GaSb热光伏电池及其减反射层的研究

摘要

GaSb属于窄禁带Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，其禁带宽度为0.72eV，主要用于红外和近红外光纤、光敏器件、叠层电池下电池及热光伏发电。因为Ⅲ-Ⅴ族材料单晶生长技术的进步，促进了GaSb热光伏电池的研究。GaSb热光伏电池的光谱响应极好的与热红外发射体发出的波长匹配，因而GaSb被选作TPV发电系统的发电核心。国际上GaSb电池的研制已经取一定的成果，并正试图提高光电转化效率。而在我国，GaSb电池的研究刚起步。 本篇文章首先介绍了GaSb的基本物理特性和光伏电池的基本原理，并着重阐述了暗电流、开路电压及少子寿命对电池效率的影响。然后，通过理论分析，参考文献，在n型GaSb衬底上，利用选择性二次扩散工艺制作浅结重掺杂光伏电池。经过试验结果分析，优化工艺参数，并最终制作出光电转化效率超过6％(AM1.0，25℃)的GaSb热光伏电池。 本篇文章的另一个重点是制作高质量的GaSb减反射膜及表面织构化的研究。实验中分别采用传统的阳极氧化工艺制作同质阳极氧化膜和化学刻蚀法实现表面织构化。在阳极氧化工艺中，由于较高的电化学反应偏压严重影响阳极氧化膜的致密性和均匀性，也不利于制作器件，本实验通过添加弱酸来增加溶液中的导电离子数量，弥补降低反应偏压对反应速度的影响，同时，调整pH值也可以改变化学反应速度。根据阳极氧化膜表面形貌和电学特性曲线，最终选定适当的参数制作较理想的阳极氧化薄膜，并应用于GaSb热光伏电池。 采用化学刻蚀法刻蚀GaSb表面，形成适合做见反射层的表面织构。通过扫描电子显微镜观察表面形貌，再调整刻蚀液的成分和刻蚀时间，分别在P型和N型GaSb表面获得了规则的表面图形，并在HCl:HNO3:H2O(2:1:6)的混合溶液中刻蚀5分钟，得到了适合做减反射层的三角形表面形貌，三角形顶角为63oC，侧面由{111}面构成。

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英文文摘

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引 言

1 GaSb物理特性

1.1 GaSb结构特性

1.2热学特性

1.3 电子特性和电子传输特性

1.4光学特性

1.5缺陷和掺杂

2光伏电池基本理论

2.1 电学特性

2.1.1单色光光电流计算

2.1.2等效电路及I-V特性

2.1.2暗电流

2.1.3开路电压

2.2少子寿命

2.3 串联电阻、旁路电阻对电池I-V特性的影响

2.4太阳电池转化效率

3 GaSb表面阳极氧化和化学刻蚀

3.1 阳极氧化

3.1.1 GaSb阳极氧化原理及电学特性分析

3.1.2原子力显微镜(AFM)测量表面粗糙度

3.2 GaSb化学刻蚀

4 GaSb太阳电池制备

4.1 GaSb样品制备

4.1.1清洗与腐蚀

4.1.2 SiO2掩膜制备

4.1.3光刻

4.1.4刻蚀SiO2掩膜

4.2扩散原理及工艺

4.2.1 Zn扩散的微观机制

4.2.2理论拟合

4.2.3 内部量子效率与外部量子效率

4.2.4影响电池效率的因素

4.2.5实验工艺

4.3制作电极

4.4制作减反射膜

4.5 GaSb电池效率及结果讨论

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢