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High-Temperature Polarization-Free III-Nitride Solar Cells with Self-Cooling Effects
ACS Photonics ( IF 6.5 ) Pub Date : 2019-07-05 00:00:00 , DOI: 10.1021/acsphotonics.9b00655 Xuanqi Huang 1 , Wei Li 2 , Houqiang Fu 1 , Dongying Li 1 , Chaomin Zhang 1 , Hong Chen 1 , Yi Fang 1 , Kai Fu 1 , Steven P. DenBaars 3 , Shuji Nakamura 3 , Stephen M. Goodnick 1 , Cun-Zheng Ning 1 , Shanhui Fan 2 , Yuji Zhao 1
ACS Photonics ( IF 6.5 ) Pub Date : 2019-07-05 00:00:00 , DOI: 10.1021/acsphotonics.9b00655 Xuanqi Huang 1 , Wei Li 2 , Houqiang Fu 1 , Dongying Li 1 , Chaomin Zhang 1 , Hong Chen 1 , Yi Fang 1 , Kai Fu 1 , Steven P. DenBaars 3 , Shuji Nakamura 3 , Stephen M. Goodnick 1 , Cun-Zheng Ning 1 , Shanhui Fan 2 , Yuji Zhao 1
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High-temperature photovoltaics (PV) for terrestrial and extraterrestrial applications have presented demanding challenges for current solar cell materials, such as Si, III–V AlGaInP, and II–VI. Wide-bandgap III-nitride materials, in contrast, offer several intrinsic advantages that make them extremely appealing for high-temperature applications. In this study, we fabricated and characterized III-nitride solar cells using polarization-free (i.e., nonpolar) InGaN/GaN multiple quantum wells (MQWs). The InGaN solar cells showed a large working temperature range from room temperature (RT) to 450 °C, with positive temperature coefficients up to 350 °C. The peak external quantum efficiencies of the devices showed a 2.5-fold enhancement from RT (∼32%) to 450 °C (∼81%), which is distinct from all other solar cells ever reported. This can be partially attributed to an increase of over 70% in carrier lifetime in nonpolar InGaN MQWs obtained from time-resolved photoluminescence. Furthermore, a thermal radiation analysis revealed a unique self-cooling effect for III-nitride materials, which also helps enhance device performance at high temperature. These results offer new insights and strategies for the design and fabrication of high-efficiency high-temperature PV cells.
中文翻译：
具有自冷却作用的高温无极化III氮化物太阳能电池
用于陆地和地外应用的高温光伏（PV）对当前的太阳能电池材料（例如Si，III-V AlGaInP和II-VI）提出了严峻的挑战。相比之下，宽带隙III型氮化物材料具有一些固有的优势，这使其在高温应用中极具吸引力。在这项研究中，我们使用无极化（即非极性）的InGaN / GaN多量子阱（MQW）制作并表征了III族氮化物太阳能电池。InGaN太阳能电池的工作温度范围从室温（RT）到450°C，正温度系数高达350°C。器件的峰值外部量子效率显示出从RT（〜32％）到450°C（〜81％）的2.5倍增强，这与以往报道的所有其他太阳能电池均不同。这可以部分归因于通过时间分辨光致发光获得的非极性InGaN MQW的载流子寿命增加了70％以上。此外，热辐射分析表明，III族氮化物材料具有独特的自冷却效果，这也有助于提高高温下的器件性能。这些结果为高效高温光伏电池的设计和制造提供了新的见识和策略。
更新日期：2019-07-05
中文翻译：
具有自冷却作用的高温无极化III氮化物太阳能电池
用于陆地和地外应用的高温光伏（PV）对当前的太阳能电池材料（例如Si，III-V AlGaInP和II-VI）提出了严峻的挑战。相比之下，宽带隙III型氮化物材料具有一些固有的优势，这使其在高温应用中极具吸引力。在这项研究中，我们使用无极化（即非极性）的InGaN / GaN多量子阱（MQW）制作并表征了III族氮化物太阳能电池。InGaN太阳能电池的工作温度范围从室温（RT）到450°C，正温度系数高达350°C。器件的峰值外部量子效率显示出从RT（〜32％）到450°C（〜81％）的2.5倍增强，这与以往报道的所有其他太阳能电池均不同。这可以部分归因于通过时间分辨光致发光获得的非极性InGaN MQW的载流子寿命增加了70％以上。此外，热辐射分析表明，III族氮化物材料具有独特的自冷却效果，这也有助于提高高温下的器件性能。这些结果为高效高温光伏电池的设计和制造提供了新的见识和策略。
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