Optoelectronic characterization and modeling of InGaN heterostructures for photovoltaic applications

Abstract

To shed light on some very crucial aspects regarding InGaN as a material system and explore its potential for novel photovoltaic applications, we will initially present a detailed study on the fundamental optical properties of InGaN alloys in the entire compositional range grown by MBE, since some of them were unknown up to now. The necessity for accurate knowledge of the composition dependent optical properties, such as the emission energy, the refractive index and the band gap, is of particular importance for the proper device design and realization not only for solar cells but also for any InGaN-based optoelectronic device. Next, we deal with another very important aspect regarding the efficient performance of InGaN-based optoelectronic devices which is oriented from the alloy compositional inhomogeneities, namely carrier localization. High In content alloys were studied for this purpose, and it was found that localization can be efficiently tuned by the proper selection of substrate temperature and growth environment. The correlation between growth kinetics and optical properties could paved the way to the on-demand growth of InGaN-based optoelectronic devices depending on application requirements.Until now, most of the research development on InGaN solar cells is based on the fundamental double-heterojunction design of III-nitride LEDs. In such configurations, the direction of polarization-induced electric field is against the built-in electric field of the junction due to the presence of polarization charges and, consequently, the efficient collection of photo-generated carriers is impeded. Here, the non-conventional p-side down design is theoretically studied in depth to explore its potential for high-efficiency InGaN-based photovoltaic devices. Also, a realistic device is proposed reaching conversion efficiency up to 14.5%, under AM 1.5G illumination, revealing the potential of InGaN single junction solar cells. The potential of InGaN alloys for low cost large area photovoltaic applications has been also investigated. Polycrystalline InxGa1-xN alloys were deposited on fused silica glass and their structural, optical and electrical properties upon increasing annealing temperature were studied in depth. Then, following the cost-effective large area scheme, the photovoltaic operation of two distinct InGaN/Si modules have been theoretically investigated, using realistic material parameters. It was found that the efficiency of a standard np-Si solar cell can be enhanced by ~30% by using a properly designed n-InGaN window layer. The conversion power efficiency from 15.05% can be boosted up to 19.55% employing the proposed n-InGaN/np-Si structure. Also, by adapting the optimized current-matched pn-InGaN/pn-Si tandem module, efficiency can be as high as 27.52%, highlighting that InGaN alloys have the potential to be strong competitors in the area of cost-effective solar cells.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στη διερεύνηση κάποιων πολύ σημαντικών τεχνολογικών ζητημάτων που αφορούν το ημιαγώγιμο σύστημα κραμάτων του Ινδίου–Γαλλίου-Αζώτου (InGaN) καθώς και στην δυναμική που επιδεικνύουν για καινοτόμες φωτοβολταϊκές εφαρμογές υψηλής απόδοσης. Στο πρώτο μέρος αυτής της διατριβής, παρουσιάζεται μια εις βάθος μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων των κραμάτων InGaN σε όλο το εύρος της σύστασης, τα οποία αναπτύχθηκαν με την μέθοδο επιταξίας με μοριακές δέσμες (MBE), καθώς κάποιες από αυτές ήταν άγνωστες μέχρι σήμερα. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε η συναρτησιακή εξάρτηση της ενέργειας εκπομπής από την στοιχειομετρία του κράματος καθώς και η αντίστοιχη του δείκτη διάθλασης και του ενεργειακού χάσματος. Ο ακριβής προσδιορισμός αυτής της εξάρτησης είναι εξαιρετικά σημαντικός για τον αποδοτικό σχεδιασμό και την κατασκευή όχι μόνο φωτοβολταϊκών κελιών αλλά οποιασδήποτε οπτοηλεκτρονικής διάταξης με βάση τα κράματα InGaN. Στη συνέχεια, μελετήθηκε διεξοδικά ένα ακόμα σημαντικό φαινόμενο που επηρεάζει την αποδοτική λειτουργία οπτοηλεκτρονικών διατάξεων με βάση τα κράματα InGaN, το οποίο δημιουργείτε λόγω των αναπόφευκτων διακυμάνσεων στη σύσταση και ονομάζεται εντοπισμός των φορέων φορτιού. Αυτή η μελέτη πραγματοποιήθηκε πάνω σε κράματα InGaN με υψηλό ποσοστό Ινδίου, τα οποία αναπτύχθηκαν με την μέθοδο MBE και βρέθηκε ότι ο εντοπισμός των φορέων μπορεί να ελεγχθεί κατά το δοκούν προσαρμόζοντας κατάλληλα την θερμοκρασία και το περιβάλλον ανάπτυξης. Έπειτα, παρουσιάζεται μια συστηματική θεωρητική μελέτη πάνω σε καινοτόμες φωτοβολταϊκές διατάξεις, οι οποίες δεν βασίζονται σε τυπικές δομές φωτοβολταϊκών κελιών p-GaN/i-InGaN/n-GaN αλλά σε δομές n-InGaN/p-GaN που έχουν σχεδιαστεί με αρχές μηχανικής πόλωσης. Με την σωστή σχεδίαση και την επιλογή των κατάλληλων χαρακτηριστικών, σε μια τέτοια δομή η απόδοση των φωτοβολταϊκών διατάξεων μπορεί να φτάσει έως 14.5 %, αποκαλύπτοντας έτσι την πραγματική δυναμική που έχουν τα φωτοβολταϊκα κελιά InGaN μονής διόδου. Επόμενο αντικείμενο μελέτης αποτέλεσε η διερεύνηση του υλικού για φωτοβολταϊκές εφαρμογές μεγάλης κλίμακας, χαμηλού κόστους. Πολυκρυσταλλικά υμένια InGaN εναποτέθηκαν για αυτόν τον σκοπό πάνω σε υποστρώματα τηγμένης σίλικας και οι δομικές, ηλεκτρικές και οπτικές τους ιδιότητες μελετήθηκαν εις βάθος σαν συνάρτηση την θερμοκρασίας ανόπτησης. Επίσης, μελετήθηκε θεωρητικά η φωτοβολταϊκή λειτουργία δυο διαφορετικών δομών InGaN/πυριτίου (Si). Βρέθηκε ότι η απόδοση ενός τυπικού φωτοβολταϊκού κελιού np-Si μπορεί να επαυξηθεί κατά περίπου 30%, αν σε μια τέτοια διάταξη προστεθεί ένα λεπτό στρώμα InGaN με τα κατάλληλα χαρακτηριστικά στην πάνω επιφάνεια της. Ακόμα, βρέθηκε ότι σε μια πολυστρωματική δομή pn-InGaN/pn-Si η απόδοση μπορεί να είναι φτάσει το 27.52%, επισημαίνοντας έτσι ότι τα κράματα InGaN έχουν την προοπτική να αποτελέσουν μια σημαντική εναλλακτική για φωτοβολταϊκά υψηλής απόδοσης, χαμηλού κόστους.