具有全方位光管理能力的光阱結(jié)構(gòu)

張文杰， 王 軍， 王艷周， 吳宗豪， 李亞麗

(蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 蘭州 730000)

1引 言

近年來，隨著社會發(fā)展，環(huán)境污染和氣候變化問題日益凸顯，因此可再生清潔能源引起了極大的興趣. 在可再生清潔能源中，太陽能資源豐富、分布廣泛、對環(huán)境友好，是最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉? 當(dāng)前，晶硅(c-Si)太陽能電池占據(jù)了大部分太陽能電池市場[1-5]. 在太陽能電池中，光吸收能力對其光電轉(zhuǎn)換效率有著極大的影響，但由于硅是間接帶隙半導(dǎo)體，消光系數(shù)較低，不能對入射光充分吸收. 而砷化鎵(GaAs)作為一種典型的直接帶隙半導(dǎo)體，其消光系數(shù)高，并且少量的GaAs材料就可實現(xiàn)對入射光的充分吸收. 為了進(jìn)一步增加光吸收，同時減少材料的使用，可以通過設(shè)計不同的光管理結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，如：納米金字塔[6-8]、納米光柵[9-11]、納米線[12-14]等. Chen等人提出了由楔形納米墻陣列構(gòu)成的光管理結(jié)構(gòu)[15]，該結(jié)構(gòu)具有漸變的有效折射率，漸變的有效折射率起到了寬光譜的減反作用. 當(dāng)該結(jié)構(gòu)的有效厚度為500 nm時，光電流密度可以達(dá)到29.0 mA/cm2. 但是在斜入射情況下，楔形納米墻陣列的光吸收性能會出現(xiàn)衰減.

本文提出了一種基于砷化鎵(GaAs)的納米方形光阱陷光結(jié)構(gòu). 通過理論研究表明，在較寬的結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi)，該納米結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的光管理和光電轉(zhuǎn)換行為. 在AM 1.5G光照下，納米方形光阱結(jié)構(gòu)可以獲得29.51 mA/cm2的光電流密度，此時納米方形光阱結(jié)構(gòu)的有效厚度僅僅為407 nm，且在斜入射情況下，該結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出全方位的光管理能力. 當(dāng)少數(shù)載流子壽命為1.0×10-7s，表面復(fù)合速率為100 cm/s 時，可以獲得16.9%的光電轉(zhuǎn)換效率.

2器件物理模型

2.1結(jié)構(gòu)示意圖

GaAs納米光阱結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示. 結(jié)構(gòu)參數(shù)有光阱的高度H，內(nèi)邊長Win，外邊長Wout和厚度T. 其中T=(Wout-Win)÷2. 將襯底厚度Hsub設(shè)置為300 nm，周期P為兩個相鄰納米光阱結(jié)構(gòu)中心之間的距離，所以P=Wout. 該結(jié)構(gòu)的有效厚度Heff的計算公式為：

Heff=(Wout2-Win2)×H÷Wout2+Hsub

(1)

我們將結(jié)構(gòu)的占空比F定義為：

F=(Wout2-Win2)÷Wout2

(2)

光學(xué)模擬單元是圖1中由紅色外框所包圍的部分.

圖1 納米光阱結(jié)構(gòu)示意圖. Fig. 1 Schematic diagram of nano light trapping structure.

納米光阱結(jié)構(gòu)電學(xué)模擬示意圖如圖2所示. 單個電學(xué)模擬單元的長度是9.6 μm(x方向)，寬度為0.43 μm(y方向)，左側(cè)的灰色部分是頂部銀電極，長度為1 μm(x方向)，襯底底部的灰色是底部鋁電極，圖中的半導(dǎo)體的背景摻雜是濃度為1.0×1017cm-3的n型摻雜，頂部電極下是厚度為40 nm的n型重?fù)诫s，濃度為1.0×1018cm-3，底部電極上是厚度為200 nm的p型重?fù)诫s，濃度為1.0×1018cm-3.

圖2 納米光阱結(jié)構(gòu)電學(xué)模擬示意圖. Fig. 2 Schematic diagram of electrical simulation of nano light trapping structure.

2.2光電學(xué)模擬的數(shù)值計算方法

為了計算結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能，我們使用時域有限差分法(Finite-Difference Time -Domain,FDTD)求解麥克斯韋方程組(Maxwell's equations)，由于光阱結(jié)構(gòu)的對稱性和太陽光的非偏振特性，所以我們選擇兩個光源分別對相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的光阱結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，且這兩個光源沒有任何相位關(guān)系. 結(jié)構(gòu)的光學(xué)和電學(xué)特性取光源在兩個光源下相應(yīng)的結(jié)果的算術(shù)平均值. 在光學(xué)模擬中使用歸一化的光源，將光源放置在結(jié)構(gòu)上方，沿著z軸向下入射. 為了節(jié)省計算資源和時間，對于光學(xué)模擬單元，在x、y方向使用周期性邊界條件，z方向使用完美匹配層(Perfect Matching Layer, PML)邊界條件. 考慮到標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜和GaAs材料的帶隙，將入射光的波長設(shè)置為300 - 1000 nm.

計算光電流密度的公式為:

(3)

其中e是單位電荷量，IAM1.5(λ)為標(biāo)準(zhǔn)太陽能光譜，h為普朗克常量，A(λ)為結(jié)構(gòu)的吸收. 因為GaAs的禁帶寬度為1.42 eV，所以(3)式積分的范圍從300 到873.2 nm.

對于電學(xué)模擬，使用有限元方法求解漂移擴(kuò)散方程和泊松方程來得到器件的電學(xué)參數(shù)(開路電壓Voc、短路電流Jsc、填充因子FF以及轉(zhuǎn)換效率η等).

3結(jié)果與討論

3.1光學(xué)性質(zhì)

當(dāng)厚度T改變時，納米光阱結(jié)構(gòu)的有效厚度和占空比F都隨之變化，所以厚度T對納米光阱結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能有顯著的影響. 圖3是當(dāng)厚度T不同時，納米光阱結(jié)構(gòu)的吸收和反射光譜. 從圖3中可知，相比于2000 nm厚的平面GaAs結(jié)構(gòu)，納米光阱結(jié)構(gòu)的光吸收明顯增強(qiáng)，反射顯著減小. 當(dāng)改變T時，該納米光阱結(jié)構(gòu)的有效厚度和占空比都發(fā)生改變. 當(dāng)T較小時，隨著T的增大，該納米結(jié)構(gòu)的有效厚度增大，使得入射光的透射減小、光吸收增加，該結(jié)構(gòu)光管理性能有所提升，如圖3(a)，繼續(xù)增大T時，由于結(jié)構(gòu)的占空比增大，導(dǎo)致有效折射率增大，使得結(jié)構(gòu)與空氣之間的界面反射增加，如圖3(b)所示. 此時有效厚度的增加速度變慢，通過有效厚度增加引起的吸收增益小于通過反射增強(qiáng)引起的損耗. 因此，對T應(yīng)該選取合理的參數(shù)值，選取T為40 nm作為進(jìn)一步模擬計算的值.

圖3 GaAs納米結(jié)構(gòu)在不同厚度下的(a)吸收和(b)反射光譜，Win和H分別為300、1000 nm. Fig. 3 (a)Absorptions and (b)reflections of nano structure GaAs at different thicknesses, Win = 300 nm, H = 1000 nm.

與厚度T一樣，當(dāng)H和Win變化時，納米光阱結(jié)構(gòu)的有效厚度和占空比F都發(fā)生變化，圖4是光電流密度Jph隨著H和Win變化的等高線圖. 從圖4中可以看出，隨著Win的增大，光電流密度逐漸增大，這是因為當(dāng)Win尺寸較小時，納米光阱結(jié)構(gòu)的特征尺寸遠(yuǎn)小于入射光的波長，入射光忽略了光管理結(jié)構(gòu). 當(dāng)Win繼續(xù)增大，即結(jié)構(gòu)尺寸增大，結(jié)構(gòu)尺寸與入射光波長相近時，入射光的多種模式可以耦合到該結(jié)構(gòu)中，使得該結(jié)構(gòu)的光吸收增加，導(dǎo)致光電流密度增大. 但是當(dāng)Win進(jìn)一步增大時，結(jié)構(gòu)的有效厚度降低，從而使得光吸收減弱，光電流密度逐漸衰減. 當(dāng)Win保持不變時，隨著H的增加，結(jié)構(gòu)的有效厚度增加，而且光在結(jié)構(gòu)間的傳播路徑變長，增加了結(jié)構(gòu)的光吸收，致使光電流密度增大. 然而，隨著H越來越大，有效厚度增加的速度變慢，導(dǎo)致光電流密度增加的速率減慢. 從圖4中可以看出當(dāng)Win為400 nm時，光電流密度隨著H的變化速率最大. 當(dāng)H為800 nm、Win為350 nm時，光電流密度能達(dá)到29.41 mA/cm2，該尺寸對應(yīng)的有效厚度為407 nm，平均光吸收達(dá)到90 %以上.

圖4 Jph隨H和Win變化的等高線圖，T = 40 nm. Fig. 4 Contour plotting of Jph as a function of H and Win with T =40 nm.

為了研究納米光阱結(jié)構(gòu)的光管理機(jī)制，我們模擬了納米光阱結(jié)構(gòu)在AM1.5G光照下的光生載流子分布，納米光阱結(jié)構(gòu)的光生載流子分布如圖5所示. 由于該納米結(jié)構(gòu)的光散射作用，更多的光被散射至該納米結(jié)構(gòu)四周，并在該結(jié)構(gòu)頂部被吸收而產(chǎn)生光生載流子. 所以光生載流子主要集中分布在納米結(jié)構(gòu)頂部，其余位置載流子分布較為均勻，如圖5. 由于載流子主要集中在納米光阱頂部，所以在光阱的頂部具有更短的載流子收集長度，這意味著可以使用質(zhì)量較差的材料來制備器件，同時也表明表面復(fù)合對器件的性能影響較大.

圖5 AM 1.5G條件光照下，光生載流子分布圖，H = 800 nm、Win = 350 nm、T = 40 nm. Fig. 5 Photogenerated carrier distribution under AM 1.5G. H = 800 nm, Win = 350 nm, T = 40 nm.

由于一天中太陽光的周期性變化，所以斜入射條件下納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能異常重要. 因此，我們模擬了H為900 nm、Win為350 nm、T為40 nm情況下納米結(jié)構(gòu)在不同斜入射角下的吸收光譜，如圖6所示. 斜入射角θ分別為0、°30°和60°.

圖6 當(dāng)H、Win和T為800、350和40 nm時，斜入射角θ為0°、30°和60°時的吸收光譜. Fig. 6 Absorption spectra of light trapping structure with H, Win and T of 900, 350 and 40 nm, respectively, at the incident angles θ of 0°, 30°, and 60°.

從圖6中可以看出，當(dāng)斜入射角θ分別為0°、30°和60°時，其光電流密度分別為29.5、25.6和14.9 mA/cm2，當(dāng)外量子效率(External Quantum Efficiency, EQE)為100%時，納米結(jié)構(gòu)在斜入射角θ為0°、30°和60°時，對應(yīng)的光電流密度分別32.0、27.7和16.0 mA/cm2. 該納米結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出對入射光的全方位光管理能力.

3.2電學(xué)性質(zhì)

對于太陽能電池，影響其電學(xué)性能的主要是半導(dǎo)體材料的體復(fù)合及其表面復(fù)合. 其中體復(fù)合主要包含輻射復(fù)合、非平衡載流子復(fù)合(SRH)和俄歇復(fù)合. 在電學(xué)模擬中，我們主要考慮SRH和表面復(fù)合對器件電學(xué)性能的影響. 圖7是在不同復(fù)合條件下器件的J-V圖，從圖中可以看到體復(fù)合和表面復(fù)合都對器件的性能有一定的影響，主要的電池參數(shù)如表1所示.

圖7 當(dāng)Win = 350 nm、H = 1000 nm、T = 40 nm時，不同體復(fù)合和表面復(fù)合速率下的器件J-V特性曲線. Fig. 7 J-V characteristics for the structure with Win = 350 nm, H = 1000 nm, and T= 40 nm at different bulk recombination and surface recombination rates.

表1 納米光阱結(jié)構(gòu)在各項參數(shù)下的電學(xué)性能.

由于摻雜濃度為1.0×1017cm-3時，少數(shù)載流子壽命τ約為8.2×10-6s，所以將少數(shù)載流子壽命分別設(shè)置為1.0×10-6、1.0×10-7、1.0×10-8和1.0×10-9s進(jìn)行了模擬. 從表1中可以看出，在理想情況下，器件的短路電流密度Jsc為28.72 mA/cm2，η為18.45%. 而在光學(xué)模擬中，器件的Jph能達(dá)到29.67 mA/cm2. 與光學(xué)計算結(jié)果相比，電學(xué)計算的短路電流密度偏小，這主要是因為頂部電極底下有陰影部分，光學(xué)中計算光電流時并未考慮這部分吸收損失，但電學(xué)軟件會考慮這個因素. 當(dāng)少數(shù)載流子壽命τ=1.0×10-7s時，與理想情況的器件相比，器件的性能只下降了3.3%，隨著表面復(fù)合的增大，表面復(fù)合速率為100 cm/s 時，與少數(shù)載流子壽命為1.0×10-7s時的器件相比，器件的性能下降了5.6%，所以表面復(fù)合對器件性能的影響大于體復(fù)合的影響. 從表1中可以看出，當(dāng)少數(shù)載流子壽命小于等于1.0×10-8s時，器件的性能會大幅降低. 當(dāng)表面復(fù)合速率低于100 cm/s時，器件性能也出現(xiàn)了大幅降低，所以為了使器件達(dá)到一個合理的高水平光電轉(zhuǎn)換效率，必須對表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)拟g化，使其表面復(fù)合速率低于100 cm/s.

4結(jié) 論

本文提出了一種基于GaAs材料的具有全方位光管理能力的納米方形光阱結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi)都表現(xiàn)出了優(yōu)異的全向光管理能力. 通過電學(xué)模擬，可知表面復(fù)合速率對器件性能的影響大于體復(fù)合. 當(dāng)材料的少數(shù)載流子壽命大于等于10-7s，表面復(fù)合速率小于等于100 cm/s時，該器件具有合理的高光電轉(zhuǎn)換效率. 因此，在實際應(yīng)用中，可以通過表面鈍化手段來降低表面復(fù)合速率，進(jìn)而改善器件性能.