InP（磷化銦）納米線陣列太陽(yáng)能電池

物理1801王永謙 120181190104

大家好，我是物理1801王永謙，今天我要介紹的是InP納米線陣列太陽(yáng)能電池，將從以下5個(gè)方面展開(kāi)。

首先是選題背景，與平面器件相比，基于納米線陣列的光伏器件可以降低成本和材料消耗，但光吸收和載流子收集效率較低。

翻頁(yè)以往的證據(jù)顯示證明III-V 族納米線光伏有3-5%的極限效率。基于納米線的太陽(yáng)能電池的效率常常受到光吸收的限制，特別是當(dāng)納米線亞波長(zhǎng)尺寸時(shí)。在射線光學(xué)描述中，能夠被吸收并轉(zhuǎn)換為光電流的正常入射光的最大比例與活性材料的表面覆蓋率成正比。翻頁(yè)然而，基于波動(dòng)光學(xué)的理論模型預(yù)測(cè)了直徑小于200納米的納米線陣列的共振光捕獲，這將允許只消耗一小部分材料就能產(chǎn)生光電流。實(shí)驗(yàn)研究?jī)H限于具有大直徑導(dǎo)線或高表面覆蓋率的納米線陣列。另一個(gè)限制是，表面的晶體通常有高密度的缺陷，這些缺陷作為潛在的復(fù)合中心，而納米結(jié)構(gòu)器件具有高的表面-體積比表面復(fù)合可以解釋迄今為止在納米線為基礎(chǔ)的光伏電池中觀察到的相對(duì)較低的開(kāi)路電壓。

接下來(lái)介紹主要的研究目標(biāo)，目前正在研究下一代光伏(PV)架構(gòu)，作為一種降低成本的方法(1)通過(guò)使用豐富的材料(2)改善光捕獲(3)納米線(NW)陣列可以大幅降低III-V族太陽(yáng)能電池的材料消耗和生產(chǎn)成本，部分原因是它們可以在低成本的基片(如硅)上整體生長(zhǎng)。

然后是研究方法和思路，我們選擇InP，不僅是因?yàn)樗膸稙?.34 eV(等效為925 nm波長(zhǎng))，還因?yàn)樗试S在納米線生長(zhǎng)期間用HCl進(jìn)行就地蝕刻，以防止徑向過(guò)度生長(zhǎng)造成的短路。我們的太陽(yáng)能電池中的InP 納米線是用軸向(p-i-n)摻雜結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的，長(zhǎng)度約為1.5 mm。我們使用納米壓印技術(shù)將金原子排列成陣列。使用不同尺寸和陣列間距的金原子，得到了不同的納米線直徑和陣列間距的樣品。為了減少反射，我們使用濕蝕刻去除生長(zhǎng)后的金屬粒子，并定義了與硅氧化物絕緣層和透明導(dǎo)電氧化物(TCO)的頂部接觸(7)。最后，通過(guò)光學(xué)光刻定義了1毫米× 1毫米的電池和金屬接觸墊。

下面展示一些圖片：首先是金原子納米線陣列結(jié)構(gòu)和軸向inp結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)，接下來(lái)是1×1毫米的電池和金屬接觸墊。以及各樣品的各項(xiàng)數(shù)據(jù)表和其中最佳電池的效率圖。

對(duì)比下來(lái)我們發(fā)現(xiàn)Inp納米線陣列樣品與其他InP光伏相比，其太陽(yáng)能電池顯示出非常好的性能我們最佳的電池顯示轉(zhuǎn)換效率n=13.8%，光電流密度為24.6 MA/cm。

研究的關(guān)鍵點(diǎn)在于電池的性能，主要受納米線的直徑和頂端n部分的長(zhǎng)度。翻頁(yè)，念完接這個(gè)。繼續(xù)念實(shí)驗(yàn)上，我們還發(fā)現(xiàn)測(cè)量的平均光電流密度從14.0 mA/cm2提高到17.4 mA/cm2當(dāng)將直徑從130 nm增加到180 nm時(shí)，相同的n段生長(zhǎng)時(shí)間為3 min。為了達(dá)到最高光電流密度（樣品A），我們還縮短了n段，如下所述。對(duì)于180 nm直徑，剩余7%的可用陽(yáng)光（圖2B中的紅色區(qū)域）原則上可以通過(guò)增加納米線長(zhǎng)度來(lái)捕獲。在這項(xiàng)工作中，我們選擇保持長(zhǎng)度盡可能恒定，以便研究其他參數(shù)。翻頁(yè)，頂部n段的長(zhǎng)度。3D模擬表明，在納米線頂部附近出現(xiàn)了最強(qiáng)的光生載流子。由于高摻雜，預(yù)計(jì)頂部n段中的復(fù)合損耗較高。我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)改變了n段生長(zhǎng)時(shí)間（圖3B），發(fā)現(xiàn)將標(biāo)稱n段長(zhǎng)度從180（樣品B）nm減少到60（A）nm，平均光電流密度增加了39%。相反，增加到360 nm（樣品C）時(shí)，平均光電流密度降低34%。這三個(gè)樣本也如圖2B所示，表明n段長(zhǎng)度的減少實(shí)際上增加了光電流密度更多直徑從130納米增加到180納米。使用30 nm的n段，光電流降低，可能是因?yàn)橐恍┥远痰募{米線沒(méi)有正確接觸。

翻頁(yè)我們的結(jié)果表明，光線光學(xué)不適合描述光與這些亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的相互作用，因?yàn)楣饩€光學(xué)圖像中的最大光電流密度為4.2 mA/cm2（理論極限的12%，34.5 mA/cm2），幾乎是我們最佳電池光電流密度的六倍。或者，使用納米線橫截面積對(duì)單個(gè)納米線水平面進(jìn)行假設(shè)計(jì)算，將得出實(shí)際不可能的效率高于100%。因此，在光線光學(xué)描述中，在納米線之間傳播的光在實(shí)驗(yàn)單元中被有效吸收。翻頁(yè)為了更準(zhǔn)確地研究NW太陽(yáng)能電池中的光吸收，我們使用了全3D電磁光學(xué)模型（20）。通過(guò)比較記錄電池中納米線的計(jì)算吸收光譜及其測(cè)量的外部量子效率（EQE），證實(shí)了我們方法的有效性（圖2A）。這兩個(gè)光譜的值和總體趨勢(shì)一致，盡管計(jì)算的吸收率大于整個(gè)光譜的測(cè)量外部量子效率。這種差異可歸因于吸收模型未考慮任何載流子損耗。我們還顯示了直徑為130 nm的納米線太陽(yáng)能電池（樣品D）（圖2A中的藍(lán)色實(shí)線）的測(cè)量外部量子效率，并注意到外部量子效率在帶隙能量（波長(zhǎng)為925 nm）以上緩慢增加。相對(duì)較弱的耦合導(dǎo)致長(zhǎng)波光子弱吸收到這些小直徑納米線中（21）我們確定了影響太陽(yáng)能電池性能的兩個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)：納米線直徑和頂部n段的長(zhǎng)度。

翻頁(yè)，接下來(lái)是研究。。有以下四個(gè)，納米線陣列太陽(yáng)能電池13.8%的效率。盡管直徑180 nm的InP 納米線只覆蓋了12%的表面，但它們提供了平面InP太陽(yáng)能電池中獲得的83%的光電流密度。此外，盡管我們納米線光伏電池的表面體積比高約30倍，但其最高開(kāi)路電壓仍超過(guò)InP平面電池的記錄。通過(guò)使用三維(3D)光學(xué)建模，我們提供了我們的高性能太陽(yáng)能電池的起源，以及如何進(jìn)一步改進(jìn)的指導(dǎo)方針。翻頁(yè)最后，我們?cè)u(píng)估我們?cè)O(shè)計(jì)的技術(shù)成熟度。我們?cè)谕粯悠飞现谱髁似邆€(gè)工作電池，并在單獨(dú)的生長(zhǎng)和加工批次中復(fù)現(xiàn)了類似的結(jié)果。在測(cè)量之前，最好的樣品在環(huán)境空氣中儲(chǔ)存2個(gè)月，在一段時(shí)間內(nèi)，舊樣品的絕對(duì)效率退化小于0.5%6個(gè)月。這種設(shè)計(jì)應(yīng)易于擴(kuò)展到晶片大小的電池，并適用于類似的光電器件，如光電探測(cè)器。