Nitride-based solar cells with different substrates

In this paper, we preparation of InGaN / GaN multiple quantum wells light-emitting diodes grown on silicon substrate. Another was the standard light-emitting diodes on sapphire substrates. In the solar characteristics, in the full-band illumination was observed light- emitting diode open-circuit voltage of the sapphire substrate is greater than the light-emitting diode on Si substrate. But in the short-circuit current, light-emitting diodes sapphire substrate than the light-emitting diode Si substrate was increased 2.3-fold. Speculated that the reason the substrate may direct the growth of GaN on Si, due to the difference in lattice constant, cause defects. and Si substrate had visible-wavelength absorption capabilities. Light-emitting diodes sapphire substrate with high open-circuit voltage characteristics, the fill factor of the sapphire substrate is filled with 81.19%, while the light-emitting diode silicon substrate is about 64.8%, in contrast, the sapphire substrate light-emitting diode efficiency slightly better than the Si substrate Light-emitting Diode.在本論文中，我們製備氮化銦鎵 / 氮化鎵多重量子井之發光二極體成長在矽基板上。另一個則為標準發光二極體在藍寶石基板。 在太陽能特性中，在照射全波段光源，觀察到藍寶石基板之發光二極體的開路電壓大於矽基板之發光二極體元件。但在短路電流上，藍寶石基板之發光二極體卻比矽基板之發光二極體增加2.3倍。推測原因可能為直接在矽基板上成長氮化鎵材料，由於晶格常數差異，造成缺陷。與矽基板本身在可見光波段的吸光特性。藍寶石基板之發光二極體具有高開路電壓特性，兩者填充效應數值藍寶石基板為81.19%，而矽基板之發光二極體為64.8%左右，相較之下，藍寶石基板之發光二極體效率略優於矽基板發光二極體。致謝詞 IV 摘要 I Abstract II 目錄 III 圖目錄 IV 表目錄 VI 第一章 序論 1 1-1 前言 1 1-2 Ⅲ-Ⅴ族半導體簡介 4 1-3 研究動機 6 第二章 原理與文獻回顧 7 2-1文獻回顧 7 2-2 太陽能電池 22 2-2-1太陽能電池的工作原理 22 2-2-2矽晶太陽能電池等效電路與電性 24 第三章 實驗方法與步驟 26 3-1 氮化鎵在矽基板試片之製備 26 3-2 氮化鎵試片在矽基板結構實驗流程示意圖 28 3-3 分析儀器 29 3-3-1電激發螢光光譜(EL) 29 3-3-2光激螢光系統(PL) 29 3-3-3 太陽能電池特性量測(Solar cell characteristic) 31 第四章 結果與討論 32 4-1 磊晶基板的特性 32 4-2光激螢光光譜分析 34 4-3氮化鎵光伏元件藍寶石基板與矽基板之太陽能特性分析 37 4-3-1氮化鎵光伏元件在藍寶石基板與矽基板之全波段太陽能特性分析 37 4-3-2氮化鎵光伏元件在藍寶石基板與矽基板之各波段太陽能特性分析 42 第五章 實驗結論 45 5-1結論 45 參考文獻 46 圖目錄 圖1-1 照明技術演進示意圖 2 圖1-2 LED上、中、下游產業結構 2 圖1-3 白光LED發光原理 3 圖1-4 Ⅲ-Ⅴ氮化物基材的半導體能隙與晶格常數的關係圖 4 圖2-1 XRD ω-2θ scan of the InGaN/GaN MQW solar cell grown on the Si substrate. 7 圖2-2 Normalized converion efficiencies (η) as a function of solar concentrations on Si and on sapphire.The absolute values of η at 1-sunonSi,Sapphire 8 圖2- 3 模擬聚光105X 基板表面溫度分布 (a)矽基板(b)藍寶石基板 8 圖2-4 (a) Top view SEM 影像。(b)垂直式太陽電池概要的結構圖 8 圖2-5 (a)聚焦太陽電池VOC與FF函數(b)聚焦太陽電池 PCE的函數 9 圖2-6 太陽電池多重量子井結構圖 9 圖2-7 不同質子照射通量的EQE 9 圖2-8 不同質子照射通量的Remaining factors of η and FF, Pmax, Isc and Voc 10 圖2-9 概要的元件結構圖 10 圖2-10 (a) 沿樣品半徑數個點代表EQE 光譜 (b) 沿樣品半徑數個點代表Jsc 11 圖2-11 (a)太陽電池InGaN/GaN 多重量子井概要地結構圖 (b) n-GaN / i-MQW / p-GaN TEM 影像堆疊圖(S4 in 表2) 11 圖2-12氮化銦鎵/氮化鎵多重量子井樣品光譜響應（S1-S4參考表2）。虛線對應於在GaN光譜截止 12 圖2-13 在一太陽 AM1.5G 等效照光下，電流密度-電壓特性(S1-S4參考表2) 12 圖2-14 (a)能帶圖與電場，GaN 膜厚為3、6、9、15nm (b)短路電流密度對阻擋層厚度關係圖 13 圖2-15 在無偏壓下，在樣品A、B、C外部量子效率與波長的關係圖 13 圖2-16 不同阻擋層厚度的氮化銦鎵/氮化鎵太陽電池的XRD 掃描圖(0002) (插圖為阻擋層厚度的FWHM寬度) 14 圖2-17 太陽電池多重量子井電致發光光譜(EL) (插圖為每阻擋層厚度函數的) 14 圖2-18 樣品A、B、C CTLM I-V 量測關係圖 14 圖2-19 太陽電池多重量子井在不同反向偏置電壓的EQE 變化圖。(插圖為樣品B、C在波長為360nm、425nm反向偏置電壓與EQE的相關性) 15 圖2-20 元件概要結構圖，包含接點與光學鍍膜 15 圖2-21 太陽電池30層多重量子井的電性圖(a)外部量子效率光譜(b)電流密度與光率密度-電壓特性 16 圖2-22 太陽電池多重量子井12氮化銦鎵/氮化鎵的結構圖 16 圖2-23 光電化學性能與氫氣產生實驗原理圖 17 圖2-24無照射與照射一太陽光下，電流密度與電壓關係圖。在照射一太陽光下 17 圖2-25 在照射模擬一太陽光下，相對氫氣產生的光電流對時間(t)的函數 17 圖2-26 能帶結構(a) MoS2/AlN vdW heterostructur (b) MoS2/GaN vdW heterostructure 18 圖2-27 透過混合密度函數理論(hybrid-DFT)計算能帶邊緣位置。虛線 18 圖2-28 水分解示意圖。以MoS2/AlN(GaN) vdW 異質結構作為光催化劑。其中VBM指最大的價帶，CBM指最小的導帶 18 圖2-29 針對MoS2, AlN, GaN monolayer, and MoS2/AlN and MoS2/GaN vdW heterostructures計算出光譜，其中，垂直的實線示出了在波長320nm處的位置。 19 圖2-30 (a)總的(b)MoS2/AlN vdW 異質結構的密度形態(DOS)(c)總的(d) MoS2/GaN vdW 異質結構的密度形態(DOS) 19 圖2-31 所製作的氮化銦鎵/氮化鎵太陽電池(a)典型前向發光設計(b)具有通孔蝕刻與布拉格反射鏡背向發光設計 20 圖2-32 典型前向與背向發光氮化銦鎵/氮化鎵太陽電池的J-V特性 20 圖2-33 以不同正向電流密度的發光顯微鏡影像:(a)-(c)為前向式(d)-(f)為背向式發光氮化銦鎵/氮化鎵太陽電池 20 圖2-34 以原型和優化布拉格反射鏡和鎳銀金屬的實驗與模擬背向發光J-V 特性 21 圖 2-35 太陽能電池之等效電路 25 圖3-1 氮化鎵標準試片製作流程 27 圖3-2 氮化鎵試片分別在藍寶石基板與矽基板結構 27 圖3-3變溫螢光光譜系統 30 圖3-4 太陽能電池特性量測 31 圖4-1 氮化銦鎵在藍寶石基板之變溫 Power Dependent PL關係 34 圖4-2 氮化銦鎵在藍寶石基板元件之反向偏壓下之光激螢光光譜分析 35 圖4-3氮化銦鎵在矽基板之變溫 Power Dependent PL關係 35 圖4-4 藍寶石基板在照射全波段波長及未照射全波段波長之I-V關係圖 38 圖4-5 矽基板在照射全波段波長及未照射全波段波長之I-V關係圖 38 圖4-6 藍寶石與矽基板太陽能特性量測照射全波段波長之I-V關係圖 39 圖4-7 藍寶石與矽基板太陽能特性照射全波段波長之Power關係圖 40 圖4-8 藍寶石基板OM圖 41 圖4-9 矽基板OM圖 41 圖4-10 藍寶石與矽基板太陽能特性量測照射各波段波長之Isc關係圖 43 圖4-11 藍寶石與矽基板太陽能特性量測照射各波段波長之Voc關係圖 43 圖4-12 藍寶石與矽基板太陽能特性照射各波段波長之填充因子關係圖 44 圖4-13 藍寶石與矽基板太陽能特性照射各波段波長之效率關係圖 44 表目錄 表2-1 Device characteristics of the MQW solar cell on the Si substrate measured under AM 1.5 G with different solar concentrations. 7 表2-2 多重量子井結構的結構特徵: In mole fraction in wells (x), number of MQWs, thicknesses of GaN barriers (dB), InGaN wells (dW), and Mg-doped GaN layer (dMg). Electrical performance in terms of open-circuit voltage (Voc), short-circuit current density (Jsc), fill factor (FF), and overall conversion efficiency(ƞ) 12 表2-3 背向發光氮化銦鎵/氮化鎵太陽電池元件參數 21 表4-1 藍寶石與矽之基板比較 33 實驗中並探討PL波常隨雷射功率變化，已瞭解光激發光波長之藍移量分析。分析資料列表如下: 36 表4-3 藍寶石與矽基板之Power Dependent PL 36 表4-3 藍寶石與矽基板太陽能特性量測照射全波段波長之電流及電壓數據 37 表4-4 藍寶石與矽基板太陽能特性量測照射全波段波長之Power數據 3