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基于GaAs太陽電池的納米球表面陣列

2020-01-10

 

GaAs半導體材料是一種重要的光電材料,由于它的直接帶隙和高載流子遷移率等優良特性,該材料通常用于制造高效太陽能電池。眾所周知,可以利用表面織構化減少表面反射來提高太陽能電池對光的吸收,從而提高電池的轉換效率。近年來,各種表面織構化用于高效太陽電池制作中,比如有蜂窩狀,金字塔形,倒金字塔形和V形溝槽結構。但是,這些方法不能應用于GaAs太陽能電池表面織構化。一方面與硅相比,其晶面在<001>表面上,不能自發產生表面錐體結構。另一方面GaAs表面復合較大,如果直接刻蝕表面,會引起較大的表面復合。另外,通過等離子等技術實現周期性表面陣列,會進一步增加了生產成本。因此,在GaAs太陽能電池的表面制作具有簡單,方便的減反射的表面織構化結構仍然是一個挑戰。我們發現可以通過自組裝方法在GaAs的表面材料沉積一層具有周期性結構的納米球陣列,基于納米球陣列對光的散射及衍射作用,可以明顯增加光子在電池內的傳播路徑。此外,納米球還可以根據需要易于改變幾何參數等優點,從而方便制作,并且該方法是構建二維周期性結構的最簡單方法之一。

在這項工作中,浙江工業大學信息工程學院彭銀生教授等對二維納米球表面陣列對GaAs太陽能電池特性影響進行了理論仿真和分析。研究發現納米球的材料,大小及分布是影響太陽能電池轉換效率的關鍵參數。結果表明,相鄰納米球(D)的距離對轉化效率影響很大,當D從0到1 μm變化時,轉化效率降低超過2%,最低轉換效率<18%,但當d>2 μm時幾乎保持不變,具有較差的制作容差性。納米球的半徑(R)表現出很好的制作容差性。例如對于D=0,納米球半徑在0.3 μm至1.2 μm非常寬的變化范圍內,效率變化不到1%,并且太陽能電池仍然表現出非常高的轉換效率(>20%)。我們還發現,在最佳折射率(n=2.1)附近,材料的選擇有很好的容差性,材料折射率在±24%的變化內,電池效率變化僅約0.2%。以上研究表明不需要高精度的加工設備,納米球陣列可以使用自組裝化學方法進行制作完成。本工作不僅可以應用于GaAs太陽電池上,也可以用于其它材料太陽電池上,對于制作各種太陽電池減反射膜具有一定的指導作用。

圖1 納米球陣列GaAs太陽電池原理圖

Nano-sphere surface arrays based on GaAs solar cells

Yinsheng Peng, Shufeng Gong, Kai Liu, Minghai Yao

J. Semicond. 2020, 41(1): 012701

doi: 10.1088/1674-4926/41/1/012701

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(來源:半導體學報公眾號)



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