半导体纳米墙阵列的设计及光电学性能研究

摘要

光伏发电作为一种重要的清洁电力供给手段，其能量来源取之不尽、分布广泛且对环境友好，是最有应用前景的可再生能源发电技术之一。为了尽快实现光伏发电的普及，需要进一步提升光伏面板的性价比，除了对太阳电池的转换效率进行提升之外，通过减少活性材料的使用量和降低性能对材料质量的依赖来降低其成本依然有很大的空间。薄膜太阳电池被认为是未来最有前途的备选电池之一，相比于基于晶圆制备的太阳电池，其活性材料的使用量更少、载流子收集长度更短、对材料质量的依赖更低，并且可以使用玻璃、塑料、陶瓷等材料作为电池的基板。另外，薄膜太阳电池具有可挠性（指物体受力变形后，在作用力失去之后保持形变时的形状的能力），此特性使其可以被制成使用范围更广的非平面构造。本文提出了“U池”状纳米墙阵列（“U”形墙）和倒“U池”状纳米墙阵列（倒“U”形墙）两种陷光结构，并分别基于砷化镓（GaAs）和多晶硅（poly‐Si）材料对以上两种结构的光电学性能进行了研究。论文的主要内容如下：　　（1）基于GaAs和poly‐Si两种材料，分别研究了“U”形墙不同的衬底厚度T、宽度W和高度H对结构光学性能的影响，研究发现，对于GaAs材料，可以在很宽的结构尺寸范围内实现优异的光捕获性能。T=100nm，W=500nm，H=1000nm的纳米墙在只有315nm的有效厚度下依然能够产生29.0mA/cm2左右的光电流密度（Jph），此电流密度对应的平均光吸收率约为93.5％。相比于2000nm厚的平面GaAs太阳电池，在相同的光照条件下仅产生约19.8mA/cm2的Jph。电学模拟表明，器件的电学性能对体复合不敏感。由于结构的表面复合速率的量级大于102cm/s时其电学性能降低明显，因此，为了实现高的转换效率，需要对器件进行适当的表面钝化处理，将表面复合速率的量级降低到102cm/s以下，当载流子寿命和表面复合速率分别为10–4s和102cm/s时，预测器件的转换效率约为20.8%。由于结构具有优异的全方位光管理性能，即使在60°的大角度光源入射角情况下结构也能保持90%的光吸收。　　（2）研究了不同的衬底厚度T、宽度W和高度H对倒“U”形墙光电学性能的影响。相比于“U”形墙，倒“U”形墙反射光较强，但依然有很好的陷光性能。T=0nm，W=650nm，H=2000nm的纳米墙对应的有效厚度约为1570nm，在AM1.5G的光照条件下产生的光电流为28.9mA/cm2，相比于厚度为2000nm的平面GaAs太阳电池，光吸收提升了约30%。由于光生载流子主要分布在倒“U”形墙的顶部，而“U”形墙的底部以及衬底内部都有较多的载流子产生，因此，尽管不考虑任何复合情况时，两者的转换效率一致，但随着载流子寿命的降低，前者的电学性能降低得更快。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 薄膜太阳电池简介

1.3 光管理结构在太阳电池中的应用

1.4 本文主要研究工作

参考文献

第二章 纳米结构的光学特性与电学特性模拟方法

2.1 引言

2.2 时域有限差分法

2.2.1差商近似

2.2.2数值稳定性

2.2.3 吸收边界条件

2.3 光学仿真步骤

2.4 电学仿真基本原理

2.4.1 泊松方程和漂移扩散方程

2.4.2 电学仿真步骤

2.5 小结

参考文献

第三章 “U池”状纳米墙阵列光电性能研究

3.1 引言

3.2 结构与光电学参数

3.3 GaAs“U”形墙的光学性能

3.3.1 衬底厚度对“U”形墙光学性能的影响

3.3.2 宽度对“U”形墙的光学性能的影响

3.3.3 高度对“U”形墙光学性能的影响

3.3.4 GaAs“U”形墙的优化结构的光学性能

3.4 GaAs“U”形墙的电学性能

3.5 poly-Si“U”形墙的光学性能

3.5.1 衬底厚度对“U”形墙光学性能的影响

3.5.2 宽度对“U”形墙光学性能的影响

3.5.3 高度对“U”形墙光学性能的影响

3.5.4 poly-Si“U”形墙的优化结构的光学性能

3.6 poly-Si“U”形墙优化结构的电学性能

3.7 小结

参考文献

第四章 倒“U池”状纳米墙阵列的光电性能研究

4.1 引言

4.2 结构与光电学参数

4.3 GaAs倒“U”形墙的光学性能

4.3.1 衬底厚度对GaAs倒“U”形墙光学性能的影响

4.3.2 宽度对GaAs倒“U”形墙光学性能的影响

4.3.3 高度对GaAs倒“U”形墙对光学性能的影响

4.3.4 GaAs倒“U”形墙优化结构的光学性能

4.4 GaAs倒“U”形墙优化结构的电学性能

4.5 poly-Si倒“U”形墙的光学性能

4.5.1 衬底厚度对poly-Si倒“U”形墙的光学性能的影响

4.5.2 宽度对poly-Si倒“U”形墙的光学性能的影响

4.5.3 高度对poly-Si倒“U”形墙的光学性能的影响

4.5.4 poly-Si倒“U”形墙优化结构的光学性能

4.6 poly-Si倒“U”形墙优化结构的电学性能

4.7 小结

参考文献

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

在学期间的研究成果

致谢