砷化镓量子点太阳电池及材料地研究现状.pdfVIP

砷化镓量子点太阳电池及材料的研究现状 李烨。涂洁 (可再生能源材料先进技术与制备教育部重点实验室、云南师范大学太阳能研究所，云南省 农村能源工程重点实验室，云南省昆明市一二一大街298号，650092) 摘要：在砷化镓太阳电池中引入量子点结构，可望在保持光电压的同时，提高光生电流。 本文介绍了目前砷化镓量子点太阳电池的研究现状，主要包括：量子点太阳电池理论分析、 量子点结构材料生长与性能表征、量子点太阳电池器件结构设计与制备技术三方面。此外， 在对目前研究中所存在的难点问题进行分析后，认为制备高质量的量子点结构材料以及优化 量子点太阳电池结构设计是目前获得高性能量子点电池的关键。 关键词：量子点；砷化镓太阳电池；材料生长；结构设计 0引言 近年来，随着纳米半导体材料和技术的发展，对低维量子限制系统，尤其是半导体量子 点的研究，已成为国际研究的前沿热点领域[1】。 随着纳米技术的发展，量子点太阳电池【2】也日益成为研究热点。2002年，美国国家可 再生能源实验室【3]提出：量子点太阳电池可以大大提高光电转换效率，产生较高的光生电 压或较高的光生电流。并提出了三种量子点太阳电池结构，分别是：(1)光电极量子点阵列， (2)敏化纳米晶Ti02量子点，(3)散布于电子．空穴导电混合体聚合物的量子点。 目前，两端式GaInP／InGaAs／Ge三结叠层太阳羧穗池不论工作在聚光或非聚光条件下， 都获得了最高的光电转换效率[4】【5】[6】。不过，该电池为电学串联结构，其总电流将受到子 电池最小电流的限制。通常情况下，中电池多为限制电池。为此，研究者开展了许多工作， 以期在保持电压的同时，提高其光电流。目前主要方法有：中电池采用渐变带隙结构；将中 电池设计为P．i-n结构，并在i层中嵌入多量子阱结构。后一种做法虽然理论上可提高光电 流，但实际生长过程中由于界面缺陷，导致光电压受到很大影响。 有研究表明，在砷化镓太阳电池中引入具有合适带隙的量子点结构，既可以使电池吸收 限红移，提高光生电流，又可以避免界面带来复合中心、确保电池的整体电压，可望获得更 高的转换效率。 1．半导体量子点的特性及其在太阳电池中的作用 1．1量子点的主要特性f71f81 量子点，又称“人造原子”，其载流子在三个维度上都受到势垒约束而不能自由运动。 其态密度分布为一系列类似于原子光谱的分立函数。量子点的主要特性有： 1)量子点结构的电子能量在三个维度上都是量子化的，量子化能级间距与该方向特征长度 的平方成反比。由于不同形状的量子点的限制势不同，可对量子点的态密度和电子本征能量 产生影响：同时，量子点尺寸又决定了量子点的能级间距。所以，对量子点形貌和尺寸的控 制是非常重要的。 2)由于量子点的尺寸可与电子的德布罗意波长相比拟，或者更小，所以在处理输运现象时 必须考虑电子的波动性。理论上应该可以发现量子干涉现象，即量子点系统具有量子叠加性、 相干性等类似于光的特性。 31存在库仑阻塞效应。即：如果一个量子点与其所有相关电极的电容之和足够小，这时只 要有一个电子进入量子点，引起系统增加的静电能就会远大于电子热运动能量，该静电能 将阻止随后的第二个电子进入同一个量子点。 1．2量子点在太阳电池中的作用 量子点具有狭窄的能谱和离散的线宽，应用于太阳电池中，将会产生以下作用[9】： 1)吸收系数增大 量子点限域效应使能隙随粒径变小而增大，所以量子点结构材料可实现太阳光的宽光谱 吸收。量子点尺度更小时，处于强限域区易形成激子，产生激子吸收带，随着粒径的减小， 吸收系数增加，激子的最低能量蓝移，也使其对光的吸收系数范围扩大。 2)带间跃迁，形成子带 量子点的光谱是由带间跃迁的一系列线谱组成，可以有多个带隙起作用，产生电子．空穴 对。 3)量子隧道效应与载流子的输运 电子在纳米尺度量子点空间中运动，当有序量子点阵列内的量子点尺寸与密度可控时， 量子隧道效应更显现，利于载流子运输。 2．量子点应用于GaAs太阳电池中的研究 以砷化镓为代表的ⅡI—V族化合物量子点太阳电池的研究，特别是以提高三结砷化镓太 阳电池效率为目标的研究尚在研究初期。有研究指I出[10】，采用有机金属气相外延(MOVPE) 技术在GaAs上采用S—K自组装模式生长的量子点，已达到光谱微调的目的，可望通过改善 电流匹配，提高三结砷化镓太阳电池的效率。 目前，GaAs量子点太阳电池的应用研究主要涉及三个方面：量子点太阳电池理论分析、 材