使用 AlGaAs/GaAs 异质结优化 GaAs 纳米线引脚结阵列太阳能电池

背景

GaAs 纳米线 (NW) 已被认为是高效太阳能电池的潜在构建块 [1,2,3]。 GaAs 的带隙为 1.43 eV，比 Si 更有利于最大限度地提高太阳能电池的效率 [4]。具有轴向 pn 结的 GaAs NW 阵列已实现 15.3% 的效率 [5]。然而，由于 GaAs NW 太阳能电池总是遭受严重的表面复合，因此需要表面钝化才能获得令人满意的性能 [6, 7]。 GaAs NW 钝化的常用方法是在 NW 周围形成 AlGaAs 壳层，这为整个结构中的电子和空穴创造了很大的势垒，防止少数载流子在表面复合 [5, 8, 9]。

除了表面钝化外，增强有源区的光吸收也是提高转换效率的有效方法，有利于电子-空穴的分离。对于具有 pn 结的 NW 太阳能电池，通过将结放置在产生最多载流子的位置附近可以实现优化的效率 [10,11,12]，而对于 pin 结太阳能电池，如果载流子更多，则可以实现更高的效率可以在本征区域中生成 [13,14,15,16,17]。此外，通过抑制触点附近区域的光生成，可以减少扩散到触点中的光生少数载流子的数量 [14, 17]。有许多方法可以增强有源区的光吸收，例如调整结位置或长度 [13, 14]，采用倾斜的 NW [15]，用金属颗粒装饰有源区 [16]，或制造重掺杂区高带隙材料 [17]。对于 GaAs NW 太阳能电池，使用 AlGaAs 壳作为钝化层已被广泛报道。然而，AlGaAs/GaAs异质结构将光生载流子限制在有源区的能力却很少受到关注。

在本文中，我们通过采用 AlGaAs/GaAs 异质结优化了 GaAs NW pin 结阵列太阳能电池的性能。已经研究了轴向和径向连接。在 AlGaAs/GaAs pin 异质结结构中，AlGaAs 用于轴向结的 p 型顶部部分和径向结的 p 型外壳。由于 AlGaAs 的吸收系数相对较低，因此在 p 区产生的光载流子较少。因此，更多的光载流子集中在 i 区。因此，可以抑制高掺杂浓度引起的复合损失。此外，高带隙AlGaAs层可以有效地使少数载流子远离NW表面或接触，从而减少少数载流子复合。

已经通过耦合三维 (3-D) 光电模拟研究了 AlGaAs/GaAs pin 异质结 NW 阵列太阳能电池，并将其性能与具有相同几何结构的 GaAs NW 阵列进行了比较。结果表明，通过使用AlGaAs代替GaAs作为p段，即使顶部p段较长，轴向结太阳能电池的效率也可以提高，而径向结太阳能电池的效率可以保持在较高的值具有非常高的表面复合速度（SRVs）。

方法

GaAs 纳米线 pin 结阵列太阳能电池及其 AlGaAs/GaAs 异质结对应物的示意图如图 1 所示；每个太阳能电池包含一个周期性的 NW 阵列，其中只显示了一个 NW。为了制造AlGaAs/GaAs异质结，Al0.8Ga0.2As用于轴向pin结的顶部p型部分和径向pin结的外部p型壳； NW 的其他区域由 GaAs 制成。 p区和n区的掺杂浓度均为10 ¹⁸ cm ^{− 3} . NW直径和长度分别为180 nm和1.2 μm，阵列周期为360 nm；这些几何参数是根据 [18] 选择的，其中通过调整 D/P 比和 NW 直径优化了 GaAs NW 阵列的光吸收。

一 GaAs 纳米线轴向 pin 结太阳能电池及其 AlGaAs/GaAs 异质结对应物的示意图。 b GaAs纳米线径向pin结太阳能电池及其AlGaAs/GaAs异质结对应物示意图

对于光学计算，我们使用软件包 FDTD Solutions (Lumerical, Inc.) 来计算 NW 中的吸收分布。通过设置周期性边界条件，可以使用单个 NW 对周期性阵列结构进行建模来进行模拟。模拟中使用的 GaAs 和 Al0.8Ga0.2As 的复折射率取自 [19]。每个网格点吸收的光子数由坡印廷矢量 S 计算，假设每个吸收的光子产生一个电子-空穴对：

其中 ℏ 是约化的普朗克常数，ω 是入射光的角频率，E 是每个网格点的电场强度，ε ″是介电常数的虚部。为了获得用于电模拟的光发生率分布，G ph 由AM 1.5G太阳光谱加权并在模拟光谱上积分。

对于电学建模，使用 Synopsys Sentaurus 将光学生成剖面合并到 NW 的有限元网格中，它自洽地求解载流子连续性方程和泊松方程。在器件电气模拟中考虑了掺杂相关的迁移率、辐射、俄歇和肖克利-里德-霍尔 (SRH) 复合。 AlGaAs 和 GaAs 之间的异质结使用热电子发射模型进行建模 [20]。电子和空穴电流 (J n 和 J p ) 跨异质结构可以描述为：

其中 a n (a p ) 是热离子流系数，q 是基本电荷，v n (v p ) 是电子（空穴）的发射速度，可以表示为：

和 n (p ) 是电子（空穴）密度，而 mn(mp) 是电子（空穴）的有效质量。 k B 是玻尔兹曼常数，T 是模拟中设置为室温的温度。下标 1 和 2 分别代表具有较低和较高导带边缘的材料。 ΔE c 和 ΔE v 是 GaAs/AlGaAs 界面处的导电和价带偏移。我们假设 AlGaAs 和 GaAs 之间的界面是完美的，没有任何额外的复合中心。这通常适用于 GaAs 上的 AlGaAs 晶格匹配外延 [21]。仅对空气和 NW 之间的界面考虑表面复合。器件仿真中使用的参数如表 1 所示。AlGaAs 和 GaAs 的俄歇系数、辐射复合系数和 SRH 复合寿命均设置为相同 [11, 12]。

结果与讨论

AlGaAs/GaAs 异质结 NW 和 GaAs NW 的吸收特性如图 2 所示。对于轴向结 NW，顶部 p 区和底部 n 区的长度分别为 150 和 200 nm。对于径向结 NW，p 型壳的厚度为 20 nm，内部 n 区域的半径为 20 nm。 AlGaAs/GaAs 和 GaAs NWs 的吸收光谱几乎相同，除了 AlGaAs/GaAs 径向异质结 NWs 的吸收在 GaAs 带隙附近的波长处下降。在 900 nm 附近的波长处，在 NW 中传播的光集中在侧表面附近，而对于 AlGaAs/GaAs 径向异质结 NW，在 AlGaAs 壳中传播的光不能被有效吸收。图 2b-d 显示了生成配置文件的横截面。由于AlGaAs的吸收能力较低，在AlGaAs区仅产生一小部分载流子；因此，预计重掺杂 AlGaAs 区域的复合损失不会很严重。对于具有轴向结的 AlGaAs/GaAs NW，大部分光产生集中在 AlGaAs/GaAs 界面。而对于具有径向结的 AlGaAs/GaAs NWs，大多数光载流子被限制在 GaAs 核心中并被阻挡远离 NW 表面；因此，表面复合损失有望得到抑制。根据我们之前的工作[15]，对于具有pin结的NW太阳能电池，i区的光生载流子占了大部分效率；因此，我们提取 i 区域的光吸收并计算相应的吸收光谱。对于轴向和径向 NW，由于 p 型 AlGaAs 区的吸收无效，AlGaAs/GaAs 异质结 NW 可以实现更高的 i 区吸收。

一 GaAs 纳米线及其具有轴向和径向异质结构的 AlGaAs/GaAs 对应物的吸收光谱。 b中光发生剖面的垂直截面 AlGaAs/GaAs 轴向异质结构纳米线，c AlGaAs/GaAs 径向异质结构纳米线，以及 d GaAs 纳米线。 e GaAs 纳米线轴向 pin 结太阳能电池及其 AlGaAs/GaAs 对应物的本征区域的吸收光谱。 f GaAs纳米线径向pin结太阳能电池及其AlGaAs/GaAs对应物本征区的吸收光谱

将光学生成曲线结合到电子工具中，以研究由 AlGaAs/GaAs 异质结引起的器件转换效率的潜在增加。图 3 计算并绘制了所考虑器件的电流-电压特性。两个典型的 SRV，10 ³ 和 10 ⁷ cm/s，在计算过程中被考虑，对应于有和没有适当钝化的 NW 表面 [6, 8, 9]。对于具有低表面复合的轴向 pin 结 NW，通过在 p 顶段使用 AlGaAs 代替 GaAs，转换效率从 11.6% 增加到 14.5%。效率的提高主要归功于光电流，从 18.9 mA/cm 增加到 23.3 mA/cm ² 在零偏差。在径向 NW 中观察到类似的现象；使用AlGaAs/GaAs异质结，效率从10.8%提高到11.3%，短路电流从22.6提高到23.8 mA/cm ² .对于高 SRV，由于 i 区的暴露表面，AlGaAs/GaAs NW 和 GaAs NW 的轴向 NW 的性能显着受损。然而，即使具有 10 ⁷ 的高 SRV，AlGaAs/GaAs NWs 中的短路电流增强仍然存在 cm/s，它来自顶部 p 区和顶部接触处的抑制复合。对于 AlGaAs/GaAs 径向 NWs，由于 AlGaAs 壳层将光载流子限制在 i 区并形成一个屏障，保护它们无法到达 NW 表面，因此表面复合对效率的影响很小。而对于 GaAs 径向 NW，随着 SRV 从 10 ³ 增加，效率从 10.8% 下降到 8.05% 到 10 ⁷ cm/s，短路电流从 22.6 降至 17.1 mA/cm ² .

GaAs和AlGaAs/GaAs纳米线的电流-电压特性a 轴向和b 表面复合速度为10 ³ 的径向pin结太阳能电池 和 10 ⁷ 厘米/秒

据报道，重掺杂区域的体积对转换效率有很大影响，特别是对于可能发生强光产生的区域。在这项工作中，研究了具有不同 p 区域体积的 NW 的性能。在图 4a 中，绘制了具有不同 p 区长度的轴向 AlGaAs/GaAs 结 NW 的光学生成曲线。随着 p 区长度从 50 到 200 nm 不等，光生成热点向 NW 底部移动，并且大部分光生成载流子被限制在 AlGaAs 区域下方。相应的转换效率也被计算出来。结果表明，在SRV较低的情况下，p区长度的增加对AlGaAs/GaAs NWs的转换效率没有明显影响，尽管整体吸收随着AlGaAs体积的增加而降低。更重要的是，较长的 AlGaAs 区域使大部分光载流子远离顶部触点，并且可以在触点处重新结合更少的少数载流子。然而，对于 GaAs 纳米线，由于顶部 p 区产生的光载流子数量增加，转换效率随着 p 区长度的增加而线性下降。在高 SRV 的情况下，AlGaAs/GaAs NWs 的转换效率甚至随着 p 区长度的增加而增加，因为 AlGaAs 中的光产生集中在 NW 的中心并远离表面，导致较低的表面复合与 GaAs 区域相比。从上面的讨论中，我们可以得出结论，使用 AlGaAs 代替 GaAs 作为顶部 p 区，可以使用相对较长的顶部区域，而不会降低器件性能。对于具有轴向结的纳米线，较长的顶部区域有利于纳米线阵列太阳能电池的制造和接触。

一 不同p的AlGaAs/GaAs纳米线轴针异质结太阳能电池的光发生剖面垂直截面 -区域长度。 b GaAs和AlGaAs/GaAs纳米线轴向太阳能电池的转换效率随p区长度的变化

还计算了具有不同 p 壳厚度的径向 NW 的性能。图 5a 显示了 AlGaAs/GaAs 径向 NW 的光学生成曲线。与轴向 NW 中的类似，大多数光载流子是在 GaAs 中产生的。 AlGaAs/GaAs 和 GaAs NW 的转换效率随着 p 壳厚度的增加而降低。在10 ³ 的低SRV的情况下 cm/s，表面复合的影响几乎可以忽略不计；因此，效率下降主要来自 p 壳层中产生的光载流子数量的增加。然而，AlGaAs/GaAs NW 对 p 壳层厚度显示出更好的耐受性，因为大部分光学产生可以限制在内部 GaAs 区域。随着 SRV 从 10 ³ 增加 到 10 ⁷ cm/s，AlGaAs/GaAs NW 的转换效率仅略微降低，因为光载流子受到表面的 AlGaAs 壳的保护。对于具有较厚 AlGaAs 壳的 NW，由于较少的载流子可以到达并在表面复合，因此器件性能的退化程度较小。相反，GaAs NWs 的性能受到高表面复合的严重损害，特别是在厚 p 壳的情况下。因为对于 GaAs 径向 NW，在 p 壳层中产生的光载流子可以很容易地在表面重新结合。 p-shell厚度为30 nm时，GaAs NWs的转换效率仅为1.98%，而相应的AlGaAs/GaAs NWs的转换效率为10.4%，比GaAs NWs的转换效率高8.42%。

一 不同p的AlGaAs/GaAs纳米线径向pin异质结太阳能电池中光发生剖面的垂直截面 -壳厚度。 b GaAs和AlGaAs/GaAs纳米线径向太阳能电池的转换效率与p壳厚度的函数关系

结论

在这项工作中，我们使用耦合 3-D 光电模拟来研究 AlGaAs/GaAs 和 GaAs NW pin 异质结阵列太阳能电池的性能。与 GaAs NWs 相比，AlGaAs/GaAs NWs 可以将大部分光产生限制在有源区，减少重掺杂区存在的复合损耗，并为少数载流子形成势垒，保护它们免受表面或接触复合。对于 AlGaAs/GaAs 轴向 NW，通过将 AlGaAs 用于顶部 p 区而不是 GaAs，我们可以在不降低器件性能的情况下允许相对较长的顶部区域，这可以促进 NW 太阳能电池的制造和接触。对于径向 NW，AlGaAs/GaAs NW 的效率可以保持在相对较高的值，并具有非常高的表面复合。通过本研究，我们可以得出结论，采用AlGaAs/GaAs异质结是提高GaAs NW太阳能电池性能的一种有效且实用的方法。

缩写

3D：

三维

西北：

纳米线

SRH：

肖克利-里德-霍尔

SRV：

表面复合速度