InP纳米线阵列太阳能电池的研究

InP（磷化铟）纳米线阵列太阳能电池

物理1801王永谦 120181190104

大家好，我是物理1801王永谦，今天我要介绍的是InP纳米线阵列太阳能电池，将从以下5个方面展开。

首先是选题背景，与平面器件相比，基于纳米线阵列的光伏器件可以降低成本和材料消耗，但光吸收和载流子收集效率较低。

翻页以往的证据显示证明III-V 族纳米线光伏有3-5%的极限效率。基于纳米线的太阳能电池的效率常常受到光吸收的限制，特别是当纳米线亚波长尺寸时。在射线光学描述中，能够被吸收并转换为光电流的正常入射光的最大比例与活性材料的表面覆盖率成正比。翻页然而，基于波动光学的理论模型预测了直径小于200纳米的纳米线阵列的共振光捕获，这将允许只消耗一小部分材料就能产生光电流。实验研究仅限于具有大直径导线或高表面覆盖率的纳米线阵列。另一个限制是，表面的晶体通常有高密度的缺陷，这些缺陷作为潜在的复合中心，而纳米结构器件具有高的表面-体积比表面复合可以解释迄今为止在纳米线为基础的光伏电池中观察到的相对较低的开路电压。

接下来介绍主要的研究目标，目前正在研究下一代光伏(PV)架构，作为一种降低成本的方法(1)通过使用丰富的材料(2)改善光捕获(3)纳米线(NW)阵列可以大幅降低III-V族太阳能电池的材料消耗和生产成本，部分原因是它们可以在低成本的基片(如硅)上整体生长。

然后是研究方法和思路，我们选择InP，不仅是因为它的带隙为1.34 eV(等效为925 nm波长)，还因为它允许在纳米线生长期间用HCl进行就地蚀刻，以防止径向过度生长造成的短路。我们的太阳能电池中的InP 纳米线是用轴向(p-i-n)掺杂结构生长的，长度约为1.5 mm。我们使用纳米压印技术将金原子排列成阵列。使用不同尺寸和阵列间距的金原子，得到了不同的纳米线直径和阵列间距的样品。为了减少反射，我们使用湿蚀刻去除生长后的金属粒子，并定义了与硅氧化物绝缘层和透明导电氧化物(TCO)的顶部接触(7)。最后，通过光学光刻定义了1毫米× 1毫米的电池和金属接触垫。

下面展示一些图片：首先是金原子纳米线阵列结构和轴向inp结构生长，接下来是1×1毫米的电池和金属接触垫。以及各样品的各项数据表和其中最佳电池的效率图。

对比下来我们发现Inp纳米线阵列样品与其他InP光伏相比，其太阳能电池显示出非常好的性能我们最佳的电池显示转换效率n=13.8%，光电流密度为24.6 MA/cm。

研究的关键点在于电池的性能，主要受纳米线的直径和顶端n部分的长度。翻页，念完接这个。继续念实验上，我们还发现测量的平均光电流密度从14.0 mA/cm2提高到17.4 mA/cm2当将直径从130 nm增加到180 nm时，相同的n段生长时间为3 min。为了达到最高光电流密度（样品A），我们还缩短了n段，如下所述。对于180 nm直径，剩余7%的可用阳光（图2B中的红色区域）原则上可以通过增加纳米线长度来捕获。在这项工作中，我们选择保持长度尽可能恒定，以便研究其他参数。翻页，顶部n段的长度。3D模拟表明，在纳米线顶部附近出现了最强的光生载流子。由于高掺杂，预计顶部n段中的复合损耗较高。我们通过实验改变了n段生长时间（图3B），发现将标称n段长度从180（样品B）nm减少到60（A）nm，平均光电流密度增加了39%。相反，增加到360 nm（样品C）时，平均光电流密度降低34%。这三个样本也如图2B所示，表明n段长度的减少实际上增加了光电流密度更多直径从130纳米增加到180纳米。使用30 nm的n段，光电流降低，可能是因为一些稍短的纳米线没有正确接触。

翻页我们的结果表明，光线光学不适合描述光与这些亚波长结构的相互作用，因为光线光学图像中的最大光电流密度为4.2 mA/cm2（理论极限的12%，34.5 mA/cm2），几乎是我们最佳电池光电流密度的六倍。或者，使用纳米线横截面积对单个纳米线水平面进行假设计算，将得出实际不可能的效率高于100%。因此，在光线光学描述中，在纳米线之间传播的光在实验单元中被有效吸收。翻页为了更准确地研究NW太阳能电池中的光吸收，我们使用了全3D电磁光学模型（20）。通过比较记录电池中纳米线的计算吸收光谱及其测量的外部量子效率（EQE），证实了我们方法的有效性（图2A）。这两个光谱的值和总体趋势一致，尽管计算的吸收率大于整个光谱的测量外部量子效率。这种差异可归因于吸收模型未考虑任何载流子损耗。我们还显示了直径为130 nm的纳米线太阳能电池（样品D）（图2A中的蓝色实线）的测量外部量子效率，并注意到外部量子效率在带隙能量（波长为925 nm）以上缓慢增加。相对较弱的耦合导致长波光子弱吸收到这些小直径纳米线中（21）我们确定了影响太阳能电池性能的两个关键设计参数：纳米线直径和顶部n段的长度。

翻页，接下来是研究。。有以下四个，纳米线阵列太阳能电池13.8%的效率。尽管直径180 nm的InP 纳米线只覆盖了12%的表面，但它们提供了平面InP太阳能电池中获得的83%的光电流密度。此外，尽管我们纳米线光伏电池的表面体积比高约30倍，但其最高开路电压仍超过InP平面电池的记录。通过使用三维(3D)光学建模，我们提供了我们的高性能太阳能电池的起源，以及如何进一步改进的指导方针。翻页最后，我们评估我们设计的技术成熟度。我们在同一样品上制作了七个工作电池，并在单独的生长和加工批次中复现了类似的结果。在测量之前，最好的样品在环境空气中储存2个月，在一段时间内，旧样品的绝对效率退化小于0.5%6个月。这种设计应易于扩展到晶片大小的电池，并适用于类似的光电器件，如光电探测器。