使其禁带宽度从 3.42eV(GaN)到 0.70eV
(InN)连续可调，从而延长了相对应的吸收光谱波长从紫外部分(365nm)一直到红
外部分(1770nm)，覆盖了几乎整个太阳光谱。因此，通过改变 InGaN 中 In 的组
分可以解决调节材料带宽的问题。除此之外，InGaN 还具有高吸收系数、高机械
强度等优秀的性质。由于目前对 InGaN 的研究并不彻底，可以断言在近几年对
太阳能电池的研究中，关于 InGaN 的研究将成为其中的前沿课题。
本文的目的是为进一步提高 InGaN 电池的转化效率提供理论基础。利用
wxAMPS 软件模拟单结理想太阳能电池以及在极化诱导和相分离下的单结太阳
电池。对比前后太阳能电池 J-V 特性等性质的不同，并对其影响进行分析。本
文的主要工作和研究成果如下：
通过研究太阳能电池的背景明确了该课题的意义，详细介绍了太阳能电池的
发展概况与本论文研究对象 InGaN，一种新兴材料制作的太阳能电池的发展近况。
介绍了半导体的特性和应用，对于半导体较重要的一些参数做了进一步解释和说
明，例如禁带宽度、载流子密度等。阐述了研究太阳能电池的主要参数和性能指
标。论文介绍了 InGaN 的性能以及优缺点。通过阅读相关文献资料，给出了关
于相分离和诱导效应发生原因的阐释，并将其对太阳能电池影响进行了理论分析。
并建立了简单的模型，为后面用的软件模拟做准备工作。利用已知 InGaN 太阳
能电池的禁带宽度和 In 组分的关系确定固定组分的 InGaN 材料的性能参数，提
供后面软件模拟时所需要的参数。利用 wxAMPS 软件模拟分析两种效应对
In0.65Ga0.35N太阳能电池的性能影响，模拟并讨论了其J-V曲线和响应度等特性，
并与理想 InGaN 太阳能电池进行对比，为提高太阳能性能提供了参考。
关键词：InGaN；wxAMPS 软件；太阳能电池；J-V 特性；相分离；极化诱导

Abstract
II
Abstract
Energy crisis is one of the top problems which always puzzling people from all
around the world. With the importance of new energy and renewable sources of
energy increasing, using solar energy has drawn much more attention than ever before.
Among them, the research to solar cell transfer efficiency becomes an important
problem which many scholars wish to study. The bandgap of InN has been revised
from 1.89eV to around 0.7eV, according to a research in 2002. This change foretell a
truth that we can make the bandgap of InxGa1-xN, a ternary alloy, be continuously
varied from 3.4eV (GaN) to 0.7eV (InN) by changing the compositions of indium.
Thus, the corresponding wavelength of absorption spectrum has been extended from
ultraviolet (365nm) to infrared (1770nm), covering almost the whole solar spectrum.
Therefore, we can adjust the bandgap of material through changing the compositions
of indium. In addition, InGaN has high absorption, high mechanical strength and
some other outstanding properties. It is very certain that the research towards InGaN
must be one of hottest question which people want to study within solar cell area in
the near future, owing to the deficient research at the moment.
The intention of this paper is to offer a theoretical foundation for preparation and
improvement of InGaN solar cells. I have simulate single-junction InGaN solar cells
and what influence has been made by induced polarization and phase separation by
using the analysis of microelectronic and photonic structures (wxAMPS). The main
study contents of this dissertation include the following respects:
The thesis addresses the significance of this topic by studying the background of
solar cell. The thesis also make a detailed introduction about the development of solar
cell and the main role of this article, InGaN, a newly developing material. This essay
introduces the characteristics and applications of the semiconductor. Moreover, this
essay makes further explanations and illustrations to some important parameters of
semiconductor, for instance, forbidden bandgap and density of carriers. After bring in
some main parameters of solar cell, this thesis mentions some advantages and
disadvantages of InGaN material. By reading related documents, this essay offers

Abstract
III
some reasons about why phase separation and induced polarization happened and how
it happened. What is more, this essay makes some explanations about the effects with
academic analysis and build up a simple model at the same time, as preparations for
later work. The thesis uses the knowledge and conclusion that already known to us to
get certain parameters that needed in my simulation. The thesis uses wxAMPS
software to simulate In0.65Ga0.35N solar cells under phase separation and induced
polarization, respectively. The thesis figures out what are the different in J-V
characteristic between the ideal condition and under special conditions and supply a
reference for improving the function of solar cells.
Key words: InGaN; wxAMPS software; solar cell; J-V characteristic; phase
separation; induced polarization

目录
IV
目录
摘要 ........................................................................................................................................Ⅰ
Abstract..........................................................................................................................................Ⅱ
目录 ........................................................................................................................................Ⅳ
第一章绪论 ....................................................................................................................................1
1.1 太阳能电池的研究背景和意义...........................................................................................1
1.2 太阳能电池发展概况及未来趋势.......................................................................................2
1.3 新型太阳能电池...................................................................................................................3
1.4 国内外研究综述...................................................................................................................5
1.5 论文内容安排.......................................................................................................................5
第二章 InGaN 电池结构与工作原理............................................................................................7
2.1 半导体的特性.......................................................................................................................7
2.1.1 引言...........................................................................................................................7
2.1.2 晶体结构...................................................................................................................7
2.1.3 禁带宽度...................................................................................................................8
2.1.4 电子和空穴...............................................................................................................8
2.1.5 允许态的能量密度...................................................................................................9
2.1.6 电子和空穴的密度...................................................................................................9
2.1.7 Ⅲ族和Ⅴ族掺杂剂.................................................................................................10
2.1.8 施主和受主.............................................................................................................10
2.2 InGaN 太阳能电池.............................................................................................................11
2.2.1 III 族氮化物的发展................................................................................................11
2.2.2 InGaN 材料的特性.................................................................................................13
2.2.3 InGaN 材料的优劣分析.........................................................................................14
2.3 太阳能电池分类.................................................................................................................14
2.3.1 太阳能电池材料的分类和选择.............................................................................14
2.3.2 InGaN 太阳电池分类.............................................................................................15
2.4 太阳能电池工作原理.........................................................................................................15
2.4.1 太阳常数和大气质量.............................................................................................15

目录
V
2.4.2 太阳能电池的结构及工作原理.............................................................................17
2.4.3 太阳能电池的等效电路.........................................................................................18
第三章 InGaN 电池 J-V 曲线的模拟研究.................................................................................21
3.1 太阳能电池理论模拟的意义.............................................................................................21
3.2 AMPS 模拟软件.................................................................................................................22
3.2.1 wxAMPS 软件简介................................................................................................22
3.2.2 wxAMPS 界面及参数键入....................................................................................25
3.2.3 wxAMPS 软件模拟及参数选择............................................................................26
3.3 InGaN 材料的参数设计.....................................................................................................30
3.3.1 单结 pn 型 InGaN 模拟.........................................................................................30
3.3.2 单结 pin 型 InGaN 模拟........................................................................................34
第四章相分离与极化诱导的模型建立.......................................................................................38
4.1 引言.....................................................................................................................................38
4.1.1 相分离概述.............................................................................................................38
4.1.2 极化效应概述.........................................................................................................38
4.1.3 InGaN 中的相分离及极化诱导.............................................................................38
4.2 相分离.................................................................................................................................39
4.2.1 相分离的热力学条件.............................................................................................39
4.2.2 InGaN 中相分离的形式.........................................................................................39
4.2.3 相分离的模型建立.................................................................................................40
4.3 极化效应.............................................................................................................................45
4.3.1 材料的极性.............................................................................................................45
4.3.2 极化电场对器件性能的影响.................................................................................46
4.3.3 极化效应的模型建立.............................................................................................46
第五章相分离与极化诱导模拟结果的分析与讨论...................................................................49
5.1 相分离对理想 pin 型太阳电池的影响..............................................................................49
5.1.1 模拟结果对比.........................................................................................................49
5.1.2 相分离对 J-V 特性和电场分布的影响和分析.....................................................49
5.2 极化诱导对理想 pn 型太阳电池的影响...........................................................................50
5.2.1 模拟结果对比.........................................................................................................50

目录
VI
5.2.2 极化诱导对 J-V 特性和电场分布的影响和分析.................................................50
第六章总结与展望.......................................................................................................................51
参考文献 ........................................................................................................................................52
致谢 ........................................................................................................................................55

河海大学本科毕业论文
1
第一章绪论
1.1 太阳能电池的研究背景和意义
世界的格局一直随着时间发生着变化。以往，人们一直力求通过自己主观的
看法和作用可以影响着一切，然而随着人们肆意挥霍着自然界给予我们的资源和
能源，人们已经不能再为自己的利益而随心所欲了。随着人类对能源的需求量越
来越大，世界各国都面临着能源枯竭和环境保护的双重压力。因此在现在这个能
源至上的世界里，一个国家的能源问题已经成为牵涉其政治、经济等地位的重要
因素。可以说，一个能在能源方面跻身世界前列的国家必定是真正意义上的强国。
众所周知，作为传统能源的煤炭、石油和天然气等化石燃料都为不可再生资
源。根据目前能源的消耗速度来看，亿万年形成的煤、石油和天然气将在未来的
200 到 300 年内用完，特别是作为工业血液的石油再有四五十年就要枯竭
[1]
。据
研究报道，自 18 世纪以来，全球大气中无论是二氧化碳还是甲烷的浓度都有着
显著的增加，远远超过了工业革命之前的统计数字
[2]
。化石燃料的消耗也日趋上
升，直接加重了全球气候问题。如果照目前的情况发展下去，到了 21 世纪中叶，
地球的表面平均温度将会上升大约 0.6 到 2.5℃，而到了 22 世纪，气候将会变暖
1.8 到 4.0℃
[3]
。气候变暖现象加速了稀有物种的灭绝，也同样加剧了对原本就脆
弱的生态系统的破坏，导致极端恶劣天气发生的愈加频繁、疾病的传播愈加迅速，
也导致了海平面的上升
[4]
。无疑，温室效应、核危机、不可再生能源的即将枯竭，
在这一系列的能源危机的大环境下，新能源和可再生能源的重要性不断的提高，
太阳能的利用也因此获得了前所未有的关注。太阳能作为一种比地球上的所有其
他可再生能源和化石能源的总和还要多的资源，每年照射到地球表面的太阳光能
量是人类消耗能量的几千倍。太阳是宇宙中距离地球最近的一颗恒星，日地平均
距离大约是1.5 × 108
km，太阳的直径大约是1.39 × 106
km，约是地球的 109 倍。
由爱因斯坦质能方程可以推算出太阳每秒产生3.80 × 1023
km的能量。利用光伏
效应实现太阳能到电能的直接转换，可以大量减少温室气体的排放。虽然目前太
阳能电池的发电成本还不够低，但是经过一代代人的探索研究，太阳能必将成为
未来的主流能源。因此对太阳能的开发利用将决定着未来人类将以何种方式再继
续生存下去。
在众多研究方向中，对太阳能电池转化效率的研究成为了很多学者研究的课

2
题。2002年的研究显示InN的禁带宽度由之前所报道的1.89eV
[5]
修订为0.7eV
[6,7]
。
这个变化预示了通过调节 InxGa1-xN 三元合金中 In 的组分可以使其禁带宽度从
3.42eV(GaN)到 0.70eV(InN)连续可调，从而延长了相对应的吸收光谱波长从紫外
部分(365nm)一直到红外部分(1770nm)，覆盖了几乎整个太阳光谱。因此，通过
改变InGaN中In的组分可以调节材料的带宽从而改变该三元合金的高吸收系数、
高机械强度等性质。由于目前对 InGaN 的研究并不全面，因此在近几年对太阳
能电池的研究中，关于 InGaN 的研究将始终成为其中的前沿课题。
1.2 太阳能电池发展概况及未来趋势
太阳能电池的发展已然有 170 多年的历史了。在这漫长曲折的发展道路中，
人们对其研究的进展虽然时而缓慢时而迅速，但却从未间断。太阳能电池的工作
原理基于光伏效应。1839 年克勒尔(Becquerel)首先提出了这一效应的存在，他
观察到浸在电解液中的电极之间有光致电压。1876 年，在硒的全固态系统中也
观察到了类似现象。随后，研发了以硒和氧化亚铜为材料的光电池。虽然 1941
年就有了关于硅电池的报道，但直到 1954 年才出现了现代硅电池的先驱产品。
在那一年，贝尔实验室的 Chapin 和 Fuller 等人制成了有史以来第一只实用价值
的硅太阳能电池。因为它是第一个能以适当效率将光能转为电能的光伏器件，所
以它的出现标志着太阳能电池研发工作的重大进展。此后，世界各地对于各种材
料、各种类型太阳能电池的研究就变得层出不穷。也由于硅电池的成熟技术，市
场上超大份额(约 96%)的太阳能电池都是晶体硅或非晶硅电池。据统计结果显示，
商业生产中晶体硅的太阳能电池，最大效率可达到 22.4%，而实验室的最大效率
则达到了 24.7%[8]
。早在 1958 年，这种电池就用作宇宙飞船的电源。到了 20 世
纪 60 年代初，供空间应用的电池设计已经成熟。此后十多年，太阳能电池主要
用于空间技术。20 世纪 70 年代初，硅电池的发展经历了一个革新阶段，能量转
换效率得到了显著的提升。大约与此同时，人们对太阳能电池的地面应用的兴趣
被再度唤起。到 70 年代末，地面用太阳能电池已超过了空间应用的数量，成本
也随着产量的增加而明显下降。80 年代初，出现了一些新的工艺，这些工艺通
过试生产进行评估，这为之后十年进一步降低成本奠定了基础。随着成本的不断
降低，这种通过光伏效应利用太阳能的方法，其商业应用范围会越来越广阔。

3
就目前的情况来看，太阳能电池的转换效率并不是十分高,学者们进行了大
量研究以求实现实际太阳能电池模块转换效率的提升。其中，多结太阳能电池在
聚光型光伏领域取得了突破式的飞越。2010 年 10 月 6 日,美国 Spire 半导体公司
宣布的最新成果:由该公司研发的三结砷化镓(GaAs)太阳电池峰值效率达到了
42.3%,聚光条件相当于406个太阳
[9]
。多晶硅作为目前太阳能产业中的主要原料，
对其的研究必将会继续。同样，对于单晶硅也有着不小的重视。在与薄膜太阳能
电池的相比之下，多晶硅太阳能电池的光电转换效率明显更高。不过多晶硅在生
产过程中不仅对能源的消耗十分巨大,四氯化硅等有毒副产品也对环境产生了不
少恶劣的影响,能量回收期则理所当然成为了大众普遍关注的问题,在产业界足
以引起大家的反思热潮。而新型薄膜太阳能电池在制造过程中以其较短的能量回
收期、较小的环境污染以及低能耗、低成本、低用材，成为了新型太阳能电池的
发展方向。在结构方面,非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池具有不小的吸引力。研究
人员对电池结构的改进对提升电池模块的性能取得了很好的进展。日本秋田大学
研究小组开发出的光波转换材料将紫外线转换成可视光。对可视光呈现透明状态
的有机材料,使得未能有效利用的紫外线可以用于光电转换,同时大幅提高电池
转换效率。抗反射图层材料是电池涂上了抗反射涂层,或者蚀刻电池的表面用来
增加光子吸收从而提高电池组件的转换效率。在以后的日子里,多种类型的太阳
能电池将会得到同步发展。但是高能耗高成本的太阳能电池可能会从技术上得到
改进,否则将会逐渐被其他类型的电池所取代。可以预见在不久的未来，太阳能
电池飞速发展并投入大规模使用必将减轻目前人类所面临的能源压力。
1.3 新型太阳能电池
总结下来，太阳能电池的发展主要经历了三个阶段。以晶体硅太阳能电池为
代表的第一代太阳能电池具有高效率高成本的特点。到了二十世纪 80 年代，人
们为了追求低成本的太阳能电池，逐步发展了低成本的薄膜光伏产业，也就是第
二代太阳能电池。在这之后，由于薄膜太阳能电池的技术进步和晶体硅材料的稳
固地位，人们对薄膜太阳能电池的研究越来越感兴趣，但在本质上却有些止步不
前。这直接导致了太阳能电池虽然有很多优势，但却因种种原因(如技术匮乏、
研究不足)使得普及太阳能电池变得十分困难。以目前太阳能电池市场的发展形

4
势来看，也仅仅占到世界能源的 0.04%
[10]
，成本约为化石能源价格的 4 倍。为了
使得太阳能电池向着高效率低成本的方向发展，各种新型的太阳能电池（即“第
三代”太阳能电池）应运而生。“第三代”太阳能电池包括多结太阳能电池、多
波段以及热载流子太阳能电池、量子阱和量子点太阳能电池
[11-13]
等等。这些新型
的太阳能电池不仅在结构和材料上和以往的太阳电池有很多的不同，在成本上也
越来越廉价，几乎可与化石能源相比，而效率上更是有着不小的提高。第三代太
阳能电池的概念是在 2001 年由 M．Green 提出的。他认为第三代太阳能电池应
该满足“绿色、环保、新概念、高效"的特点。其中新概念尤为重要，因为当前
技术下传统硅太阳能电池效率几乎达到了极限。所以必须探索、寻找采用新结构、
新材料、新概念的太阳能电池。第三代太阳能电池的主要目标是降低成本、提高
效率。目前人们已经探索研制出超晶格、量子阱太阳能电池。也许在不久的将来
将会研制出更高效率、成本更低的新型材料和新型结构的太阳能电池。
为了更直观的说明，下面为三代太阳能电池成本（横轴）和效率（纵轴）的
对比结果图 1-1。
图 1-1 三代太阳电池的成本与效率
[2]

5
1.4 国内外研究综述
近几年来，一些学者或研究小组陆续发表了他们在 InGaN 材料方面或太阳
电池方面的研究成果。徐峰等人
[14]
利用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)方法
在 C 面蓝宝石衬底上制备了全组分 InGaN 薄膜，通过改变生长温度和 In/Ga 比
例成功调控了 InGaN 合金组分和带隙宽度。陆慧敏和陈根祥
[15]
讨论了极化效应
对 InGaN/GaN 多量子阱结构光电特性的影响。厦门大学的郑江海
[16]
做了对
InGaN 中相分离及其抑制的研究。Jani 等人
[17,18]
制备并分析了低 In 组分的 InGaN
pin 和量子阱太阳电池。Yang 等人
[19]
制备并分析了低 In 组分的 InGaN pn 结单结
太阳电池。Zhang 等人
[20]
优化了 In0.65Ga0.35N 单结太阳电池。胡志华等人
[21]
运用
AMPS 模拟了非晶硅太阳电池光照 J-V 特性。Shen 等人
[22]
、Hamzaoui 等人
[23]
、
Islam 等人
[24]
和文博等人
[25]
均从理论上分析了理想 InGaN 材料制备的层叠太阳电
池的 J-V 特性。林硕等人
[26]
做了 InGaN 单结太阳电池中的浅能级杂质的理论计
算和模拟。相比之下，讨论相分离以及极化效应对太阳能电池影响的研究较少。
从上述分析可以看出,目前理论方面的研究主要集中于由理想 InGaN 材料制备的
层叠太阳电池的 J-V 特性及其结构设计。而在进一步优化电池效率，把类似于
相分离和极化效应这种劣势的减弱、消除甚至转变为优势的重视还不多。故本文
为这方面的研究提供一些模拟与分析。
1.5 论文内容安排
本文主要目的是通过对 InGaN 太阳能电池的模拟为完善 InGaN 电池提供理
论基础，主要内容包括单结 InGaN 电池的模拟；相分离下的 InGaN 电池模拟；
极化诱导下的 InGaN 电池模拟。本论文共分为 5 个部分，具体安排如下：第 1
章是绪论，介绍了太阳能电池的研究意义背景和太阳能的发展方向，接着介绍了
新型的第三代太阳电池。第 2 章介绍了半导体的一些重要的特性，简要分析了
InGaN 的材料特点，阐述了 InGaN 材料的优势以及缺陷,介绍了很多理论基础。
第 3 章是研究如何对单结 InGaN 太阳能电池的进行模拟，主要是对 InGaN 材料
参数的选择，应用 wxAMPS 软件对同质结 InGaN 太阳能电池进行模拟。第 4 章
是研究在相分离和极化效应的作用下对单结太阳能电池性能的影响。第 5 章是对
整体的总结。具体工作如下：

6
1、通过研究太阳能电池的背景明确了该课题的意义与可行性，详细介绍了
太阳能电池的发展概况与本论文研究对象 InGaN，一种新兴材料制作的太阳能电
池的发展近况。
2、介绍了半导体的特性和应用，对于半导体较重要的一些参数做了进一步
解释和说明，例如禁带宽度、载流子密度等。阐述了研究太阳能电池的主要参数
和性能指标。论文介绍了 InGaN 的性能以及优缺点。
3、通过阅读相关文献资料，给出了关于相分离和诱导效应发生原因的阐释，
并将其对太阳能电池影响进行了理论分析。并建立了简单的模型，为后面用软件
模拟结果做准备工作。利用已知 InGaN 太阳能电池的禁带宽度和 In 组分的关系
确定固定组分的 InGaN 材料的性能参数，提供后面软件模拟时所需要的参数。
4、利用 wxAMPS 软件进行器模拟分析两种效应 In0.65Ga0.35N 太阳能电池的
性能影响，模拟并讨论了其 J-V 特性和响应度等特性，并与理想 InGaN 太阳能
电池进行对比，为提高太阳能性能提供了参考。

7
第二章 InGaN 电池结构与工作原理
2.1 半导体的特性
2.1.1 引言
如果说太阳能电池是一座宏伟壮观充满现代化高科技的高楼大厦，那么半导
体就是支撑这座华丽大厦的坚实支架。不仅坚实，而且严密复杂，只有真正了解
了半导体结构特性的人才能主导起整座大厦的运营。本章的主要目的是介绍半导
体一些基本的参数
[27]
从而简明的阐述一下 InGaN 电池的结构和工作过程。
2.1.2 晶体结构
本论文讨论的半导体材料基本上仅限于晶体，而理想晶体的特征是组成晶体
的原子做规律性的周期排列，重复小构造单元构成整个晶体。最小重复单元叫做
原胞，它包含了重现晶体中原子位置所需的全部信息。晶体内平面的取向可利用
密勒指数系统以单胞结构来表示。晶体内的方向可用矢量来表示并且在晶体的内
部存在着等值的平面。
图 2-1 所示为在光伏太阳能技术中很多重要半导体材料的原子排列，例如硅
(Si)、砷化镓(GaAs)。其中后一种是晶体结构中含有一种以上原子的化合物半
导体，这种排列通常称为金刚石晶格或闪锌矿晶格。下图为该类晶体的单胞。
图 2-1 金刚石晶格模型

8
2.1.3 禁带宽度
电子在真空中所能得到的能量值基本是连续的，但在晶体中的情况就可能截
然不同了。孤立原子中电子的能级是彼此分离的，当几个原子比较紧密地集合在
一起时，原来的能级就形成了允许的能量带，如图 2-2。当原子像在晶体中那样
有秩序地排列时，彼此之间存在一个平衡的原子间距。图 a 和图 b 分别表示原子
的两种情况。图 a 表示的是在原子平衡间距 d 处，晶体具有被禁带所隔开的电子
允带。图 b 表示的为在不同晶体材料的平衡间距 d 处，能带互相重叠，实际上得
到一个连续的允带。
图 2-2 大量相同原子集合成晶体时孤立原子中分离电子允许能级如何分裂成允带的示意图
（a）在晶体中原子的特征间隔 d 处存在着一些被禁带隔开的电子允许能带
（b）在 d 处最上面的能带发生重叠
2.1.4 电子和空穴
电子和空穴的双层停车场模型是比较经典的一种简单易懂的阐述方式。停车
场的第一层(底层)代表了价带，第二层(顶层)代表了导带。当代表电子的汽车全
部停在底层时，不论是一层的汽车还是二层的空位(即电子和空穴)都无法移动，
也就无法产生所谓的流量(即电流)。但当底层有汽车从一层移动到二层之后(应
该类似于电子被激发的过程)无论是上层的电子还是底层的空位都可以有移动的
可能性。下层虽然实质是汽车在移动，但某种意义上来讲可以把它看做是空位的
转移(即空穴的移动)。因此整个停车场的流量是楼上汽车加楼下空位移动的和
（即半导体内的电流可以看作是导带中的电子和价带中的空穴运动的总和）。如
下图 2-3 所示。

9
图 2-3 用“停车场”简单类比半导体中导电过程
（a）不能移动（b）上下层都可以移动
2.1.5 允许态的能量密度
单位体积半导体中，在禁带的能量范围内其态密度显然为零，而在允带内就
不是零，这就引出了有关究竟有多少电子状态分布在允带内的问题。
答案可以相当简单地或得，至少对于靠近允带边缘的能量是如此。在允带边
缘，可将载流子看成类似于自由载流子。对于靠近导带边（在无各向异性的情况
下）的能量 E，单位体积、单位能量的允许状态数 N(E)由下式得出：
2/1
3/2*
)(
28
)( 3 c
e
EE
h
m
EN 

)12( 
其中，h 是普朗克常数。对于靠近价带边的能量，存在类似的表达式。
2.1.6 电子和空穴的密度
知道了允许状态的密度(2-1 式)和这些状态的占有几率，就可以计算电子和
空穴的实际能量分布。由于费米-狄拉克分布函数的性质，导带中的大多数电子
和价带中的空穴都聚集在带边附近，每个带中的总数可通过积分求得。单位体积
晶体中，在导带内的电子数 n 由下式得出，即：

max
)()(
c
c
E
E
dEENEfn )22( 
经过一系列简化、估计、改变积分变量等工作可得到：
)/()(2
3
2
*
)
2
(2 kTEEe cF
e
h
kTm
n 


)32( 

10
)/()( kTEE
C
cF
eNn 
 )42( 
在这里，对于固定的 T，Nc 是常数，通称为导带内的有效态密度，可通过比较
式(2-3)和(2-4)来确定。同样的，单位体积晶体中在价带内的空穴总数
)/()( kTEE
V
Fv
eNp 
 )52( 
价带内的有效态密度 Nv 可用同样的方法确定。
在纯净、完美的半导体中，费米能级位于带隙中央附近，它偏离带隙中央的
程度取决于导带和价带的有效态密度的差。
2.1.7 Ⅲ族和Ⅴ族掺杂剂
杂质原子可通过两种方式掺入晶体结构。挤在基质晶体原子间位置上的杂质
通常被称为间隙杂质，而替换基质晶体原子位置并保持晶体结构中有规律的原子
排列的杂质被称为替位杂质。
周期表中Ⅲ族和Ⅴ族原子在硅中充当替位杂质，例如一个Ⅴ族杂质替换了一
个硅原子的部分晶格。四个价电子与周围的硅原子组成共价键，但第五个却处于
不同的情况，它不在共价键内，因此不再价带内。对于图中所表示的情况，该电
子被Ⅴ族原子所束缚不能穿过晶格自由运动，因此也就不在导带内。可想而知，
与束缚在共价键内的自由电子相比，释放这个多余电子只需较小的能量。经过计
算可以发现事实正是如此，就像在禁止的能隙中插入了一个允许的能级。
类似的，Ⅲ族杂质没有足够的价电子来满足四个共价键，这就造成一个束缚
于Ⅲ族原子的空穴。释放空穴所需的能量也同样很小。因此，一个Ⅲ族原子在禁
带中接近价带顶的地方引入了一个电子允许能级。
2.1.8 施主与受主
由于从Ⅴ族原子释放多余电子和从Ⅲ族原子释放多余空穴所需的能量很小，
不难预测大多数多余的电子和空穴都可以轻松得到这个能量。因此大部分多余电
子离开了Ⅴ族原子，留下的带正电荷的原子可穿过晶体自由地运动。因为Ⅴ族原
子向导带贡献出电子，故被称为“施主”。根据费米-狄拉克分布函数的形式表明：
施主能级的占有率小意味着大多数电子都离开施主位置进入导带。同样，当掺有

11
Ⅲ族杂质时，这些杂质容易把多余的空穴让给价带，相当于从价带接受电子，故
被称为“受主”。
2.2 InGaN 太阳能电池
2.2.1 III 族氮化物的发展
III 族氮化物的发展要一直追溯到二十世纪初，世界上第一块 GaN 化合物半
导体由 Fichter 在 1910 年生长出来，而第一块 InN 化合物半导体则是由 Johnson
在 1932 年生长出的。在 III 族氮化物的生长中，蓝宝石被作为广泛使用的基底，
但是由于存在着晶格的不匹配，生长出来的薄膜质量较差。1969 年，Maruska
等人报道了利用氢化物气相外延法(HVPE)生长出 GaN，这才使得对 GaN 的研究
有了新的突破。1971 年,Manasevi 和 Erdmann 第一次用有机金属化学气相沉积法
(MOCVD)生长出了 GaN，而 MOCVD 也成为了现在生长外延薄膜层中最常用的
方法。
到了 80 年代，终于迎来了两个突破性的变化。一个是 1983 年 Yoshida 等人
在 500℃低温下引入 GaN 作为缓冲层来减小蓝宝石和 GaN 间的晶格失配，生长
出了高质量 GaN。另一个是 1989 年，Amano 等人利用低能量电子束辐射生长了
掺杂 Mg 的 GaN。这些划时代的突破促进了 III 族氮化物的研究。尽管已经在 GaN
和低 In 组分的 InGaN 材料的研究上取得了显著成就，但是高 In 组分 InGaN 的
晶体质量相比于低 In 组分 InGaN 薄膜较差，因此要实现高质量的 InN 和高 In 组
分的 InGaN 仍然是不小的难题。
在所有的 III 族氮化物半导体中，InN 的电子迁移率和饱和速度都是最高的。
2003 年，H. Lu 等人用分子束外延法(MBE)生长了迁移率最高的 InN。传统半导
体的晶体结构是金刚石和闪锌矿等立方对称结构。而 III 族氮化物半导体存在纤
锌矿结构和闪锌矿两种结构，其中纤锌矿结构是稳定态。纤锌矿结构中，氮原子
形成一个六角密堆积结构。沿着 c 轴方向的 InN 晶体结构，可以看作是一系列
InANAInBNBInANAInBNB„„的六角堆积原子的层状结构。而闪锌矿结构是由
一系列 InANAInBNBInCNCInANA„„堆积而成的
[28]
。图 2-4 表示的是 III 族氮
化物的六角纤锌矿晶格结构。由于 III 族氮化物缺少一个沿 c 轴的对称中心，这
就产生了诸多特别的特性，如压电、热释电以及非线性光学等性质，这些性质对

12
三族氮化物的发展起了很大的作用。此外，III 族氮化物还具有熔点高、机械强
度、化学稳定性以及良好的导热性等优点。III 族氮化物的一些非同寻常的物理
性质都列在表 2-1 和表 2-2 中。
图 2-4 III 族氮化物的六角纤锌矿晶体结构示意图
表 2-1 GaN 在 300K 下的基本参数
[28]
表 2-2 300K 情况下晶格结构为纤锌矿的 InN 参数
[28]

13
2.2.2 InGaN 材料的特性
InGaN(Indium gallium nitride)是一种由 GaN 和 InN 混合制成的半导体材料，
是一种由三族元素和五族元素组成的直接带隙的三元半导体合金。InGaN 可以应
用于太阳能光伏器件，其带宽范围为 0.7eV(InN)到 3.4eV(GaN)，可以通过调整
In 组分使其在太阳光谱内连续变化。InGaN 的禁带宽度相对于其它半导体具有独
特的特点。硅、砷化镓等半导体材料的禁带宽度具有固定的数值。从图 2-5 可以
看出，随 In 组分变化的 InGaN 合金的带宽能量几乎覆盖了整个太阳光谱，同时
还可以观察到当前普遍用于高效率多结太阳能电池的几种材料带宽。
图 2-5 InGaN 材料带宽与太阳光谱匹配关系
[29]
由于以硅为材料的太阳能电池在制备技术及转换效率等方面已基本成熟，降
低成本和提高效率方面均受到很大限制。近年来人们不断寻求新材料、新结构的
太阳能电池。InGaN 材料则具有其它材料不可比拟的优点，目前已成为第三代太
阳能电池研究的热点。如 2.2.1 中介绍的，InGaN 合金的结构有六方纤锌矿和立
方闪锌矿两种。现阶段人们对 InGaN 合金的研究主要集中在六方纤锌矿结构上，
这是一种稳定的晶体结构，而其立方闪锌矿结构是亚稳态结构，这与其它的 III-V
族半导体材料是不同的。

14
2.2.3 InGaN 材料的优劣分析
作为 III 族氮化物的三元化合物，InGaN 因其具有其它太阳能电池材料所不
具有的性能而受到了空前的关注。低 In 组分的 InGaN 已然被视为用于制作整个
可见光区的光发射器中不可或缺的材料。但是，迄今为止对 InGaN 材料的基本
性质的研究还不是很理想，一些物理和化学性质都是基于 GaN 和 InN 估算出来
的，如带宽、晶格常数、有效电子质量等。实验证明，InN 的带宽小于 1.0eV，
但是目前仍在争论 InN 带宽的准确值。因此在设计和制造太阳能电池过程中，不
仅需要掌握 InGaN 合金中 In 组分与带宽之间的关系，还要深入了解 InGaN 材料
的基本特性。
InGaN 材料之所以能够成为 III-V 族化合物半导体光伏材料中的新成员,
除了禁带宽度在 0.7~3.4eV 连续可调这个最大的优点外,还有许多其它的原因。
由于它具备高硬度、耐高温、耐辐射、耐酸碱的优点,InGaN 材料非常适于制备
超高效率的太空太阳电池。由于它是直接禁带材料,具有很高的吸收系数,所以电
池可以做得很薄,有利于节省材料
[25]
。由于调节 In 组分可连续改变 InxGa1-xN 的
带隙宽度,因此在同一生长设备中,通过改变 In 组分就可生长成 InxGa1-xN 多结太
阳电池结构,比目前用几种不同的半导体材料制备多结太阳电池方便了许多
[25]
。
InGaN 材料由于极化和压电作用使其对高位错密度很不敏感,这有利于克服材料
中的缺陷对太阳电池效率的不利影响
[17]
。另外, 低 In 组分的 InGaN 材料已成功
用于制备蓝光激光器(LD)、蓝光发光二级管(LED)、紫外探测器,这为应用 InGaN
材料制备 InGaN 太阳电池提供了技术准备。但是,目前高质量、高 In组分的 InGaN
材料生长还存在一些困难,如 p 型掺杂、相分离、InN 中很高的 N2 平衡蒸汽压,
这些困难成为制备 InGaN 基层叠超高效率太阳电池的主要障碍。
2.3 太阳能电池分类
2.3.1 太阳能电池材料的分类和选择
太阳能电池按结构来划分可以分为同质结电池、异质结电池、肖特基电池和
光电化学电池四大类；按基体材料可以分为晶体硅太阳能电池、硅基薄膜太阳能
电池、硒光太阳能电池、化合物太阳能电池、染料敏化太阳能电池和有机薄膜太

15
阳能电池。太阳能电池实际上就是利用半导体 p-n 结的光伏效应制成的。一般来
讲，任何半导体材料都有光生伏特效应，所以从理论上说所有的半导体材料都可
以作为太阳能电池的材料。不过理论毕竟都是过于理想化的，在实际应用中适合
做太阳能电池的材料并不多。只有在转换效率和成本等综合考虑合适的情况下才
能用做太阳能电池材料。一般来说选择材料可以下三个方面来考虑材料是否合适。
首先材料的选择要受到物理性质的制约，如半导体的禁带宽度、载流子迁移率以
及光吸收系数的大小等。这些因素直接影响电池效率的大小，有些半导体材料制
备出的太阳能电池效率很低则没有了实际开发应用的价值。其次要受到材料制备
技术及条件的限制。太阳能电池对材料纯度的要求是很高的，若当前的技术水平
下跟不上材料提纯和制备的要求，该材料也不适合用作大规模利用的太阳能电池
材料。其次成本问题也很重要，如果材料和太阳能电池的成本太高则在实际应用
中失去了价值。因此太阳能电池的经济实用也是太阳能电池开发和利用必须考虑
的因素。
2.3.2 InGaN 太阳电池分类
基于 InGaN 化合物半导体结构材料的光伏效应而制作的太阳电池被称为
InGaN 太阳能电池。根据其结构种类主要包括：单结 InGaN 太阳能电池，InGaN
多结太阳能电池以及新型 InGaN 量子点太阳能电池等。其中，单结 InGaN 太阳
能电池即为普通单个 pn 结结构的太阳能电池，其主要结构由 p 型 InGaN 和 n 型
InGaN 材料组成；而 InGaN 多结太阳能电池则由两个或两个以上的 InGaN pn 结
叠加组成；InGaN 量子点太阳能电池指采用 InGaN 量子点结构材料作为有源区
的太阳能电池。
2.4 太阳能电池工作原理
2.4.1 太阳常数和大气质量
太阳光是以电磁波的形式向空间传输能量的,来自太阳的辐射能对地球上的
生命起着不可或缺的作用。地球表面接受到的太阳能，是经过几乎是真空的宇宙
空间，通过电磁波的形式辐射到地球的。太阳辐射不仅决定地球表面的温度，还

16
提供了地球表面和大气层中自然过程的全部能量。太阳实质就是一个由中心发生
的核聚变反应所加热的气体球。普朗克辐射定律告诉我们，当物体被加热时，不
仅所发出的电磁辐射总能量增加，其发射的峰值波长也变短。在地球大气层之外，
地球和太阳的平均距离处，垂直于太阳光方向单位面积上的辐射功率基本上为一
常数。这个辐射强度称为太阳常数，又或者可称该辐射为大气光学质量为零(air
mass-zero radiation，简称 AM0)的辐射(太阳光谱如图 2-6 所示)。目前在光伏
工作中采用的太阳常数值是 2
1.353kM/m ，该数值可由人造卫星实测得到。
图 2-6 太阳辐射光谱
阳光穿过地球大气层时至少衰减了 30%，阳光衰减的程度变化很大。晴天时，
决定总入射功率的重要参数是光线通过大气层的路程。太阳在正上方时路程也就
最短。实际路程和该最短路程相比之后的比值即为大气光学质量(Optical Air
Mass，简称 AM)。太阳在头顶正上方时大气光学质量为 1，这时的辐射称为大
气光学质量 1(AM1)的辐射。当太阳和头顶正上方成 角时，大气光学质量由下
式得出：
cos
1
AM
估算大气光学质量最简单的方法是测量高度为 h 的数值物体投射的阴影长度 s。
于是： 2
)(1
h
s
AM 

17
2.4.2 太阳能电池的结构及工作原理
太阳能发电有两种方式，一种是光一热一电转换方式，另一种是光一电直接
转换方式。其中，光一电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换
成电能，光一电转换的基本装置就是太阳能电池。换言之，太阳能电池是通过光
电效应或者光生伏打效应直接把光能转化成电能的半导体器件，其基本结构是一
个 PN 结。所谓光生伏打效应即当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生
变化而产生电动势和电流的一种效应。太阳电池的主要参数包括开路电压、短路
电流、填充因子和光电转换效率，若使太阳电池具有高的效率，前三者的乘积必
须最大
[30]
。如果在晶体硅中掺人能够俘获电子的硼、铝、镓或铟等杂质元素，那
么它就成为空穴型半导体，简称 p 型半导体。如果在硅晶体中掺入能够释放电子
的磷、砷或锑等杂质元素，那么它就成了电子型的半导体，简称 n 型半导体。若
把这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交界面处便会形成 p-n
结，并在结的两边形成内建电场，又称势垒电场。由于此处电阻特别高，所以也
称为阻挡层。太阳光或其他光照射半导体 p-n 结时，由于两种类型的半导体材料
载流子浓度存在着浓度差，因此载流子要做扩散运动。此时就会在 p-n 结的两边
出现电压，叫光生电压。该电压使 p-n 结短路从而产生电流，简称为短路电流。
下面来具体解释一下该过程。电子从 n 区扩散到 p 区，空穴从 p 区扩散运动到 n
区。在 n 区，电子的离开留下了带正电的电离施主，没有了电子与其保持电中性，
因此，在 p-n 结的 n 区一侧出现了一个正电荷区。同理，在 p 区一侧出现了一个
由电离受主构成的负电荷区。在 p-n 结附近由电离施主和电离受主构成的区域成
为空间电荷区，也叫势垒区，如图 2-7 所示。
图 2-7 p-n 结示意图
这样在空间电荷区内产生了由正电荷指向负电荷即由 n区指向 p 区的内建电
场，如图 2-8 所示。在内建电场的作用下电子由 p 区向 n 区运动，空穴由 n 区向
p 区运动，形成了载流子的漂移运动。漂移运动和载流子的扩散运动刚好相反，
因此内建电场起到阻碍载流子扩散运动的作用。由于载流子的扩散运动内建电场

18
逐渐增强，漂移运动也随之增强。在无外加电压的情况下，载流子的扩散运动和
漂移运动相平衡时，即有多少的空穴由 p 区扩散到 n 区就有多少空穴由 n 区漂移
到 p 区。对于电子，情况一样。这样总的扩散电流和漂移电流大小相等方向相反，
总的电流为零。也就是说通过 p-n 结的净电流为零，这时就称为热平衡状态下的
p-n 结。
图2-8 太阳能电池能级图
当有能量为 hv 的太阳光照射到禁带宽度为 Eg(hυ≥Eg)的半导体材料时，就
有足够能量的光子能打断 n 型材料和 p 型材料中的共价键，从而产生了光生电子
-空穴对
[31]
。在内建电场的作用下光生电子由 p 区向 n 区运动，光生空穴由 n 区
向 p 区运动。通过 p-n 结界面层的分离光生电子和空穴分别在 n 区和 p 区形成了
电荷积累，这样在 p-n 结两边就产生了光生电动势，也叫光生电压。如果在两端
加上电极，再用导线连接起来通路中就有了电流，就叫光生电流。入射光的能量
越大界面层的面积越大，光生电流也就越大。若把几十个、数百个太阳能电池单
体串联、并连起来，组成太阳能电池组体，在太阳光的照射下，便可获得相当可
观的输出功率的电能。
2.4.3 太阳能电池的等效电路
为了清楚地描述太阳能电池的工作状态，通常用等效电路来模拟电池及负载。
假设在太阳能电池两端接一个电阻为 RL 的负载，则在工作状态下太阳能电池的
等效电路可以表示为图 2-9(a)所示。其等效电路相当于一个恒定的电流源和一
个正向的二极管并联。流过二极管的正向电流相当于在太阳能电池中所流过的暗
电流。等效电路图 1-6(a)是理想的太阳能电池。由太阳光照引起的光电流和太

19
阳能电池的暗电流方向相反。但是在实际的太阳能电池中，由于存在并联(泄露)
电阻 RSh(等效于电池的漏电和电池电极制作时形成的小裂纹和划痕等形成了金
属桥漏电)和串联电阻 RS(表示附加电阻)，它的等效电路如图 2-9(b)所示。
图 2-9 太阳能电池等效电路
（a）理想 p-n 结太阳电池的等效电路（b）实际 p-n 结太阳电池的等效电路
在图 2-9 等效电路中，输出电流 I 和输出电压 V 之间的关系可以表示为
)]([ jbk
Sh
L
ShS
Sh
VI
R
V
I
RR
R
I 


在上式中 Ibk 为暗电流，它是 p-n 结两边电压 Vj 的函数。而 Vj 和输出电压 V 之
间的关系为 Vj=V+IRs。光电流 IL 和太阳能电池接受到的太阳光的面积和强度有
关。当等效电路中的 RL 从 0 变化到∞时，太阳能电池的输出电压 V 由 0 变化到
VOC(即电路的开路电压)，同时输出的电流也跟随着变化，其大小由 ISC(即短路
电流)变化到 0。由此得出了太阳能电池电流随着电压而变化的输出特性曲线，
如图 2-10 所示，其横纵坐标分别表示电压和电流。输出特性曲线上的每一点都
代表一个工作点。每一点的横坐标和纵坐标的乘积，即输出电压和电流的乘积，
就是太阳能电池的输出功率。由图 2-10 可以看出太阳能电池的最大输出功率
P=IV 对应最大的矩形面积为 B。
图 2-10 中矩形面积 B 与 A即最大输出功率与(VOC×ISC)之比称为填充因数，
用 FF 来表示。通常我们用填充因数来表示太阳能电池输出特性的好坏，填充因
数越大表示太阳能电池的性能越优越。当光强一定时，填充因数愈大，曲线愈接
近正方形，则输出功率也就愈大。这个参数可以表示为：
SCOC
mm
SCOC
m
IV
IV
IV
P
FF 

20
在条件相同的情况下，光照强度在某一范围内，当入射光强减小时填充因数反而
随之增大。另外填充因子还和太阳能电池的串、并联电阻有关。当填充因数大于
0.7 时，表明太阳能电池的性能比较优良。
图 2-10 太阳能电池的输出特性
如前所述，太阳能电池一种将太阳能直接转化为电能的半导体器件，因而能
量转化效率(energy conversion efficiency)是太阳能电池另一个非常重要的一个参
数，它直接关系到太阳能电池性能的优劣。太阳能电池的能量转化效率是指电池
的输出功率与入射功率之比，也称为光电转换效率 ， 可以表示为：
%100
进入太阳电池的太阳能
太阳电池的输出功率

然而把此作为表示太阳能电池的“好坏指数”，使用时会有一些不方便，也就是
说，同样的太阳能电池如果输入光的光谱发生变化或者即使接收到同样的输入光
太阳能电池的负荷发生变化，那么输出的电功率就会变化，从而得到不同的效率
值。因此国际电气规格标准化委员会 IECTC-82(International Electrical Committee，
Technical Committee-82)对地面上应用的太阳能电池进行了规定：测试时采用通
过大气质量为 AMl.5 的模拟太阳光，输入的光功率为 100mW/cm2
，当改变负载
时最大的输出功率与其比值，用百分比表示，称为标称效率(nominal efficiency)，
一般列入太阳能电池商品目录的太阳能电池效率是指在此条件下测得的。

21
第三章 InGaN 电池 J-V 曲线的模拟研究
3.1 太阳能电池理论模拟的意义
太阳能电池作为一种将光能转化为电能的半导体器件，其转化效率的高低直
接影响了本身的价值。提高太阳能电池的转化效率最主要研究方向有以下两个：
一是太阳能电池吸收的太阳光子数量以及这些光子在电池内部是如何分布的；二
是太阳能电池由于吸收光子而产生电子一空穴对的输运和复合，以及在太阳能电
池的电极处所能收集到电子一空穴对的数目，这是和电池内部载流子的输运机理
而引起的光电转换特性相联系的。据此可以计算出太阳能电池的J-V曲线、量子
效率(QE)谱，以及它们和光照情况、半导体材料的性能以及太阳能电池结构的
关系。其中吸收太阳光是产生光电流的源头。而光电转换的基础是光生载流子在
电池内部是如何输运和收集的。因此，太阳能电池中光能是否有效利用以及材料
的性能、电池的结构都是影响太阳能电池转化效率极为重要的因素。
太阳能电池的转化效率及性能涉及到很多方面的因素。由于太阳能电池的性
能和制备过程中材料的性能、结构尺寸大小以及工艺条件都是相关的，因此在制
备过程中使这些参数进行优化处理相当困难，既耗时耗力也不容易得到理想的结
果。但是通过理论模拟预先认识和掌握各个参数之间的相互关系之后就容易找到
材料性能、制备工艺对太阳能电池转换效率及性能之间的关系和变化规律，由此
对太阳能电池的实际制备能够起到很好的指导作用。无论制作何种结构的太阳能
电池，原则上都可以先建立理论模型进行模拟计算。理论模拟计算对太阳能电池
的制作有预示性和指导性的作用。它能够预测影响太阳能电池转换效率的因素，
有利于选择合适的光伏材料，设计理想的太阳能电池结构，选择先进的工艺技术，
获得提高太阳能电池稳定性及转换效率的方法，这是太阳能电池模拟计算的主要
目的。
对太阳能电池器件的模拟已经有半个世纪的漫长历史，伴随着太阳能电池的
整个发展过程。对太阳能电池的理论模拟始于1955年的贝尔电话实验室，从1961
年第一次用于计算太阳能电池极限效率的理论模型开始，至今已经对不同光照条
件、不同半导体材料及太阳能电池结构进行了模拟计算，对太阳能电池的制作起
到了很好的理论指导意义。目前用于模拟计算的软件也在不断的开发中，其中应
用较为广泛的是美国宾夕法尼亚大学开发的AMPS程序、荷兰Delft大学开发的

22
ASA软件包以及德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所(Fraunhofer Institute for Solar
Energy Systems)开发的Afors-Het2.2等。这些软件都为太阳能电池的理论研究和
实际制作提供了很大的帮助。
建立理论模型的基础是通过描述器件物理参数的理论公式、太阳能电池所采
用的材料以及结构参数等。为了方便计算或者是计算的可行性，通常需要加入一
些假设条件进行某些简化处理。当然，理论模拟计算的正确与否还需要实验来进
一步验证。因此，模拟计算能够指导实验的进行，而实验又可以检验模拟结果的
正确与否。正是在理论模拟和不断实验的基础上，太阳能电池的转换效率不断得
到提高，而其制造成本在不断的下降。相信在将来随着实验条件和理论模拟水平
的进步，将会制造出转换效率更高、更加经济实用的太阳能电池，光伏发电将在
未来能源利用中占有举足轻重的地位。
3.2 AMPS 模拟软件
3.2.1 wxAMPS 软件简介
AMPS(Analysis of Microelectronic and Photonic Structures)模拟软件是由宾夕
法尼亚大学 Fonash 教授及其学生们在 1988 年开发的程序，它是一个用于分析微
电子和光电子器件的模拟软件，即模拟半导体器件中载流子的输运情况，图 3-1
即为 AMPS 模拟软件所用的一维器件结构示意图。所有的双端光电子器件，无
论是最简单的肖特基结构还是较为复杂的多层结构，只要把半导体各层的能带结
构和电子亲和势及态密度分布等参数正确地输入，就能把载流子的分布用方程表
示出来。该软件主要利用第一原理、连续性方程和泊松方程等方法分析半导体光
电子器件的载流子输运情况，至今仍在不断的完善升级之中，wxAMPS 就是由
美国 UIUC 与中国南开大学联合开发的 AMPS 的修订版。新修正的软件主要模
型理论同 AMPS 相同，均基于电流连续性方程和泊松方程的联立求解，区别是
在原有 AMPS 的物理基础上多加入了两种隧穿模型和一个新的结合了 Newton 算
法和 Gummel 算法的运算法则，增加了隧穿电流的部分（使其更适合异质结及其
界面），提高了精度和稳定性，同时使得软件的使用界面更加华丽、使用更加简
单、结果更加清晰。

23
隧穿模型公式如下：
kT
E
ET
kT
EE
JJ i
i
icETTunnel
i




)()
)0(
exp( )13( 
 
ix
icni dxExEm
h
ET
0
*
)))((2
4
exp()(

)0(min

 ci EEE )23( 
图 3-2 异质结的导带图
已知半导体内的一维泊松方程：
dx
xdEx
dx
xd
s
)()()(
2
2





)33( 
其中， )(x 为电场电势, )(xE 为电场大小， )(x 为电荷密度, s 为介电常数。
在稳态条件下载流子的分布遵循费米-狄拉克 (Fermi-Dirac)统计分布，可
以用一维的泊松方程式来表示空间电荷的一维空间分布
)]()()()()()([)
)(
)(( xnxpxNxNxnxpq
dx
xd
x
dx
d
ttAD  
 )43( 

24
)(xn 、 )(xp 分别表示自由载流子浓度； 
DN 、 
AN 分别代表电离施主和电离
受主浓度而 )(xnt 、 )(xpt 则表示受陷电子及受陷空穴浓度；式中 代表半导体层
中某一点的单位正电荷静电势的负值，而 dxd / 就可以表示相应位置电场强度
的大小。计算中所用 的值是半导体器件中每一点的真空能级（与电子亲和势或
功函数相联系)和器件后电极欧姆接触端的真空能级的差值，单位是 eV。
wxAMPS 程序对半导体器件进行直流模拟，在模拟过程中假设施主和受主
是完全电离的，也就是 DD NN 
， AA NN 
，此时 3-4 式中的各项可以表示为：
)()( 2/1
kT
EE
FNxn CF
c

 dEEfEgxn A
E
E
At
C
V
)()()( 
)()( 2/1
kT
EE
FNxp FV
v

 dEEfEgxp D
E
E
Dt
C
V
)()()(  )53( 
(3-5)式中的 Nc 为导带底有效态密度，Nv 为价带顶有效态密度；F1/2 表示费米积
分； )(EgA 、 )(EgD 分别是 CE 、 VE 之间的类受主定域态和类施主定域态的总分
布函数。 )(EfD 和 )(EfA 分别表示电子和空穴占居能量值为 E 的类施主定域态和
类受主定域态的分布概率。为了得到太阳能电池的 J-V 特性需要计算在有光照
条件下的电流输出。由载流子的输运理论计算，可以得出电子和空穴的电流密度，
其表示式分别为
))(()(
dx
dE
xnqxJ nF
nn  ))(()(
dx
dE
xpqxJ pF
pp  )63( 
式中 FnE 代表电子的准费米能级， FpE 代表空穴的准费米能级。另外还有半导体
的连续性方程，其中 )(xGOP 代表光生载流子的产生速率。
)()()(
1
xRxG
dx
dJ
q
OP
n
 )73( 
)()()(
1
xRxG
dx
dJ
q
OP
p
 )83( 
不过，仅有泊松方程式(3-4)和载流子的连续性方程式(3-7)、(3-8)在一般条件
下是无法求解的。要求出半导体器件中各参数的值，还必须加上一定的边界条件。

25
3.2.2 wxAMPS 界面及参数键入
程序界面如图所示：
图 3-3 程序开始界面
从左到右分别为光照环境设定、材料参数设定、程序运行按钮/模型选择与算法
精度设定、计算结果输出。
图 3-4 光照环境设定界面
其中 Temperature 为温度设定，Light 为光照设定，Sn0、Sp0 为表面复合速率，
RF 为反射率，Contacts 为接设定，Bias Voltages 为偏压设定。
图 3-5 材料参数设定界面

26
其中，Permittivity 为相对介电常数，Eg 为禁带宽度，Affinity 为亲合势，Nc、
Nv 为能态密度，un、up 为迁移率，Nd、Na 分别为 N 型和 P 型的掺杂浓度设定。
图 3-6 模型选择与算法精度设定界面
其中分上下两部分，上部分 Model 为两种隧穿模型的选择，下部分 Numerical
Parameters 为算法精度设定。
3.2.3 wxAMPS 软件模拟及参数选择
模拟计算时的光照条件就选用标准的 AM1.5G（ mcmmW 32.1~32.0,/100 2
）
太阳光谱。以目前对 InGaN 特性的研究现状来看，还并不很充分，各研究小组
得到 InGaN 的参数不是很统一，这就对 InGaN 的研究造成了诸多的不便，下面
就对模拟中用到的参数进行选取和总结。
通过对 GaN 和 InN 参数的线性拟合，可以获得 InGaN 的有效质量和相对介
电常数。GaN 和 InN 的有效电子质量分别为 0.2m0 和 0.11 m0，其中 m0 是电子
的静止质量。假设 x 为 InGaN 合金中 In 的组分，拟合得到 InGaN 合金的有效电
子质量为：
0)]1(2.011.0[ mxxme  )93( 
同理，可以得到 InGaN 合金的有效空穴质量为：
0)]1(5.165.1[ mxxmh  )103( 
参数拟合得到 InGaN 相对介电常数
[32,33]
为：
GaNInN xx  )1(  )113( 

27
其中， 3.15InN ， 5.9GaN ，它们分别为 InN 和 GaN 的介电常数。
假设 InGaN 的迁移率和 GaN 的迁移率
[34]
具有类似的形式：
i
ig
ii
ii
NN
N 


)/(1
)(
,
min,max,
min,


 )123( 
式中 i 可以取 e（代表电子）或者 h（代表空穴）；N 代表掺杂浓度；其它各量都
是与半导体材料相关的参数，如下表
表 3-1 InGaN 迁移率中的各参数值
载流子类型 )/( 2
max, sVcmi  )/( 2
min, sVcmi  )( 3
,

cmN ig i
电子 1000 55 17
102 1
空穴 170 3 17
103 2
J.Wu 等人在 2002 年得到 InGaN 合金的带宽与 In 组分的关系
[35-37]
，在温度
为 300K 时为：
)1(43.1)()()1()( xxInNxEGaNExInGaNE ggg  )133( 
式中 )(GaNEg 、 )(InNEg 分别是 GaN 和 InN 的禁带宽度，大小分别为 3.4eV 和
0.7eV。关于 NGaIn xx 1 禁带宽度与 In 分数 x 的关系见图 3-7。
通过式（3-13）可以得到 InGaN 的带宽，InGaN 合金的电子亲和势与其带
宽的关系式
[32]
为：
)]()([7.0)( InGaNEGaNEGaN gg   )143( 
式中 )(GaN 是 GaN 的电子亲和势，为 4.1eV。

28
图 3-7 NGaIn xx 1 禁带宽度与 In 组分 x 的关系
吸收系数对太阳能电池厚度的设计至关重要，但是目前为止仍然没有 InGaN
吸收系数的确切形式。目前存在两种比较普遍的吸收系数模型。一种为：
8.19)(61.9)(32.5)(9.14)(91.7 234
 gggg EEEEEEEE )153( 
式中 E 为光子能量， 为吸收系数，单位为 1
m 。另外一种吸收模型为：
ggg EEhcEE   /24.1102.2/102.2102.2 1555
)163( 
其中吸收系数的单位为
1
cm 。本文采用第二种模型。
通常情况下认为 InGaN 载流子的迁移率是和 GaN 相类似的。从 InN 和 GaN
含量的线性计算可以得出在温度为 300K 时导带有效态密度 )10( 318 
 cmNC 和价
带有效态密度 )10( 319 
 cmNV ：
)1(3.29.0 xxNC  )173( 
)1(8.13.5 xxNV  )183( 

29
根据上述各参量与 In 组分的关系可以计算出不同 In 组分下参量的取值,如
下表 3-2。
表 3-2 NGaIn xx 1 材料部分参数与 In 组分 x 的关系
In 组分 x Eg(eV)
亲和势
χ (eV)
相对介
电常数
ε
导带有效态密度
（10e18cm-3
）
价带有效态密度
（10e19cm-3
）
0 3.4000 4.10000 8.90 2.30 4.60
0.1 3.0013 4.37909 9.54 2.16 4.67
0.2 2.6312 4.63816 10.18 2.02 4.74
0.3 2.2897 4.87721 10.82 1.88 4.81
0.4 1.9768 5.09624 11.46 1.74 4.88
0.5 1.6925 5.29525 12.10 1.60 4.95
0.6 1.4368 5.47424 12.74 1.46 5.02
0.7 1.2097 5.63321 13.38 1.32 5.09
0.8 1.0112 5.77216 14.02 1.18 5.16
0.9 0.8413 5.89109 14.66 1.04 5.23
1 0.7000 5.99000 15.30 0.90 5.30
关于本次毕设进行模拟时所用的“光照环境”的设定和“模型选择与算法
精度”的设定如图 3-8、3-9 所示：
图 3-8 光照环境的设定

30
图 3-9 模型选择与算法精度的设定
3.3 InGaN 材料的参数设计
Shockley 和 Queisser 计算了 6000K 黑体辐射带宽为 1.1eV 的单结太阳能电
池，得到单结电池的极限效率为 31%
[38]
。极限效率主要由以下几种损失造成：能
量低于半导体带宽的光子不会被吸收，这部分损失会使单结硅电池的效率减小
23%；热能损失减小 38%；复合大约减小效率的 5%；反射和遮光损失 5%等。
单结太阳能电池分为同质结和异质结电池，当 p-InGaN 和 n-InGaN 中 In 的
组分一样，则 p 层和 n 层的带宽 Eg 相等，构成同质结电池；如果 In 组分不同，
则构成异质结太阳能电池。在上节中，我们已经对各个参数的计算或者模型有了
足够的了解，也选定了阳光来源为 AM1.5G 的太阳光谱。本节设计了最普通情
况下的单结同质结太阳电池，分别选取 pn 型结构和 pin 型结构并将 In 的组分选
为 0.65 进行模拟。
3.3.1 单结 pn 型 InGaN 模拟
设计 pn 型的理想化太阳电池模型为如图 3-10 所示：

31
图 3-10 InGaN 单结 pn 型太阳电池
考虑部分电离后最佳施主、受主浓度大约为 1×1017
cm-3
;施主电离能设为
10.8meV,受主电离能设为 90meV。p 区设为 130nm,n 区设为 270 nm。我们假
设受主能级(p 区)或施主能级(n 区)对电子和空穴具有相同的俘获截面: pe
pph   ， nnhne   ( ph 和pe 分别代表 p 区的受主能级对电子和空穴的俘
获截面, hne n 和分别代表 n 区的施主能级对电子和空穴的俘获截面)。取 x=
0.65，将其代入 3.2.3 中各方程,可以得到 In0.65Ga0.35N 中电子的电导有效质量为
0.14m0，空穴的电导有效质量为 1.17 m0;其它一些基本材料参数见下表 3-3：
表 3-3 NGaIn 35.065.0 单结 pn 型电池参数
Layer P N Layer P N
x 0.65 0.65 𝐍 𝐃（ × 𝟏𝟎 𝟏𝟕
𝐜𝐦−𝟑
） 0 5
Eg(eV) 1.32 1.32 𝐍 𝐀（ × 𝟏𝟎 𝟏𝟕
𝐜𝐦−𝟑
） 5 0
χ(eV) 5.56 5.56 𝛍 𝐧（𝐜𝐦 𝟐
𝐕−𝟏
𝐬−𝟏
） 325 325
𝐍 𝐜 × 𝟏𝟎 𝟏𝟖
𝐜𝐦−𝟑 1.39 1.39 𝛍 𝐩（𝐜𝐦 𝟐
𝐕−𝟏
𝐬−𝟏
） 47.21 47.21
𝐍 𝐯 × 𝟏𝟎 𝟏𝟗
𝐜𝐦−𝟑 4.075 4.075 D（nm） 130 270
𝛆 𝐫 13.13 13.13
将以上参数输入到 wxAMPS 软件，得到模拟结果如表 3-4 和图 3-9、3-10：
下表 3-4 为表示 J-V 关系的数据和电场分布的部分数据，图 3-11 为表示 J-V
关系的曲线，图 3-12 为表示电场分布的曲线：

32
表 3-4 pn 型单结太阳电池的 J-V 关系和电场分布的部分数据
voltage(V) current( 2
/cmmA ) voltage(V) current( 2
/cmmA )
0 28.1925 0.64 27.0695
0.05 28.126 0.66 26.9609
0.1 28.0574 0.68 26.7774
0.15 27.9867 0.7 26.4339
0.2 27.9136 0.72 25.7466
0.25 27.8379 0.74 24.3197
0.3 27.7595 0.76 21.2999
0.35 27.678 0.78 14.8487
0.4 27.5931 0.8 1.00434
0.42 27.5581 0.82 -28.7682
0.44 27.5225 0.84 -92.8512
0.46 27.4862 0.86 -230.828
0.48 27.4492 0.88 -527.904
0.5 27.4114 0.9 -1167.41
0.52 27.3727 0.92 -2543.58
0.54 27.3329 0.94 -5503.49
0.56 27.2915 0.96 -11864.8
0.58 27.2476 0.98 -25519.7
0.6 27.1994 1 -54777.8
position(um) field(v/cm)
0.128848 -270845
0.129486 -275341
0.13 -277538
0.13 -277537
0.130546 -275336

33
图 3-11 pn 型单结电池的 J-V 曲线图
图 3-12 pn 型单结电池的电场分布图

34
从图 3-11 中可以看出，开路电压为 0.9613V，短路电流为 34.6683 2
/cmmA ，
填充因子为 87.6454%，转换效率为 29.2099%。从图 3-12 可以看出在位置 0.1
和 0.2 之间的一点电场强度达到了极值，结合表 3-4 中截取的数据可以得出结论
在 0.13 位置上取得了极值-277538。
3.3.2 单结 pin 型 InGaN 模拟
基本情况与上小节基本类似，结构如图 3-13 所示：
图 3-13
由上图可以看出，本小节以 pin 结构的单结电池为原型进行模拟，部分参数
如表 3-5 所示：
表 3-5 NGaIn 35.065.0 单结 pin 型电池参数
Layer P I N Layer P I N
x 0.65 0.65 0.65 𝐍 𝐃（ × 𝟏𝟎 𝟏𝟕
𝐜𝐦−𝟑
） 0 0 10
Eg(eV) 1.31 1.31 1.31 𝐍 𝐀（ × 𝟏𝟎 𝟏𝟕
𝐜𝐦−𝟑
） 10 0 0
χ(eV) 5.56 5.56 5.56 𝛍 𝐧（𝐜𝐦 𝟐
𝐕−𝟏
𝐬−𝟏
） 685 685 685
𝐍 𝐜 × 𝟏𝟎 𝟏𝟖
𝐜𝐦−𝟑
1.3 1.3 1.3 𝛍 𝐩（𝐜𝐦 𝟐
𝐕−𝟏
𝐬−𝟏
） 153.3 153.3 153.3
𝐍 𝐯 × 𝟏𝟎 𝟏𝟗
𝐜𝐦−𝟑
5.06 5.06 5.06 D（nm） 130 10 270
𝛆 𝐫 13.27 13.27 13.27
将以上参数输入到wxAMPS软件，得到模拟结果如下表3-6及图3-14、3-15：

35
下表 3-6 为表示 J-V 关系的数据和电场分布的部分数据，图 3-14 为表示 J-V
关系的曲线，图 3-15 为表示电场分布的曲线：
表 3-6 pin 型单结太阳电池的 J-V 关系和电场分布的部分数据
voltage(V) current( 2
/cmmA ) voltage(V) current( 2
/cmmA )
0 23.7961 0.64 22.5734
0.05 23.7198 0.66 22.4278
0.1 23.6419 0.68 22.1637
0.15 23.5624 0.7 21.6445
0.2 23.4811 0.72 20.5754
0.25 23.398 0.74 18.3197
0.3 23.3129 0.76 13.5022
0.35 23.2256 0.78 3.15268
0.4 23.1359 0.8 -19.1397
0.42 23.0993 0.82 -67.2138
0.44 23.0622 0.84 -170.929
0.46 23.0247 0.86 -394.689
0.48 22.9865 0.88 -877.324
0.5 22.9478 0.9 -1917.94
0.52 22.9082 0.92 -4160.42
0.54 22.8676 0.94 -8989.52
0.56 22.8251 0.96 -19379.6
0.58 22.7795 0.98 -41707.8
0.6 22.7277 1 -89613.2
position(um) field(v/cm)
0.129486 -325701
0.13 -330048
0.135 -337701
0.14 -329829
0.140546 -325474

36
图 3-14 pin 型单结电池的 J-V 曲线图
图 3-15 pin 型单结电池的电场分布图

37
从图 3-14 中可以看出，开路电压为 0.9681V，短路电流为 40.7473 2
/cmmA ，
填充因子为 88.0843%，转换效率为 34.7474%。从图 3-15 可以看出在位置 0.1
和 0.2 之间的一点电场强度达到了极值，结合表 3-6 中截取的数据可以得出结论
在 0.135 位置上取得了极值-337701。

38
第四章相分离与极化诱导的模型建立
4.1 引言
4.1.1 相分离概述
相分离是描述三元合金（混晶，混合液）从一种均匀分布的混合态到一个空
间上分离的两相结构的变化。这种变化一般发生于当温度迅速下降至低于临界温
度或是组分发生变化的时候，这时混合物变得不均匀，并形成类似于条纹形状的
结构，或者改变了不同相间的组分。很多研究表明相分离的起因是 In-N 和 Ga-N
键长的 11%差别及 InN 在 InGaN 中的低溶解度，不受外应力作用时系统在能量上
趋向于形成 InN 团簇，但应力能抑制相分离，使得混溶隙在富 InN 区，降低 Tc
[16]
。
在不同的生长设备例如金属有机物化学气相沉积(MOCVD)
[39]
和分子束外延
(MBE)
[40]
等生长的 InGaN 中都观察到了明显的相分离现象。由于 InGaN 材料体
系中存在混溶隙而引起的相分离，致使得到的 InGaN 材料是两种或者多种不同
In 含量的 InGaN 的混合物，使得 InGaN 的带隙连续可控和生长更加困难。
4.1.2 极化效应概述
在Ⅲ-Ⅴ族氮化物元件中，不管是稼极性材料还是氮极性材料都存在极化效
应，该极化效应包括了自发极化和压电极化两种。自发极化是由纤锌矿结构在
[0001]方向的不对称性引起的，而压电极化产生的原因则是在异质结界面处，由
于不同材料之间彼此晶格不匹配产生应力，使得阴离子和阳离子的排列发生移动，
产生出极化电荷，称为压电效应。一般说来，Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体的压电系数
比传统的半导体高了一个数量级
[41]
。
4.1.3 InGaN 中的相分离及极化诱导
InGaN 的电子迁移率相对较低，存在明显的相分离，而极化效应也对器件内
的能带分布和电场分布有着较大的影响，这些都抑制了材料和器件的发展。而从
上可知，目前对 InGaN 中相分离的机制和对 InGaN 性质的影响还不完全清晰，
对极化效应的研究也尚不成熟，这正是设计本毕业设计的初衷。

39
4.2 相分离
4.2.1 相分离的热力学条件
不同的物质具有不同的特性，当两种物质互相混合时，会出现易混合和不易
混合两种情况。其中易混合的情况为这两种物质形成一个单一的、均匀分布的混
合物，比如酒精和水，在室温时它们可以以任意比例混合。相反地，不易混合的
情况指的是当置放于同一器皿中，这两种物质仍然互相分开，或者是可混合率很
低，分布不均匀，比如油和水，在室温时它们互不相溶。同样地，一种均匀分布
的混合物能够自发地或是在某种条件下（比如降低温度）分离成两种不同的物质，
这经常发生在液体中尤其溶液中。相似的过程也发生在Ⅲ族氮化物特别是 InGaN
中，InGaN 在某个组分范围内 In 的分布很均匀，而在另外的组分范围内 In 的分
布是不均匀的，有些区域是富 In 区，有些则是贫 In 区，甚至形成团簇现象，即
产生了 InN 相。有人从热力学方面解释了相分离的原因
[16]
并得出以下结论：混合
熵总使 mG 降低，混合焓则可能使 mG 增加或降低， mG 是否大于 0 由混合熵
和混合焓共同决定。当 0 mH 时，InGaN 系统是否会发生相分离同温度有关，
因此，就有必要了解临界温度。
4.2.2 InGaN 中相分离的形式
一般情况下，体材料 InGaN 中相分离的形式主要包括团聚、有序和分离成
两个或多个不同组分 InGaN 相。团聚的形式为 InGaN 中产生了 InN 团簇；有序
的形式为 InN 在 InGaN 中分布非常有规则，在实验上很难直接观测到有序分布，
还必须将实验结果进一步分析、转化才能判断；分离的形式则为 InGaN 生长后
得到不同组分的 InGaN 混合物，不仅含有原计划生长的主要组分，还含有至少
两种或两种以上不同组分的相。对于薄膜表面而言，在 InGaN 生长的过程中，In
原子在被结合前撞击在表面上，若生长速度较慢，则它们在表面上能够呆很长时
间，并弛豫相当大的距离（一般是几十纳米），从而寻找到较低能量的位置。假
如有驱动力时，例如在缺陷点处，则表面原子和碰撞原子的交换将可能会被激励。
由于In原子分离驱动力大，一个同体材料内部组分不同的薄层会流到生长表面。

40
最终 InGaN 体材料的平均组分虽然为期望值，但还却存在厚度大约一个分子尺
度的高 In 组分表面层。若体内的组分较高，则表面组分值接近 1。对于 MOCVD
生长，表面 In 原子容易聚集在一起形成金属 In 滴，在这些 In 滴的周围若有 N
原子，则比较容易在局部形成了 InN 相；高温时 In-N 键不稳定，容易断开，有
利于形成 In 滴，以上两种机制相互牵制促进和影响，都可能导致了 InN 团簇的
形成，如图 4-1 所示。由于 MOCVD 生长 InGaN 是一个动态热力学非平衡过程，
易使合金的成分不均匀，若组分处于混溶隙内，则自发引起亚稳态分解而导致相
分离。
图 4-1 薄膜表面相分离的形式
4.2.3 相分离的模型建立
根据以上的分析可以知道相分离的本质可以简单总结为 In 的分布不均从而
导致的内部产生了一系列的变化，由于其发生机制十分复杂,本次毕设就从效果
上做以简单的模拟。以单结 pin 结构的电池为基础，假设其 i 层产生了横向的相
分离现象。因此中间原本为一层的均匀 NGaIn 35.065.0 材料被拆分为两层，分别为
NGaIn 4.06.0 和 NGaIn 3.07.0 。原本为 0.01um 厚度的中间层均等分配，新的两层各
为 0.005um。随 In 组分变化的其它量见第三章表 3-2。
具体模拟结果如下图 4-2、4-3：

41
图 4-2 相分离模型下的 pin 型单结电池的 J-V 曲线图(厚度分配 1:1；In 分配 6:7)
图 4-3 相分离模型下的 pin 型单结电池的电场分布图(厚度分配 1:1；In 分配 6:7)

42
为探寻中间层厚度分配与结果之间的关系，接下来我们分别对厚度分配为
0.001、0.009,0.002、0.008,0.003、0.007,0.004、0.006,0.006、0.004，0.007、
0.003，0.008、0.002,0.009、0.001（um）这八组数据进行模拟，得到的转化
效率如下表 4-1:
表 4-1 厚度比例与几个参数的关系
厚度比例
转化效率
（%）
开路电压
（V）
短路电流
( 2
/cmmA )
填充因子
（%）
1:9 15.1975 0.7827 23.8063 81.5630
2:8 15.1811 0.7827 23.8063 81.4709
3:7 15.1701 0.7828 23.8062 81.4085
4:6 15.1632 0.7828 23.8062 81.3691
5:5 15.1572 0.7828 23.8016 81.3507
6:4 15.1543 0.7828 23.8050 81.3232
7:3 15.1483 0.7828 23.8039 81.2960
8:2 15.1379 0.7828 23.8027 81.2469
9:1 15.1180 0.7827 23.8015 81.1499
从上表可以看出，随着高 In 部分厚度的减小转化效率也在不停的减小，随
之减小的还有填充因子，只不过这种减小的趋势并不是十分大。我们知道，如要
保持 In 的总组分为 0.65 不变必须使得两层厚度的比例为 1：1，所以在比较相分
离对理想电池的影响时只需要用 5:5 的厚度比例与之对比。上面关于厚度的分析
仅限于用作对相分离中其它因素对结果影响的分析数据。
接下来，为寻求 In 组分含量变化与转化效率的关系，我又模拟了将原本中
间为一层的 NGaIn 35.065.0 拆分为 NGaIn 5.05.0 和 NGaIn 2.08.0 的太阳电池以及拆分为
NGaIn 6.04.0 和 NGaIn 1.09.0 的太阳电池。在这两组模拟中，中间层都均等分配，新
的两层各为 0.005um。模拟结果如下图 4-4、4-5 和图 4-6、4-7：

43

44

45
表 4-2 In 比例与几个参数的关系
In 比例
转化效率
(%)
填充因子
(%)
电场极值
(V/cm)
极值取点
(um)
6:7 15.1572 81.3507 -337111 0.135
5:8 9.2265 77.1980 -466144 0.135
4:9 9.4608 78.1654 -509100 0.135
为了与原本理想情况下 In 组分为 0.65 的 pin 型电池的模拟结果相比，新拆
分的等厚度的两层 In 组分的平均值始终为 0.65。经过了对组分差距逐渐增大的
两组模拟不难看出，当 In 的组分由 6：7 变大为 5:8 时其转化效率有明显的降低，
但随着 In 组分的差距继续变大却没有明显的变小趋势了，转化效率的变化趋于
平缓。而电场分布的极值点的数值确是始终随着In组分差距的增大而越来越大。
4.3 极化效应
4.3.1 材料的极性
GaN、InN 材料及其它Ⅲ-Ⅴ族氮化物是有极性的。以 GaN 为例，极化时的
GaN 材料有两种，一种是镓极性的，一种是氮极性的。这两种材料虽然都是纤
锌矿结构的，但是物理性质，电学性质却有很大的区别。其中镓极性 GaN 材料
的外延层在晶体质量，欧姆接触性能等方面的性质都优于氮极性 GaN，所以目
前生产上主要也是生长稼极性 GaN。
极性材料中会存在极化效应，由此产生的极化电荷出现在异质界面处，所以
极性对 InGaN 材料的影响是较为明显的。极化电荷产生的极化电场会使能带发
生倾斜，进而影响外延材料的电学性质。InGaN 材料的极化特性有其有利的一面，
也有其不利的一面。有利的一面是利用 InGaN/GaN 异质结的极化电场可获得高
浓度的二维电子气;InGaN/GaN 超晶格中的极化电场被利用于提高 p 型 GaN 基
材料的掺杂效率。不利的一面是镓极性 GaN 通常极不易湿法腐蚀;量子阱结构中
的极化电场使电子、空穴在空间发生分离，降低量子阱的内量子效率。
对于异质结的影响已经有了一定的了解之后，本论文将研究在同质结界面的
极化效应对其的影响。

46
4.3.2 极化电场对器件性能的影响
GaN 基材料量子阱中，异质界面处的极化电荷将在量子阱的阱层和垒层分
别产生内建极化电场。Ⅲ-Ⅴ族 N 化物中的极化效应在量子阱结构中产生了很强
的内建电场，达到了 MV/cm 的数量级。纤锌矿的 GaN 和 InN 的自发和压电极
化比传统的Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ化合物高出 10 倍左右。该内建电场会使量子阱的能带
倾斜，产生周期性震荡。能带的震荡对依赖于量子阱结构的发光二极管以及激光
器都产生了很大的影响，包括影响器件的发光波长，载流子复合效率，以及发光
波长的稳定性等。当然，Ⅲ-Ⅴ族中的极化电场对器件性能的提高也可以扮演积
极的角色，就看人们如何加以利用了。
4.3.3 极化效应的模型建立
根据上述信息可以了解到极化效应产生在 pn 结的中间界面上，由于极化而
使得内电场增大，所以本文通过分别在 pn 结靠中间的位置增加一层杂质浓度变
大的界面从而模拟极化效应的结果。假设新加层的厚度分别为 0.02um，掺杂浓
度分别为 Na=5e18 3
cm ，Nd=0；Na=0，Nd=5e18 3
cm ，比以前大十倍。根据上
述参数模拟结果如下图 4-8、4-9：
图 4-8 极化效应模型下的 pn 型单结电池的 J-V 曲线图(厚度分配 1:1，大小 0.02um)

47
图 4-9 极化效应模型下的 pn 型单结电池的电场分布图(厚度分配 1:1，大小 0.02um)
为探寻厚度与转化效率和电场深度的关系，分别对厚度大小为 0.03um、
0.01um 和 0.005um 进行了模拟，此时的掺杂浓度为 5e18 3
cm ，对比结果如下
表 4-3：
表 4-3 厚度大小与几个参数的关系
厚度大小
（um）
转化效率
（%）
填充因子
（%）
电场极值
(V/cm)
极值取点
(um)
0.03 9.5567 78.5387 -909849 0.16
0.02 11.4915 76.3246 -907672 0.15
0.01 15.3278 72.0809 -799191 0.14
0.008 16.7119 76.9326 -718677 0.138
0.005 17.9639 81.0887 -569515 0.135
厚度越大代表极化强度越大，从上表可以看出，随着厚度不断减小其转化效
率越来越高；填充因子的变化是随着厚度增大先减小后增大；而电场取值的绝对
值则与厚度成正比关系。

48
接下来，从另一个角度观察极化效应对电池效率的影响，分别把掺杂浓度设
置为原本杂质浓度（5e17 3
cm ）的三倍、五倍、七倍进行探究，此时的厚度大
小为 0.02um。得到模拟结果如下表 4-4 所示：
表 4-4 掺杂浓度与几个参数的关系
掺杂浓度
（ 3
cm ）
转化效率
（%）
填充因子
（%）
电场极值
(V/cm)
极值取点
(um)
15e17(3 倍) 15.8582 76.5384 -472338 0.15
25e17(5 倍) 14.3426 75.5564 -629782 0.15
35e17(7 倍) 13.0497 76.0505 -754953 0.15
5e18(10 倍) 11.4915 76.3246 -907672 0.15
掺杂浓度越高表示极化强度越大，从上表可以看出，随着掺杂浓度的增大，
转化效率不断下降；填充因子先变小后变大；电场取值的绝对值越来越大。

49
第五章相分离与极化诱导模拟结果的分析与讨论
5.1 相分离对理想 pin 型太阳电池的影响
5.1.1 模拟结果对比
经过第三章对 pin 型太阳电池的模拟和第四章对相分离下 pin 型太阳电池的
模拟工作已经可以清楚地看出转化效率的不同，具体对比结果如下表 5-1：
表 5-1 理想 pin 与相分离下的 pin 参数对比
类型
转化效率
（%）
填充因子
（%）
电场极值
(V/cm)
极值取点
(um)
理想 pin 34.7474 88.0843 -337701 0.135
相分离下 pin 15.1572 81.3507 -337111 0.1325
从表 5-1 可以看出，相分离对理想电池 J-V 特性的影响是很明显的，转化效率
变小了高达一倍之多，而对电场分布的影响则不是很明显。
5.1.2 相分离对 J-V 特性和电场分布的影响和分析
将第三章和第四章中相对应的部分做对比不难发现，相分离使得开路电压由
0.9681V 变小为 0.7715V；使得短路电流由 40.7473 2
/cmmA 变为 15.6884
2
/cmmA 。
第四章中使用控制变量法对不同情况下的相分离也做了进一步探究。其中，
从表 4-1 的厚度比例与几个参数的关系中可以看出，随着高 In 部分厚度的减小
转化效率和填充因子都有着小幅度的减小。而由表 4-2 的 In 比例与几个参数的
关系又了解到随着新拆分的两层中 In 组分的差距变大，其转化效率有着先明显
降低，继而趋于平缓的变化规律。此时，电场分布的极值点的数值是始终随着 In
组分差距的增大而逐渐增大。事实上，In 组分差距越大代表了相分离的程度越严
重，也就是说在本次的毕设中我们得到了相分离对太阳电池转化效率有不利影响
的结论，应当想办法避免相分离现象的发生。

50
5.2 极化诱导对理想 pn 型太阳电池的影响
5.2.1 模拟结果对比
经过第三章对 pn型太阳电池的模拟和第四章对极化效应下 pn型太阳电池的
模拟工作已经可以清楚地看出转化效率的不同，具体对比结果如下表 5-2：
表 5-2 理想 pn 与极化效应下的 pn 参数对比
类型
转化效率
（%）
填充因子
（%）
电场极值
(V/cm)
极值取点
(um)
理想 pn 29.2099 87.6454 -277538 0.13
极化效应下 pn 11.4915 76.3246 -907672 0.15
从表 5-2 可以看出，极化效应对理想电池 J-V 特性的影响也是比较明显的，转
化效率不及原来一半。同时，对电场分布的影响非常大，极值取点的绝对值骤增。
5.2.2 极化诱导对 J-V 特性和电场分布的影响和分析
与 5.1.2 中所说类似的，将第三章和第四章中相对应的部分做以对比可看出
极化效应使得开路电压由 0.9613V 变小为 0.8109V；使得短路电流由 34.6683
2
/cmmA 变小为 18.5670 2
/cmmA 。
第四章中使用控制变量法对不同情况下的极化效应也做了进一步探究。其中，
从表 4-3 的厚度大小与几个参数的关系中得知，随着厚度不断减小其转化效率越
来越高，填充因子先减小后增大。而电场取值的绝对值则与厚度成正比关系。从
表 4-4 中掺杂浓度与几个参数的关系可以看出，随着掺杂浓度的增大，转化效率
不断下降；填充因子先变小后变大；电场取值的绝对值越来越大。事实上，厚度
越大代表着极化强度越大，掺杂浓度越高也表示极化强度越大。因此，我们可以
很容易的得出另一个结论，即极化诱导对于 InGaN 太阳电池的影响也是负面的，
再找到解决或利用此效应之前，应想办法将这种影响减到最小。

51
第六章总结与展望
本论文的主要工作是围绕 InGaN 太阳能电池展开的。利用 wxAMPS 软件对
InGaN 单结 pn 型和 pin 型太阳能电池进行了模拟计算；并模拟了相分离和极化
诱导下的 InGaN 单结太阳能电池。主要工作总结如下：
1、通过研究太阳能电池的背景明确了该课题的意义与可行性，详细介绍了
太阳能电池的发展概况与本论文研究对象 InGaN，一种新兴材料制作的太阳能电
池的发展近况。
2、介绍了半导体的特性和应用，对于半导体较重要的一些参数做了进一步
解释和说明，例如禁带宽度、载流子密度等。阐述了研究太阳能电池的主要参数
和性能指标。论文介绍了 InGaN 的性能以及优缺点。
3、通过阅读相关文献资料，给出了关于相分离和诱导效应发生原因的阐释，
并将其对太阳能电池影响进行了理论分析。建立了简单的模型，为后面用软件模
拟结果做准备工作。利用已知 InGaN 太阳能电池的禁带宽度和 In 组分的关系确
定固定组分的 InGaN 材料的性能参数，提供后面软件模拟时所需要的参数。
4、利用 wxAMPS 软件进行器模拟分析两种效应 NGaIn 35.065.0 太阳能电池的
性能影响，模拟并讨论了其 J-V 特性和响应度等特性，并与理想 InGaN 太阳能
电池进行对比，为提高太阳能性能提供了参考。
本次毕业设计的创新点在于采用了较新型的 InGaN 材料作为研究对象，利
用最新版本的 wxAMPS 模拟软件进行模拟，根据基本的相分离和极化诱导理论
构建了简单的模型。通过将 pin 型太阳电池的中间层（即 i 层）分为两层，使其
含有不同的 In 组分但使得总厚度和混合后的总 In 组分保持不变来模拟相分离对
其的影响。通过将 pn 型太阳电池的 p 层和 n 层的分界面分别增加一层含有高掺
杂浓度的薄层来模拟极化效应对其的影响。这样的分析方法虽然还很简陋，但已
经从一定的角度模拟出可供参考的结果，相信在以后的工作中会总结出更好的分
析方法去进一步完善所得结论。
太阳电池的发展不仅历史很悠久，其未来更充满了机遇与挑战。探索更高效、
更普遍的太阳电池之路，也因为一批批学者的前赴后继更是充满了希望。相信在
不久的将来，像 InGaN 太阳电池这样的清洁能源，一定可以作为可再生能源的
领军者，为人类造福。

52
参考文献
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