半导体纳米/亚微米光管理结构的设计及性能研究

摘要

与传统电力相比，光伏发电偏低的性价比限制了其广泛应用。由于其优良的光、电学性能，半导体纳米/亚微米结构的开发与应用有望为实现高性价比光伏器件提供一种可能的解决方案。因此，开发具有高陷光性能、易于低成本规模化实现的半导体纳米/亚微米结构成为相关领域研究的热点。本文提出了半椭球/倒半椭球顶部修饰纳米线阵列结构，并运用时域有限差分法对不同尺寸的纳米线复合结构的光管理性能做了对比分析；鉴于复杂纳米结构相对困难的制备工艺，本文提出了结构更为简单的楔形墙纳米结构，并系统研究了其光学性能。本论文的主要研究内容如下：　　（1）分别采用砷化镓（gallium arsenide，GaAs）和多晶硅（polycrystalline silicon，poly-Si）两种半导体材料，对半椭球/倒半椭球顶部修饰纳米线结构的光管理机理进行了详细研究，并对其结构尺寸进行了优化。研究发现，顶部修饰物具有极其优异的光散射和减反射能力，使得顶部修饰纳米线结构在有限的有效厚度下具有优异的光吸收能力。相比单纯纳米线，复合纳米线结构的光电流得到了很大的提高。而且，顶部修饰物的高度在很大范围内变化时，复合纳米线结构都能产生较大的光电流，这意味着因工艺原因发生的起伏或偏离对结构光学性能只会造成微弱的影响，进而更容易实现高性价比器件的生产。例如，对周期、直径、高度分别为600、500、2000 nm的GaAs纳米线阵列，引入高度在500-2000 nm范围内的半椭球或倒半椭球修饰物后，在 AM 1.5G条件下能将光电流密度从无修饰纳米线的25.7 mA/cm2提升至29.9-31.2 mA/cm2（其材料有效厚度仅约840 nm）。进一步研究表明，这种结构即使在斜入射情况下仍具有优异的陷光性能。　　（2）通过对楔形墙纳米结构不同参数（楔形墙宽度和高度、衬底厚度、光源入射角等）与其光管理性能之间关系的研究发现，在很大的参数范围内，楔形墙结构都具有优异的光吸收性能，而有效厚度相比平面结构减少了很多。例如，对于楔形墙高度、宽度、衬底厚度分别为1000、500、0 nm的GaAs楔形墙结构，其有效厚度仅为500 nm，该结构在AM 1.5G光照条件下能产生29.0 mA/cm2的光电流密度；在60°大角度斜入射条件下仍能产生12.7 mA/cm2的光电流密度。基于优异的光管理性能和简单的几何结构，楔行墙纳米结构在高性能低成本的太阳电池或光电传感件中具有很大的应用前景。

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