鋅在銻化鎵中擴散機理和銻化鎵薄膜電池的理論研究.pdf

1、熱光伏(Thermophotovoltaic，TPV)技術(shù)是一種將熱能直接轉(zhuǎn)化成電能的技術(shù)。與傳統(tǒng)的太陽能光伏系統(tǒng)相比，TPV系統(tǒng)具有理論效率高、無可移動部件、便攜、可靠性高等優(yōu)點。TPV系統(tǒng)的輻射器溫度一般在1000～2000K，輻射器發(fā)出的峰值光子能量集中在1.4～2.9μm。銻化鎵電池室溫下禁帶寬度為0.72eV，光譜響應(yīng)達到1.8μm，是TPV系統(tǒng)中最常用的光電轉(zhuǎn)化器件。本文的研究圍繞TPV系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，即GaSb電池的研究展

2、開。
　　GaSb電池的核心部件是進行光電轉(zhuǎn)化的p-n結(jié)。Zn擴散法是制備p-n結(jié)的常用方法。由于Zn擴散曲線對GaSb電池的性能有很大影響，因此理解Zn在GaSb中的擴散機理對精確控制Zn擴散曲線，進而制備高效的GaSb電池十分重要。實驗結(jié)果表明在擴散溫度和擴散時間一定時，分別采用純Zn、Zn-Sb和Zn-Ga擴散源得到的Zn在n型GaSb中的擴散曲線具有不同的形狀、表面濃度和表面有效擴散系數(shù)。首先，我們基于GaSb晶片表層區(qū)域

3、處于平衡態(tài)的假設(shè)和填隙-替位理論推導(dǎo)出表面濃度、表面有效擴散系數(shù)與晶片表面蒸氣壓力之間的關(guān)系，并通過Ga/Sb/Zn三元相圖和各組分蒸氣壓力的計算獲得了擴散源不同時表面Zn濃度之比和表面有效擴散系數(shù)之比的理論值，定量解釋了擴散源的組成對表面參數(shù)的影響。理論結(jié)果和實驗結(jié)果趨勢一致。其次，我們構(gòu)建了具有不同Ga空位濃度的五個模型代表不同擴散源情況下距離晶片表面不同深度的GaSb晶體，采用第一性原理方法計算了Zni在不同位置和價態(tài)時的形成能來

4、討論擴散源對Zni的穩(wěn)定位置和價態(tài)的影響，并通過計算dissociative和kickout兩種機制在不同模型中的激活能討論了擴散源對擴散機制的影響。
　　在對GaSb薄膜電池性能進行分析時，構(gòu)建了薄膜電池內(nèi)量子效率的計算模型。首先，基于密封式擴散法獲得的box類型Zn擴散曲線預(yù)測了采用Zn擴散法制備p-n結(jié)的GaSb薄膜電池的內(nèi)量子效率，并討論了基區(qū)厚度、底面復(fù)合速率和空穴肖克萊-里德-霍耳(Shockley-Read-Hall

5、，SRH)壽命對GaSb薄膜電池內(nèi)量子效率的影響。其次，基于文獻中實測的Te擴散曲線討論了采用Te擴散法制備p-n結(jié)的GaSb薄膜電池的內(nèi)量子效率，發(fā)現(xiàn)當擴散時間和擴散溫度均相同時，采用Te擴散法制備的GaSb薄膜電池具有更高的內(nèi)量子效率。最后，還對采用外延法制備p-n結(jié)的GaSb薄膜電池進行了討論，發(fā)現(xiàn)采用外延法制備的GaSb薄膜電池的內(nèi)量子效率要高于采用擴散法制備的GaSb薄膜電池。
　　針對GaSb薄膜電池吸收率低的問題，我

6、們設(shè)計了一種具有一維光柵薄膜耦合超材料結(jié)構(gòu)的GaSb薄膜電池。采用嚴格耦合波分析法計算了該薄膜電池在橫磁波(TM)和橫電波(TE)兩種偏振波垂直入射情況下的吸收光譜，發(fā)現(xiàn)設(shè)計的薄膜耦合超材料結(jié)構(gòu)在TM波垂直入射情況下可顯著增強薄膜電池的吸收率。對吸收光譜中各個吸收峰的產(chǎn)生機理進行分析后發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)通過激發(fā)磁極化激元、表面等離子體極化激元和法布里-珀羅共振提高GaSb薄膜電池的吸收率。其次，對光柵周期、光柵厚度、介電層厚度等幾何參數(shù)以及入