GaAs/InAs纳米线-量子点混合阵列大幅提升太阳能电池效率

摘要

本研究提出了一种GaAs/InAs纳米线-量子点(NW-QD)混合太阳能电池，将吸收光谱显著延伸至950 nm。通过在500 nm GaAs纳米线侧壁沉积五层InAs量子点，器件同时受益于光谱展宽和捕光效应。由此产生的功率转换效率(PCE)增益是传统薄膜电池的六倍以上，凸显了纳米线阵列在量子点太阳能电池性能中的优越作用。

背景

量子点(QD)长期被视为通过工程化有效带隙和将吸收延伸至次带隙区域来提升太阳能电池效率的有前途途径。当集成到有源区时，QD可形成中间带，使能量低于宿主带隙的光子也能产生光电流。然而，实现净效率提升需要大幅增加吸收——要么增加更多QD，要么增强其光学耦合，或两者兼顾。

近期突破涉及在垂直排列的纳米线(NW)侧壁上直接生长Stranski-Krastanov QD。这种混合方法提供两大协同优势：(1) NW几何结构允许高密度的多层QD；(2) 阵列固有的捕光能力放大了QD吸收。此类NW-QD混合结构可在廉价硅衬底上制备，适合规模化、高效光伏应用。虽然NW-QD混合结构的结构和光学性质已有充分记录，但其完整的光伏潜力尚未量化。

本文提出耦合光电模拟，评估GaAs/InAs NW-QD太阳能电池性能。器件采用径向p-i-n结，所有五层QD位于本征区。我们将NW阵列与等效薄膜结构对比，以隔离纳米线几何结构带来的优势。

方法

NW-QD混合结构采用Thomas Swan紧耦合淋浴头(CCS) MOCVD系统制备，使用三甲基镓、三甲基铟和砷化氢前驱体。在Au涂层GaAs衬底上形成催化剂后生长GaAs NW。后续温度升降和前驱体切换沉积第一层InAs QD壳层，随后生长GaAs间隔层。重复此序列在NW侧壁上形成五层同心QD层。

器件几何结构(图1a)由周期性GaAs/InAs NW组成，高度500 nm，半径100 nm，周期360 nm。p型壳层和n型核心掺杂浓度分别为3×10¹⁸ cm⁻³和1×10¹⁸ cm⁻³。QD层、润湿层(WL)和周围GaAs按2 nm厚度视为有效介质，采用体积加权折射率(式1)。

光学模拟采用3D-FDTD(Lumerical)，周期性边界条件，AM1.5G光谱离散为87个波长。所得载流子生成分布导入有限元器件求解器(Lumerical Device)，自洽求解载流子连续性方程和泊松方程，考虑辐射、Auger和肖克利-里德-霍尔复合。GaAs到WL的载流子捕获及随后向QD的弛豫用100 meV带偏建模，反映实验活化能。势垒迁移率分别为2500 cm²/Vs(电子)和150 cm²/Vs(空穴)，表面复合速度3000 cm/s。

结果与讨论

图3显示QD层显著增强450 nm以上吸收并将光谱延伸至950 nm。随着NW长度增加，QD在GaAs带隙以上的吸收优势减弱，因为体GaAs吸收变占主导。然而，在带隙以下，QD贡献随NW变长而增长，在876 nm和916 nm产生两个显著峰值——与有效介质吸收谱(图1c)一致。薄膜结构随厚度快速饱和；其较低的QD体积分数限制了吸收增益，尤其是在带隙以上。

光学生成图(图4)显示有效介质中产生的载流子多于GaAs中，确认QD吸收增强。短NW中载流子分布遍布结构，而长NW中载流子集中在顶部，长波长处的导模共振增强QD吸收。876 nm和916 nm处的电场分布显示与QD层强烈重叠，说明NW阵列的捕光优势。相比之下，薄膜生成分布明显较弱，凸显QD在平面器件中作用有限。

器件性能计算(图5)显示，引入QD使短路电流密度(J_sc)分别增加1.09 mA/cm²(短NW)和1.22 mA/cm²(长NW)，但开路电压(V_oc)分别降低0.017 V和0.021 V。因此整体效率提升分别为0.67%(短NW)和0.45%(长NW)。V_oc惩罚增加源于QD层辐射复合增加三个数量级(图5c)。相同QD负载下薄膜器件仅获0.11%效率增益，证实纳米线几何结构对利用QD吸收至关重要。

未来工作可通过优化QD尺寸、密度和空间分布缓解V_oc损失，潜在产生更高吸收系数和更好的载流子提取。但目前结果令人信服地证明NW-QD混合结构相较薄膜类比具有六倍优势，将其定位为下一代量子点光伏的有前途架构。

结论

我们展示了GaAs纳米线上的多层InAs QD将吸收延伸至950 nm，并使PCE相较薄膜设计提升六倍。虽然QD提升J_sc，但也引入额外复合降低V_oc；精细工程可平衡此权衡。GaAs/InAs NW-QD混合结构因此代表高效量子点太阳能电池的引人注目平台。

缩写

3D-FDTD:

三维有限差分时域

AsH₃:

砷化氢

CCS:

紧耦合淋浴头

I-V:

电流密度-电压

J_sc:

短路电流

MOCVD:

金属有机化学气相沉积

NWs:

纳米线

QDs:

量子点

S-K:

Stranski-Krastanov

SRH:

肖克利-里德-霍尔

TE:

横电

TM:

横磁

TMGa:

三甲基镓

TMIn:

三甲基铟

V_oc:

开路电压

WLs:

润湿层