GaInSb单结热光伏电池的研究

【摘要】：热光伏技术(TPV)是把高温辐射源中的近红外能量通过热光伏电池直接转为电能的技术。由于热光伏系统充分利用能量及热源的多元化选择等优点,因此具有良好的发展前景及商业价值。对于热光伏技术的研究已经成为重中之重。至今,关于热光伏系统的研究焦点主要还是对新型电池材料的开发、器件结构的设计以及生长工艺的优化等方面。本论文主要从实验和理论仿真两个方面对热光伏电池进行研究:一方面应用LP-MOCVD技术生长Ga In Sb薄膜,探讨生长参数对薄膜表面样貌特性的影响;另一方面,应用Silvaco/Atlas软件仿真Ga In Sb热光伏电池,并探讨了器件参数和温度对电池性能的影响。通过研究得出以下结果:(1)使用LP-MOCVD方法在Ga Sb衬底上生长了GaxIn1-xSb三元合金,研究了生长参数对薄膜表面样貌的影响。优化获得光滑平整表面并且XRD衍射峰半高宽较小的GaxIn1-xSb外延层的生长温度为550oC、气相V/III比为1.5、TMIn/III比为0.1、反应室气压是100Pa。(2)仿真研究表明,在发射层的厚度是5μm,基层的厚度是0.2μm时,热光伏电池转换效率输出最大,随着有源区厚度进一步增加,电池性能随之下降;当发射层的掺杂浓度是3×1017cm-3,基层的掺杂浓度是1×1018cm-3时,电池效率最高,进一步提高掺杂浓度,电池的性能急剧变差。窗口层的厚度和掺杂浓度有个最佳值。此时窗口层的厚度为0.1μm,掺杂浓度为2×1019cm-3。背电场层主要起电场作用。热光伏电池具有负的温度特性,随着工作环境温度的提高,电池的输出功率将减少;随着辐射源温度的升高,光功率密度和光谱范围均增加,更加有利于提高电池的光电转换效率。在工作温度为300K,辐射源的温度为1473K,其中热光伏电池的面积设计为2400mm,仿真模拟该单结热光伏电池。其模拟结果:0.43ocV=V,26.18/scI=A cm,2maxP =1.95W/ cm, 7.35%celh = 。 【关键词】：金属有机化学气相沉积 GaInSb薄膜 Silvaco/Atlas GaInSb热光伏电池 计算机模拟
【学位授予单位】：东华理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 1 绪论8-14
• 1.1 热光伏技术概述8-11
• 1.2 基于锑化物的热光伏电池11-12
• 1.2.1 GaSb热光伏电池11
• 1.2.2 GaInAsSb/GaSb热光伏电池11-12
• 1.2.3 GaInSb/GaSb热光伏电池12
• 1.3 热光伏电池的应用价值及前景12-13
• 1.4 本论文主要研究工作13-14
• 2 GaInSb薄膜的MOCVD生长特性研究14-28
• 2.1 金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）技术概述14-16
• 2.1.1 MOCVD外延生长过程14-15
• 2.1.2 MOCVD技术应用优势15-16
• 2.2 MOCVD生长系统16-18
• 2.3 GaxIn1-xSb的MOCVD生长特性研究18-27
• 2.3.1 基本性质19-20
• 2.3.2 GaxIn1-xSb薄膜的制备20-23
• 2.3.3 GaxIn1-xSb薄膜表面形貌分析23-26
• 2.3.4 高质量GaxIn1-xSb薄膜的制备26-27
• 2.4 本章小结27-28
• 3 GaInSb热光伏电池模拟28-52
• 3.1 仿真软件Silvaco-TCAD简介28-30
• 3.2 模拟思路及方法30-32
• 3.3 器件结构及材料参数32-42
• 3.3.1 器件结构32-33
• 3.3.2 材料参数33-42
• 3.4 GaInSb/GaSb热光伏电池性能模拟42-50
• 3.4.1 有源区厚度及掺杂浓度对于热光伏电池性能的影响43-46
• 3.4.2 窗.层厚度及掺杂浓度对于热光伏电池性能的影响46
• 3.4.3 背电场层厚度及掺杂浓度对于热光伏电池性能的影响46-48
• 3.4.4 温度效应对于热光伏电池性能的影响48-50
• 3.5 GaInSb/GaSb热光伏电池优化50
• 3.6 本章小结50-52
• 4 研究总结和展望52-54
• 4.1 研究结论52-53
• 4.2 研究展望53-54
• 致谢54-56
• 参考文献56-57

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