增强GaAs/AlGaAs量子点太阳能电池的设计

刘红梅，孟田华，田翠锋，刘培栋，康永强，杨春花

（1.山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同，037009；2.山西大同大学固体物理研究所，山西大同，037009）

太阳能具有资源丰富、价格低廉、清洁可再生等特点，因而在风能、海洋能等众多新能源中表现突出，尤受人们的青睐[1-2]。太阳能电池是利用光生伏特效应直接将太阳能转化为电能的器件，到目前为止，主要有三类[3-5]：第一类是以单晶硅电池、多晶硅为代表的太阳能电池，其占据了大部分市场；第二类是以砷化镓、铜铟镓硒（CIGS）电池为代表的半导体薄膜电池；第三类是以染料敏化太阳能电池、聚合物太阳能电池为代表的光电化学太阳能电池。虽然这些太阳能电池部分已经能够很好地实现光电转化，展现出巨大的潜力，但由于受宏观体效应的影响其性能依然不是很理想，存在吸收率偏低、光电转换效率低等缺点。因此，人们把目光投向了量子点太阳能电池。该电池通过引入量子点纳米结构，利用量子限域等效应可实现量子点太阳能电池性能的大幅度提升[6]。

2007 年Marti 等研究量子点太阳能电池时，发现量子点层数对电池的性能有重要影响，不一定随着层数的增加而增加[7]。2014 年程玉梅等制备了3 层InAs/GaAs 量子点太阳能电池[8]，测量结果表明，在量子点高度为4 nm 时，电池的开路电压为771 mV，短路电流为17.6 mA/cm2，填充因子为81.2，量子效率高达11%。而泰国的Laouthaiwattana 等也指出当量子点层超过5 时（对应0.25 μm 的量子点有源层），电池的光电流密度开始下降[9]。因此，本文以4层GaAs 量子点层太阳能电池为基础，设计了金属光栅-半导体-金属反射层结构的增强量子点太阳能电池。该电池采用金属光栅/P 型AlGaAs/4个周期量子点复合层/金属反射层/衬底的主体结构。该电池吸收率在699.8 nm 波长处高达91% 以上，量子效率也提升了5.17%，有望促进太阳能电池的高效化、实用化。

1 量子点太阳能电池的结构

以1000 nm×1000 nm 面积的太阳能电池为例说明太阳能电池的结构，实际中可根据应用情况进行拓展。具体地，如图1 所示，金属增强量子点太阳能采用p-i-n 型纵向层状结构。从下往上看，首先是300 nm 厚的GaAs 衬底和60 nm 厚的金属反射层，其次是4 个周期的量子点复合层，其中量子点为GaAs圆锥体，高度为80 nm，顶端和底边半径分别为20 nm和40 nm；势垒层为80 nm 厚的AlGaAs，最后为80 nm厚的P 型AlGaAs 和20 nm 厚的十字网格金属光栅。这个增强太阳能电池顶端的光栅是在金属金层上面挖去十字构成的周期结构，挖去的十字栅宽度为960 nm。图2给出的是常规量子点太阳能电池的结构，其主体部分与增强量子点太阳能电池一样，不同的地方在于它们的电极不同。常规量子点太阳能电池引入环状电极仅起连接作用；而金属增强太阳能电池引入的金属光栅和金属反射层不仅有电极连接作用，更重要的是利用表面等离激元效应和二次反射来增强太阳能电池吸收率。

图1 金属增强量子点太阳能电池

图2 常规量子点太阳能电池

2 结果与分析

基于前面设计好的量子点太阳能电池，利用有限时域积分法，计算其光学传输情况，包括反射、透射等。图3给出量子点太阳能电池的反射系数，从图可以看出，在380～500 nm 范围内，增强和常规量子点太阳能电池的反射情况基本一样。从500 nm 波长开始，反射系数呈现出复杂的变化趋势，在598.08 nm和699.63 nm 处金属增强太阳能电池呈现出最小值，其值分别为-9.0136 dB 和-11.46 dB。这两个最小值的就是因为金属光栅引入导致表面等离激元产生的。而那些高于常规结构太阳能电池的反射系数值是由于金属材料具有更大的反射特性导致的。图4显示了在相同波段下两种电池的透射系数。通过比较发现，金属增强太阳能电池透射系数明显比常规太阳能电池透射系数低好多。尤其在波长468.75 nm时，其透射系数最低，其值为-94.86 dB，它比常规太阳能电池透射系数最低值低35.3751 dB。究其原因，这个最低的透射系数是由底部金属反射层引入的二次吸收导致的。

图3 太阳能电池的反射系数

图4 太阳能电池的透射系数

根据图3和图4给出的反射、透射情况，图5给出两种太阳能电池的吸收率，在图中，除了在507.1～526 nm、553.3～587.3 nm 波段、614.8～672.2 nm 波段和720～746.5 nm 波段外，增强量子点太阳能电池吸收率都明显高于常规量子点太阳能电池的吸收率。尤其在597.7 nm和699.1 nm波长处，金属光栅增强量子点太阳能电池的吸收率高达87.24%和91.44%，比同波段的常规量子点太阳能电池吸收率高11.91%和43.47%。这是由于金属光栅的引入产生表面等离激元效应，使入射可见光突破衍射极限，耦合入太阳能电池的透射光增多，从而产生更高的吸收率。当然，底端反射层导致的二次吸收也是电池吸收率增大的主要原因之一。

图5 太阳能电池的吸收率

基于量子效率与吸收率之间的关系[10]，图6 给出了太阳能电池量子效率的理论计算值。总体来看，金属增强量子点太阳能电池量子效率明显高于常规太阳能电池的量子效率，其在566.9 nm 处显示出最大值35.7%，比同波长处常规太阳能电池的量子效率高出5.17%，这充分说明本文设计的金属增强量子点太阳能电池的性能优于常规量子点太阳能电池。另外，本设计没有充分考虑量子点非均匀性等问题的影响，实际中金属增强量子点太阳能电池的量子效率要比文中的计算值低一些。

图6 太阳能电池的量子效率

3 结语

通过在常规量子点太阳能电池的顶端、底端分别引入金属光栅和金属反射层构建增强量子点太阳能电池，极大地改善了常规量子点太阳能电池的性能。模拟结果表明，增强量子点太阳能电池比常规量子点太阳能电池具有更高的吸收率，最大吸收率高达91.41%，其量子效率在566.9 nm 波长处为35.7%。下一步应该持续探讨金属光栅结构尺度对增强太阳能电池性能的影响，以期为太阳能电池的优化提供理论支持。