Ⅲ-Ⅴ族纳米线复合结构太阳能电池的光伏特性研究

【摘要】：本论文工作是围绕课题组承担的国家973计划项目“新型光电子器件中的异质兼容集成与功能微结构体系基础研究”(编号2010CB327600)、国家自然科学基金项目(编号61376019和61020106007)、北京市自然科学基金项目(编号4142038)、教育部博士点基金项目(编号20120005110011)和高等学校学科创新引智计划(111计划)(编号B07005)展开的。 基于Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线的太阳能电池已成为光伏产业研究的热点。Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料大多是直接带隙,具有与太阳光谱匹配的光吸收范围和极佳的吸收效率。纳米线独特的一维结构使得人们可以在单根纳米线上合成轴向、径向p-n结和异质结。纯轴向或径向纳米线因其自身结构的限制不能使纳米线太阳能电池的效率达到最优。为了解决上述问题,本论文针对Ⅲ-Ⅴ族纳米线复合结构太阳能电池的光伏性能进行了深入的理论分析,重点研究了Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线的光学特性和电学特性。取得的主要研究成果如下： 1、在对轴向、径向结构纳米线深入分析的基础上,提出了一种基于Ⅲ-Ⅴ纳米线复合结构的新型太阳能电池。该太阳能电池通过隧道结轴向连接不同带隙材料的径向p-n结纳米线。不同带隙的Ⅲ-Ⅴ族材料有效地拓宽了纳米线太阳能电池的光吸收范围,而每节子电池中的径向p-n结保证了光生载流子的有效分离和传输。 2、利用有限时域差分法,对上述纳米线复合结构太阳能电池进行了全3D的光学器件性能分析,具体包括纳米线阵列内部的光场分布,各节子电池的光吸收率、反射率和折射率等光学特性。结果表明：该太阳能电池拥有良好的抗反射和光捕获的能力,同时对吸收范围内的太阳光一直保持着很高的吸收系数。之后,基于对器件光学特性分析得到的数据,利用有限元方法对该太阳能电池的电学特性进行了分析。结果表明：通过调节纳米线的直径可实现子电池间的电流匹配,纳米线复合结构太阳能电池的转换效率可达19.9%,与单节同材料纳米线太阳能电池相比,其转换效率高出30%以上 3、利用有限时域差分和有限元方法,对Ⅲ-Ⅴ族纳米线阵列的表面态、密度、锥形化、倾斜等形貌特征对其光伏特性的影响进行了深入分析。研究结果表明：(1)通过表面钝化可以有效地减少表面态,抑制表面复合,从而提高短路电流；(2)存在着最佳的阵列密度以取得最优化的转换效率；(3)锥状纳米线比柱状纳米线有更好的抗反射和吸收增强的能力,因此有着更高的光电转换效率,同时存在最佳的锥角；(4)在轴向pin纳米线应用中,倾斜的纳米线比垂直的纳米线更容易使入射光进入有源区(i层),因而提高了纳米线对于光的吸收效率,进而增大了转换效率。 上述研究,对纳米线太阳能电池的制备工艺优化具有重要的指导意义。 【关键词】：纳米线 太阳能电池 Ⅲ-Ⅴ族 转换效率
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 半导体纳米线12-15
• 1.1.1 半导体纳米线的生长12-14
• 1.1.2 半导体纳米线激光器和LED14
• 1.1.3 半导体纳米线光探测器和光电池14-15
• 1.2 半导体纳米线太阳能电池15-18
• 1.2.1 纳米线太阳能电池的结构15-16
• 1.2.2 纳米线阵列中的光吸收16-17
• 1.2.3 半导体纳米线中的载流子产生和分离17
• 1.2.4 半导体纳米线中的载流子收集17-18
• 1.3 论文的结构与安排18-19
• 参考文献19-24
• 第二章 Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线太阳能电池24-35
• 2.1 半导体纳米线太阳能电池的研究热点24
• 2.2 Ⅲ-Ⅴ族纳米线太阳能电池的生长及性能分析24-28
• 2.2.1 Ⅲ-Ⅴ族纳米线的合成机制25
• 2.2.2 Ⅲ-Ⅴ族核壳纳米线的生长25-27
• 2.2.3 Ⅲ-Ⅴ族轴向结纳米线的生长27
• 2.2.4 Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线的光伏性能27-28
• 2.3 用于Ⅲ-Ⅴ族纳米线光伏性能的仿真软件介绍28-31
• 2.4 本章小结31-32
• 参考文献32-35
• 第三章 Ⅲ-Ⅴ族纳米线复合结构太阳能电池的光伏特性的研究35-52
• 3.1 Ⅲ-Ⅴ族纳米线径向与轴向p-n结光伏性能的对比35-37
• 3.1.1 GaAs纳米线阵列太阳能电池的光场分布的研究36-37
• 3.2 Ⅲ-Ⅴ族纳米线复合结构太阳能电池的理论模型构建37-45
• 3.2.1 复合结构太阳能电池的器件设计37-39
• 3.2.2 仿真中采用的物理模型39-45
• 3.3 复合结构太阳能电池的光伏性能仿真和结果分析45-49
• 3.3.1 仿真方法45-46
• 3.3.2 结果分析46-48
• 3.3.3 与轴向串联的轴向p-n结纳米线太阳能电池的性能比较48-49
• 3.4 本章小结49-50
• 参考文献50-52
• 第四章 Ⅲ-Ⅴ族纳米线阵列的形貌对其光伏性能的影响52-64
• 4.1 Ⅲ-Ⅴ族纳米线的表面光滑度和阵列密度对光伏特性的影响52-53
• 4.2 锥状Ⅲ-Ⅴ族纳米线阵列太阳能电池的光伏特性53-58
• 4.2.1 理论模型55
• 4.2.2 数值仿真和结果分析55-58
• 4.3 Ⅲ-Ⅴ族纳米线的倾斜角度对光伏特性的影响58-61
• 4.4 本章小结61-62
• 参考文献62-64
• 致谢64-66
• 作者攻读学位期间发表的学术论文目录66

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