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基于GaAs太阳电池的纳米球表面阵列

2020-01-10

 

GaAs半导体材料是一种重要的光电材料,由于它的直接带隙和高载流子迁移率等优良特性,该材料通常用于制造高效太阳能电池。众所周知,可以利用表面织构化减少表面反射来提高太阳能电池对光的吸收,从而提高电池的转换效率。近年来,各种表面织构化用于高效太阳电池制作中,比如有蜂窝状,金字塔形,倒金字塔形和V形沟槽结构。但是,这些方法不能应用于GaAs太阳能电池表面织构化。一方面与硅相比,其晶面在<001>表面上,不能自发产生表面锥体结构。另一方面GaAs表面复合较大,如果直接刻蚀表面,会引起较大的表面复合。另外,通过等离子等技术实现周期性表面阵列,会进一步增加了生产成本。因此,在GaAs太阳能电池的表面制作具有简单,方便的减反射的表面织构化结构仍然是一个挑战。我们发现可以通过自组装方法在GaAs的表面材料沉积一层具有周期性结构的纳米球阵列,基于纳米球阵列对光的散射及衍射作用,可以明显增加光子在电池内的传播路径。此外,纳米球还可以根据需要易于改变几何参数等优点,从而方便制作,并且该方法是构建二维周期性结构的最简单方法之一。

在这项工作中,浙江工业大学信息工程学院彭银生教授等对二维纳米球表面阵列对GaAs太阳能电池特性影响进行了理论仿真和分析。研究发现纳米球的材料,大小及分布是影响太阳能电池转换效率的关键参数。结果表明,相邻纳米球(D)的距离对转化效率影响很大,当D从0到1 μm变化时,转化效率降低超过2%,最低转换效率<18%,但当d>2 μm时几乎保持不变,具有较差的制作容差性。纳米球的半径(R)表现出很好的制作容差性。例如对于D=0,纳米球半径在0.3 μm至1.2 μm非常宽的变化范围内,效率变化不到1%,并且太阳能电池仍然表现出非常高的转换效率(>20%)。我们还发现,在最佳折射率(n=2.1)附近,材料的选择有很好的容差性,材料折射率在±24%的变化内,电池效率变化仅约0.2%。以上研究表明不需要高精度的加工设备,纳米球阵列可以使用自组装化学方法进行制作完成。本工作不仅可以应用于GaAs太阳电池上,也可以用于其它材料太阳电池上,对于制作各种太阳电池减反射膜具有一定的指导作用。

图1 纳米球阵列GaAs太阳电池原理图

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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(来源:半导体学报公众号)



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