鋅在銻化鎵中擴(kuò)散機(jī)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(diǎn)。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(dá)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(jìn)行光電轉(zhuǎn)化的p-n結(jié)。Zn擴(kuò)散法是制備p-n結(jié)的常用方法。由于Zn擴(kuò)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(kuò)散機(jī)理對精確控制Zn擴(kuò)散曲線，進(jìn)而制備高效的GaSb電池十分重要。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時間一定時，分別采用純Zn、Zn-Sb和Zn-Ga擴(kuò)散源得到的Zn在n型GaSb中的擴(kuò)散曲線具有不同的形狀、表面濃度和表面有效擴(kuò)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(kuò)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(jì)算獲得了擴(kuò)散源不同時表面Zn濃度之比和表面有效擴(kuò)散系數(shù)之比的理論值，定量解釋了擴(kuò)散源的組成對表面參數(shù)的影響。理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)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(kuò)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(jì)算了Zni在不同位置和價態(tài)時的形成能來

4、討論擴(kuò)散源對Zni的穩(wěn)定位置和價態(tài)的影響，并通過計(jì)算dissociative和kickout兩種機(jī)制在不同模型中的激活能討論了擴(kuò)散源對擴(kuò)散機(jī)制的影響。
　　在對GaSb薄膜電池性能進(jìn)行分析時，構(gòu)建了薄膜電池內(nèi)量子效率的計(jì)算模型。首先，基于密封式擴(kuò)散法獲得的box類型Zn擴(kuò)散曲線預(yù)測了采用Zn擴(kuò)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(xiàn)中實(shí)測的Te擴(kuò)散曲線討論了采用Te擴(kuò)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(dāng)擴(kuò)散時間和擴(kuò)散溫度均相同時，采用Te擴(kuò)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(jìn)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(kuò)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(jì)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(yán)格耦合波分析法計(jì)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(jì)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(qiáng)薄膜電池的吸收率。對吸收光譜中各個吸收峰的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)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