具有全方位光管理能力的光阱結構

張文杰， 王 軍， 王艷周， 吳宗豪， 李亞麗

(蘭州大學物理科學與技術學院， 蘭州 730000)

1引 言

近年來，隨著社會發展，環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、對環境友好，是最具發展潛力的可再生能源. 當前，晶硅(c-Si)太陽能電池占據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換效率有著極大的影響，但由于硅是間接帶隙半導體，消光系數較低，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體，其消光系數高，并且少量的GaAs材料就可實現對入射光的充分吸收. 為了進一步增加光吸收，同時減少材料的使用，可以通過設計不同的光管理結構來實現，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成的光管理結構[15]，該結構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. 當該結構的有效厚度為500 nm時，光電流密度可以達到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構. 通過理論研究表明，在較寬的結構參數范圍內，該納米結構表現出良好的光管理和光電轉換行為. 在AM 1.5G光照下，納米方形光阱結構可以獲得29.51 mA/cm2的光電流密度，此時納米方形光阱結構的有效厚度僅僅為407 nm，且在斜入射情況下，該結構表現出全方位的光管理能力. 當少數載流子壽命為1.0×10-7s，表面復合速率為100 cm/s 時，可以獲得16.9%的光電轉換效率.

2器件物理模型

2.1結構示意圖

GaAs納米光阱結構示意圖如圖1所示. 結構參數有光阱的高度H，內邊長Win，外邊長Wout和厚度T. 其中T=(Wout-Win)÷2. 將襯底厚度Hsub設置為300 nm，周期P為兩個相鄰納米光阱結構中心之間的距離，所以P=Wout. 該結構的有效厚度Heff的計算公式為：

Heff=(Wout2-Win2)×H÷Wout2+Hsub

(1)

我們將結構的占空比F定義為：

F=(Wout2-Win2)÷Wout2

(2)

光學模擬單元是圖1中由紅色外框所包圍的部分.

圖1 納米光阱結構示意圖. Fig. 1 Schematic diagram of nano light trapping structure.

納米光阱結構電學模擬示意圖如圖2所示. 單個電學模擬單元的長度是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型重摻雜，濃度為1.0×1018cm-3，底部電極上是厚度為200 nm的p型重摻雜，濃度為1.0×1018cm-3.

圖2 納米光阱結構電學模擬示意圖. Fig. 2 Schematic diagram of electrical simulation of nano light trapping structure.

2.2光電學模擬的數值計算方法

為了計算結構的光學性能，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)，由于光阱結構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構參數的光阱結構進行模擬，且這兩個光源沒有任何相位關系. 結構的光學和電學特性取光源在兩個光源下相應的結果的算術平均值. 在光學模擬中使用歸一化的光源，將光源放置在結構上方，沿著z軸向下入射. 為了節省計算資源和時間，對于光學模擬單元，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. 考慮到標準太陽光譜和GaAs材料的帶隙，將入射光的波長設置為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)為標準太陽能光譜，h為普朗克常量，A(λ)為結構的吸收. 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.

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

3結果與討論

3.1光學性質

當厚度T改變時，納米光阱結構的有效厚度和占空比F都隨之變化，所以厚度T對納米光阱結構的光學性能有顯著的影響. 圖3是當厚度T不同時，納米光阱結構的吸收和反射光譜. 從圖3中可知，相比于2000 nm厚的平面GaAs結構，納米光阱結構的光吸收明顯增強，反射顯著減小. 當改變T時，該納米光阱結構的有效厚度和占空比都發生改變. 當T較小時，隨著T的增大，該納米結構的有效厚度增大，使得入射光的透射減小、光吸收增加，該結構光管理性能有所提升，如圖3(a)，繼續增大T時，由于結構的占空比增大，導致有效折射率增大，使得結構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引起的損耗. 因此，對T應該選取合理的參數值，選取T為40 nm作為進一步模擬計算的值.

圖3 GaAs納米結構在不同厚度下的(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H和Win變化時，納米光阱結構的有效厚度和占空比F都發生變化，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Win尺寸較小時，納米光阱結構的特征尺寸遠小于入射光的波長，入射光忽略了光管理結構. 當Win繼續增大，即結構尺寸增大，結構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構中，使得該結構的光吸收增加，導致光電流密度增大. 但是當Win進一步增大時，結構的有效厚度降低，從而使得光吸收減弱，光電流密度逐漸衰減. 當Win保持不變時，隨著H的增加，結構的有效厚度增加，而且光在結構間的傳播路徑變長，增加了結構的光吸收，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，導致光電流密度增加的速率減慢. 從圖4中可以看出當Win為400 nm時，光電流密度隨著H的變化速率最大. 當H為800 nm、Win為350 nm時，光電流密度能達到29.41 mA/cm2，該尺寸對應的有效厚度為407 nm，平均光吸收達到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構的光管理機制，我們模擬了納米光阱結構在AM1.5G光照下的光生載流子分布，納米光阱結構的光生載流子分布如圖5所示. 由于該納米結構的光散射作用，更多的光被散射至該納米結構四周，并在該結構頂部被吸收而產生光生載流子. 所以光生載流子主要集中分布在納米結構頂部，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量較差的材料來制備器件，同時也表明表面復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構的光學性能異常重要. 因此，我們模擬了H為900 nm、Win為350 nm、T為40 nm情況下納米結構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，當外量子效率(External Quantum Efficiency, EQE)為100%時，納米結構在斜入射角θ為0°、30°和60°時，對應的光電流密度分別32.0、27.7和16.0 mA/cm2. 該納米結構表現出對入射光的全方位光管理能力.

3.2電學性質

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

圖7 當Win = 350 nm、H = 1000 nm、T = 40 nm時，不同體復合和表面復合速率下的器件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 納米光阱結構在各項參數下的電學性能.

由于摻雜濃度為1.0×1017cm-3時，少數載流子壽命τ約為8.2×10-6s，所以將少數載流子壽命分別設置為1.0×10-6、1.0×10-7、1.0×10-8和1.0×10-9s進行了模擬. 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%. 而在光學模擬中，器件的Jph能達到29.67 mA/cm2. 與光學計算結果相比，電學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，光學中計算光電流時并未考慮這部分吸收損失，但電學軟件會考慮這個因素. 當少數載流子壽命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%，隨著表面復合的增大，表面復合速率為100 cm/s 時，與少數載流子壽命為1.0×10-7s時的器件相比，器件的性能下降了5.6%，所以表面復合對器件性能的影響大于體復合的影響. 從表1中可以看出，當少數載流子壽命小于等于1.0×10-8s時，器件的性能會大幅降低. 當表面復合速率低于100 cm/s時，器件性能也出現了大幅降低，所以為了使器件達到一個合理的高水平光電轉換效率，必須對表面進行適當的鈍化，使其表面復合速率低于100 cm/s.

4結 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構，該結構在較大的結構參數范圍內都表現出了優異的全向光管理能力. 通過電學模擬，可知表面復合速率對器件性能的影響大于體復合. 當材料的少數載流子壽命大于等于10-7s，表面復合速率小于等于100 cm/s時，該器件具有合理的高光電轉換效率. 因此，在實際應用中，可以通過表面鈍化手段來降低表面復合速率，進而改善器件性能.