徑向p-n結(jié)納米線太陽能電池的制作方法
【專利摘要】光伏裝置，包括固定至襯底的至少一個(gè)納米線結(jié)構(gòu)，其中至少一個(gè)納米線結(jié)構(gòu)中的每個(gè)包括：重?fù)诫sp型芯部，具有固定至襯底的近端和遠(yuǎn)離襯底延伸的遠(yuǎn)端；以及位于p型芯部周圍的n型殼體。
【專利說明】
徑向P-N結(jié)納米線太陽能電池
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本公開設(shè)及光伏裝置，具體設(shè)及為了高太陽能電池效率而具有徑向p-n結(jié)的納米 線太陽能電池。
【背景技術(shù)】
[0002] 光伏裝置通常采用面狀薄膜結(jié)構(gòu)，其中負(fù)滲雜(η型)材料堆疊在正滲雜(P型)材料 上或者正滲雜(Ρ型)材料堆疊在負(fù)滲雜(η型)材料上。在運(yùn)些面狀光伏裝置中，光吸收層需 要足夠厚W有效地吸收具有比光吸收材料的帶隙能量大的能量的碰撞光子。然而，當(dāng)將面 狀結(jié)構(gòu)中的光吸收層制造得更厚時(shí)，由于光吸收層的厚度可能大于少數(shù)載流子的擴(kuò)散長 度，所W運(yùn)對光生載流子的有效采集有所損害。因此，典型的面狀光伏裝置的設(shè)計(jì)導(dǎo)致用于 有效光吸收的光吸收層的厚度與載流子采集效率之間的妥協(xié)，從而對運(yùn)些裝置的效率施加 了限制。
[0003] 例如，典型的薄膜GaAs太陽能電池需要幾微米厚的光吸收層W有效地吸收具有比 GaAs帶隙能量高的能量的光子，但是由于少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度通常僅是幾百納米，所W 許多光生載流子無法被采集。
[0004] 代替在光伏裝置中使用面狀p-n結(jié)，研究了徑向p-n結(jié)。在運(yùn)些結(jié)構(gòu)中，長的中央P 型忍部從襯底中延伸出來并且η型殼體包裹在該忍部周圍。在可替代性配置中，該忍部具有 η型材料，而該殼體由Ρ型材料形成。使用運(yùn)種結(jié)構(gòu)，兩種光生載流子類型中的一種在殼體中 與沿著忍部長度的光吸收垂直地被采集。與面狀P-n結(jié)中的情況不同，增加忍部的長度W改 善光吸收未增加載流子在被采集前需要行進(jìn)的距離，因此，未導(dǎo)致在典型的面狀裝置中發(fā) 現(xiàn)的、光吸收與載流子采集的權(quán)衡。
[0005] 近來在從襯底延伸出的納米線的制造方面的發(fā)展已經(jīng)使制造徑向p-n結(jié)光伏裝置 成為可能。然而，利用運(yùn)些徑向P-n結(jié)實(shí)現(xiàn)的效率基本小于相應(yīng)面狀裝置所實(shí)現(xiàn)的效率，其 在1日照(one-sun)AM 1.5G太陽光譜照度的情況下實(shí)現(xiàn)的太陽能電池效率小于10%。
[0006] 因?yàn)楦叩奶柲茈姵匦蕦?dǎo)致每平方米太陽能板采集更多的太陽能，從而導(dǎo)致 更小的占用面積和可能更便宜的裝置，所W期望單結(jié)光伏裝置實(shí)現(xiàn)盡可能接近于約33.5% 的肖克利-奎伊瑟極限（Shockl巧-Queisser limit)的太陽能電池效率，或者甚至于超過該 極限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 在一個(gè)實(shí)施方式中，本公開提供了光伏裝置，該光伏裝置包括固定至襯底的至少 一個(gè)納米線結(jié)構(gòu)，其中至少一個(gè)納米線結(jié)構(gòu)中的每個(gè)包括:重滲雜P型忍部，具有固定至襯 底的近端和遠(yuǎn)離襯底延伸的遠(yuǎn)端；W及位于P型忍部周圍的η型殼體。
[000引具有Ρ型忍部和η型殼體的納米線相較于面狀光伏裝置允許改善載流子采集，從而 導(dǎo)致潛在改善的太陽能電池效率。雖然在面狀光伏裝置中太陽能電池效率隨著Ρ型滲雜的 增大而降低，但是已發(fā)現(xiàn)對Ρ型層納米線忍部重滲雜導(dǎo)致太陽能電池效率的大幅改善。
[0009] 在一些示例性實(shí)施方式中，p型忍部和η型殼體是III-V族化合物。
[0010] 在一些示例性實(shí)施方式中，P型忍部由GaAs形成，而η型殼體由AlxGai-xAs形成。 GaAs化合物具體適于光伏裝置，運(yùn)是因?yàn)楦鶕?jù)肖克利-奎伊瑟模型，約1.4eV的帶隙能量允 許高太陽能電池效率。
[0011] 在一些示例性實(shí)施方式中，x(Al摩爾分?jǐn)?shù))具有小于或等于0.2的值。0.2的A1摩爾 分?jǐn)?shù)可使表面復(fù)合最小化W及可使納米線忍部與殼體之間界面處的導(dǎo)帶中的能量勢壘最 小化。
[0012] 在一些示例性實(shí)施方式中，P型忍部被充分重滲雜W實(shí)現(xiàn)W下情況中的至少一種： 使準(zhǔn)費(fèi)米能級能量分裂最大化;使納米線結(jié)構(gòu)的內(nèi)建電場最大化;擴(kuò)展納米線結(jié)構(gòu)的吸收 光譜；W及使在忍部中朝向內(nèi)部的日光的衍射和反射中的一個(gè)或多個(gè)最大化。使忍部中朝 向內(nèi)部的衍射和/或反射最大化可減少光學(xué)反射、提高光約束W及最大化光子回收。
[OOU] 在一些示例性實(shí)施方式中，P型忍部的滲雜密度大于10"畑1-3,并且優(yōu)選10"cm-3。 [0014]在一些示例性實(shí)施方式中，η型殼體被輕滲雜。輕滲雜η型納米線殼體可使由于載 流子-載流子散射而造成的載流子損失最小化，從而使載流子采集效率和太陽能轉(zhuǎn)換效率 最大化。此外，輕滲雜η型殼體可使殼體中的耗盡區(qū)最大化，從而使殼體中的載流子復(fù)合最 小化，進(jìn)而使載流子采集效率和太陽能轉(zhuǎn)換效率最大化。
[001引在一些示例性實(shí)施方式中，η型殼體的滲雜密度小于10"cm-3,并且優(yōu)選約l0i 6cm-3。
[0016] 在一些示例性實(shí)施方式中，P型忍部的滲雜密度大于或等于IQiScnf3并且小于 10"cm-3。
[0017] 在一些示例性實(shí)施方式中，η型殼體足夠薄W使η型殼體中的載流子復(fù)合最小化。 此外，薄的輕滲雜殼體能夠采集高能電子或熱電子，從而使得可實(shí)現(xiàn)超高太陽能轉(zhuǎn)換效率。
[0018] 在一些示例性實(shí)施方式中，η型殼體具有20nm至50nm的厚度，并且優(yōu)選40nm。
[0019] 在一些示例性實(shí)施方式中，P型忍部的直徑足夠大W使入射太陽光譜與納米線的 光學(xué)傳播模式之間的光譜重疊最大化。P型忍部的直徑也可足夠大W實(shí)現(xiàn)載流子采集與光 譜重疊量之間的良好平衡，其中該光譜重疊是入射太陽光譜與納米線的光學(xué)傳播模式之間 的光譜重疊。
[0020] 在一些示例性實(shí)施方式中，P型忍部的直徑大于300nm，并且優(yōu)選400nm。
[0021] 在一些示例性實(shí)施方式中，納米線的長度足夠大W吸收入射太陽光譜的深穿透光 譜分量。納米線的長度可限制為避免嚴(yán)重空穴堆積的負(fù)面影響。
[0022] 在一些示例性實(shí)施方式中，納米線的長度介于如m與7WI1之間，并且優(yōu)選6WI1。
[0023] 在一些示例性實(shí)施方式中，襯底包括娃。
[0024] 在一些示例性實(shí)施方式中，襯底包括石墨層(諸如石墨締或改良的石墨締）。石墨 層是高導(dǎo)電性的，所W可改善太陽能轉(zhuǎn)換效率并使載流子損失最小化。
[0025] 在一些示例性實(shí)施方式中，納米線的遠(yuǎn)端包括抗反射涂覆層。
[00%] 在一些示例性實(shí)施方式中，上述至少一個(gè)納米線結(jié)構(gòu)中的每個(gè)均W透明導(dǎo)電氧化 物(TC0)進(jìn)行涂覆。
[0027] 在一些示例性實(shí)施方式中，面狀TC0觸頭位于至少一個(gè)納米線結(jié)構(gòu)上方。
[0028] 在一些示例性實(shí)施方式中，在面狀TC0觸頭與至少一個(gè)納米線結(jié)構(gòu)之間設(shè)置有絕 緣聚合物。
[0029] 在一些示例性實(shí)施方式中，p型忍部具有大于300nm的半徑(優(yōu)選400nm)并由具有 大于10"cm-3(優(yōu)選l〇i9cm-3)的滲雜密度的GaAs形成;η型殼體具有小于50nm的厚度(優(yōu)選 40nm)并由具有小于10"cnf3(優(yōu)選IQiScnf3)的滲雜密度的Alo.sGao.sAs形成；W及納米線結(jié)構(gòu) 具有扣m至7WI1的長度，并且優(yōu)選約6μπι。材料參數(shù)和納米線尺寸的運(yùn)種組合可導(dǎo)致在20% W 上的并且優(yōu)選在30% W上的高太陽能電池效率。
[0030] 在另一實(shí)施方式中，本公開提供了制造光伏裝置的方法，該光伏裝置包括生長在 襯底上的至少一個(gè)納米線，該方法包括生長納米線，該納米線包括:重滲雜Ρ型忍部，具有固 定至襯底的近端和遠(yuǎn)離襯底延伸的遠(yuǎn)端；W及位于Ρ型忍部周圍的η型殼體。
[0031] 在另一實(shí)施方式中，本公開提供包括多個(gè)如W上實(shí)施方式所述的光伏裝置的太陽 能電池，其中該多個(gè)光伏裝置布置成陣列，并且具有大于8%的填密百分比，優(yōu)選大于20%， W及更優(yōu)選50%至55%。通過在太陽能電池中布置緊密填充的光伏裝置的陣列改善了陷光 作用，從而增加了太陽能效率。
[0032] 在另一實(shí)施方式中，本公開提供了光伏裝置，該光伏裝置包括固定至襯底的至少 一個(gè)納米線結(jié)構(gòu)，其中該至少一個(gè)納米線結(jié)構(gòu)中的每個(gè)包括:面狀TC0觸頭，位于該至少一 個(gè)納米線結(jié)構(gòu)上方，其中在面狀TC0觸頭與該至少一個(gè)納米線結(jié)構(gòu)之間設(shè)置有絕緣聚合物； Ρ型忍部，具有固定至襯底的近端和遠(yuǎn)離襯底延伸的遠(yuǎn)端；W及位于Ρ型忍部周圍的η型殼 體。
【附圖說明】
[0033] 下面將參照附圖詳細(xì)描述當(dāng)前提出的方法的示例，其中：
[0034] 圖1是襯底上的單個(gè)忍部-殼體納米線太陽能電池的剖視圖；
[0035] 圖2Α和圖2Β是示出了由襯底上的忍部-殼體納米線陣列制成的太陽能電池的示意 圖；
[0036] 圖3示出了說明用于確定納米線的最佳參數(shù)的計(jì)算方法的Ξ層式塊；
[0037] 圖4示出了在短路條件下針對一定范圍的Ρ型納米線忍部滲雜密度的能帶圖；
[0038] 圖5是示出了作為Ρ型納米線忍部滲雜密度的函數(shù)的短路電流密度和開路電壓的 圖；
[0039] 圖6示出了在短路條件下針對一定范圍的Ρ型納米線忍部滲雜密度的電場輪廓；
[0040] 圖7示出了在短路條件下針對一定范圍的η型納米線殼體滲雜密度的能帶圖；
[0041] 圖8是示出了作為η型納米線殼體滲雜密度的函數(shù)的短路電流密度和開路電壓的 圖；
[0042] 圖9示出了在短路條件下針對一定范圍的η型納米線殼體滲雜密度的電場輪廓；
[0043] 圖10是示出了作為Ρ型納米線忍部滲雜密度和η型納米線殼體滲雜密度的函數(shù)的 納米線太陽能電池效率的圖；
[0044] 圖11示出了在短路條件下針對一定范圍的Α1納米線殼體摩爾分?jǐn)?shù)的能帶圖；
[0045] 圖12示出了在短路條件下針對一定范圍的Α1納米線殼體摩爾分?jǐn)?shù)的電場輪廓；
[0046] 圖13是示出了作為Α1納米線殼體摩爾分?jǐn)?shù)的函數(shù)的短路電流密度和開路電壓的 圖；
[0047] 圖14是示出了作為Α1納米線殼體摩爾分?jǐn)?shù)的函數(shù)的太陽能電池效率的圖；
[0048] 圖15是示出了針對一定范圍的納米線長度的、作為p型忍部納米線直徑的函數(shù)的 太陽能電池效率的圖；
[0049] 圖16是示出了作為納米線長度的函數(shù)的太陽能電池效率的圖；
[0050] 圖17是示出了針對一定范圍的納米線長度的、沿納米線長度的空穴電流密度輪 廓；W及
[0051] 圖18是示出了在不同TC0觸頭類型的情況下作為殼體厚度的函數(shù)的太陽能電池效 率的圖；
[0052] 圖19是示出了在最佳條件下具有不同TC0觸頭類型的納米線的J-V特性(有效電流 密度與電壓之間的關(guān)系）的圖；
[0053] 圖20是示出了在理想理論條件下具有不同TC0觸頭類型的納米線的J-V特性的圖；
[0054] 圖21示出了在最佳條件下針對不同TC0觸頭類型的能帶圖；
[0055] 圖22示出了在最佳條件下具有不同TC0觸頭類型的納米線的輪廓的載流子密度；
[0056] 圖23示出了在最佳條件下具有不同TC0觸頭類型的納米線的輪廓的復(fù)合率；
[0057] 圖24是示出了陣列的納米線填密百分比如何影響納米線陣列的太陽能電池效率 的圖；
[0058] 圖25是示出了在一定范圍的太陽光線入射天頂角上納米線陣列的J-V特性、太陽 能電池效率、開路電壓和填充因子的圖；W及
[0059] 圖26是示出了在一定范圍的太陽光線入射方位角上納米線陣列的J-V特性、太陽 能電池效率、開路電壓和填充因子的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0060] 下面將參照圖1，其中圖1示出了示例性納米線結(jié)構(gòu)的剖視圖。P型忍部120例如可 通過無催化劑過程或催化劑輔助過程生長在襯底上，或者可通過保證遠(yuǎn)端固定至襯底110 而遠(yuǎn)端遠(yuǎn)離襯底110延伸的其他方法制造。因?yàn)镮II-V族化合物的約1.4eV的帶隙能量使得 III-V族化合物適于在肖克利-奎伊瑟模型中實(shí)現(xiàn)最大太陽能電池效率，所Wp型忍部可W 是III-V族化合物，諸如GaAs(神化嫁）。襯底110可W是P型襯底，W允許載流子流動通過P型 忍部。
[0061] 襯底110可例如是P型娃，或者任何其它半導(dǎo)體。襯底110可包括高電導(dǎo)層，例如石 墨層。襯底可包括多個(gè)層的組合，諸如在頂部具有薄石墨層的娃基底，或者甚至于位于絕緣 層(如玻璃)頂部上的石墨層。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚的是，選擇何種襯底會適于允許忍 部-殼體納米線從襯底生長并且保持固定并且同時(shí)仍然允許生成的電荷載流子的輸運(yùn)。
[0062] η型殼體130形成在P型忍部120周圍。也可使用無催化劑過程或者催化劑輔助過 程，或者通過其他方法在Ρ型忍部周圍生長η型殼體。η型殼體可W是III-V族化合物，諸如 AlxGai-xAs，其中V'是侶(Α1)的摩爾分?jǐn)?shù)。
[0063] 通過在殼體130與襯底110之間設(shè)置絕緣層140，n型殼體130可與襯底110電絕緣。 絕緣層可例如是Si化，并且可在生長P型忍部和η型殼體之前沉積在襯底上。
[0064] 為了形成用于η型殼體130的電觸頭，裝置可具有由沉積在頂部上的透明導(dǎo)電氧化 物(TC0H50或者石墨層制成的共形觸頭或者面狀頂部觸頭。
[0065] 為將電負(fù)載連接至裝置，在裝置的頂部160和底部170上可沉積金屬觸頭，使得頂 部金屬觸頭160與TCO層150或者石墨層接觸并由此與η型殼體接觸，而底部金屬觸頭170與p 型襯底110接觸并由此與P型忍部120接觸。
[0066] 圖2A示出了布置在襯底210上的納米線陣列的示意圖。一個(gè)納米線被示出W展示 其內(nèi)部，其中位于納米線中屯、處的P型忍部220遠(yuǎn)離襯底210延伸，P型忍部220具有位于其周 圍的η型殼體230，并且整個(gè)納米線WTC0 250層進(jìn)行涂覆。圖2示出了在襯底210與η型殼體 230之間可具有諸如Si化的絕緣層240。頂部金屬觸頭260與電負(fù)載280的負(fù)端子連接，而底 部觸頭270與電負(fù)載280的正端子連接。
[0067] 當(dāng)?shù)湫偷鼐哂蠥M1.5G太陽光譜的光290入射在納米線陣列上時(shí)，在每個(gè)納米線處 生成載流子并且電流流過電負(fù)載280。
[0068] 圖2B示出了在圖2A中示出的實(shí)施方式的可替代性實(shí)施方式的示意圖。與圖2A類 似，一個(gè)納米線被示出W展示其內(nèi)部，其中位于納米線中屯、處的P型忍部220遠(yuǎn)離襯底210延 伸，P型忍部220具有位于其周圍的η型殼體230。在襯底210與η型殼體230之間，可具有諸如 Si化的絕緣層240,并且在襯底210下方設(shè)置有底部觸頭270。圖2Α示出涂覆每個(gè)納米線結(jié)構(gòu) 的共形TC0層，而圖2B中示出的實(shí)施方式具有覆蓋納米線陣列的面狀TC0觸頭256,并且頂部 金屬觸頭260與面狀TC0觸頭256連接。面狀TC0觸頭256可由透明層支承，優(yōu)選絕緣聚合物 255,其中為了最大的日光吸收和光子回收，絕緣聚合物255大致圍繞每個(gè)納米線結(jié)構(gòu)并且 填充納米線結(jié)構(gòu)之間的空隙，W將日光有效地匯聚和約束在納米線中，因此使太陽能轉(zhuǎn)換 效率最大化。
[0069] 在一些示例性實(shí)施方式中，納米線大致呈圓柱形并具有圓柱形忍部和位于圓柱形 忍部周圍的圓柱形殼體。納米線可W大致呈棱柱形并具有位于棱柱的近端處與襯底接觸的 η邊形基部(諸如六邊形及位于遠(yuǎn)離襯底延伸的遠(yuǎn)端處的另一面。在其它示例性實(shí)施方 式中，納米線大致呈圓錐形，并具有位于靠近襯底的近端處的基部和位于遠(yuǎn)離襯底的遠(yuǎn)端 處的頂點(diǎn)。在一些示例性實(shí)施方式中，在η型殼體與TC0或石墨層之間具有重度η滲雜的帽狀 件。
[0070] 徑向ρ-η結(jié)所設(shè)及的物理與已建立的面狀ρ-η結(jié)光伏裝置所設(shè)及的物理不同。因 此，當(dāng)設(shè)計(jì)高效的徑向ρ-η結(jié)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)最大的太陽能電池效率，需要挑戰(zhàn)與面狀ρ-η結(jié)有 關(guān)的公知假設(shè)、設(shè)計(jì)考慮和偏見。因此，當(dāng)研究新的徑向Ρ-η結(jié)的裝置物理時(shí)，需要作出新的 計(jì)算方法和考慮。
[0071 ]在ρ-η結(jié)裝置中，因?yàn)樯贁?shù)載流子輸運(yùn)可控制多數(shù)載流子輸運(yùn)，所W少數(shù)載流子輸 運(yùn)可能是重要的考慮因素。因此，當(dāng)設(shè)計(jì)徑向Ρ-η結(jié)時(shí)，為了獲得期望的電壓-電流特性，應(yīng) 考慮少數(shù)載流子的輸運(yùn)。
[0072] 與面狀ρ-η結(jié)太陽能電池不同，徑向ρ-η結(jié)納米線太陽能電池的邊界實(shí)質(zhì)上是Ξ維 的。因此，雖然計(jì)算量更大，但是在提出的技術(shù)方案所使用的模型中，徑向ρ-η結(jié)納米線太陽 能電池 Ξ維地建模，其中限定了諸如徑向邊界條件的邊界條件。傳統(tǒng)方法通常使用二維模 擬W降低模擬的計(jì)算復(fù)雜性，但是已確定在運(yùn)種簡化中所帶來的誤差大到有必要使用Ξ維 分析。
[0073] 因?yàn)楫?dāng)模擬ρ-η結(jié)行為時(shí)計(jì)算需求是關(guān)鍵的考慮因素并且因?yàn)槭褂忙S模型顯著 增加了計(jì)算成本，所W需要在其它地方彌補(bǔ)計(jì)算效率從而將所需的計(jì)算資源保持在可控范 圍內(nèi)。因此，在提出的技術(shù)方案中，使用有限元法和傳遞矩陣法來模擬徑向ρ-η結(jié)的電學(xué)特 征和光學(xué)特征。更具體地，使用復(fù)波阻抗方法來模擬裝置中的光學(xué)輸運(yùn)，并且求解泊松方程 和載流子連續(xù)性方程來確定電學(xué)輸運(yùn)。
[0074] 在執(zhí)行的計(jì)算中，使用GaAs/AlxGai-xAs忍部-殼體納米線結(jié)構(gòu)。然而，對于本領(lǐng)域 技術(shù)人員清楚的是，如何使該計(jì)算適用于任何P型/η型忍部-殼體結(jié)構(gòu)(諸如III-V化合物） W及運(yùn)些模擬的結(jié)果可如何適于其它材料選擇。
[0075] 已發(fā)現(xiàn)，通過假設(shè)忍部直徑為l(K)nm、殼體厚度為lOOnmW及納米線長度為3μπι會導(dǎo) 致高計(jì)算效率，所W在最初未改變運(yùn)些參數(shù)的情況下，將運(yùn)些參數(shù)用于模擬，尤其是當(dāng)運(yùn)些 參數(shù)符合實(shí)際上易于構(gòu)造的情況時(shí)。
[0076] 為了提高模擬的計(jì)算效率，僅模擬單個(gè)納米線結(jié)構(gòu)而非陣列可W是有利的。運(yùn)將 是可作出的適當(dāng)簡化，因?yàn)楫?dāng)考慮單個(gè)納米線而非陣列時(shí)未考慮的唯一效應(yīng)為光束縛/匯 聚/約束效應(yīng)，運(yùn)些效應(yīng)無論如何都不會降低所計(jì)算的太陽能電池效率。相反地，光束縛/匯 聚/約束效應(yīng)還可提高所計(jì)算的太陽能電池效率。
[0077] 為了保證計(jì)算需求與實(shí)際結(jié)果之間適當(dāng)?shù)耐讌f(xié)，使用復(fù)波阻抗方法來模擬日光穿 過單個(gè)徑向ρ-η結(jié)GaAs/AlxGai-xAs忍部-殼體納米線太陽能電池的傳播。該方法可用于有效 地利用傳遞矩陣法和有限元法來計(jì)算電磁波的傳播。該方法包括將傳播介質(zhì)離散成小片 段、構(gòu)造每個(gè)片段的傳遞矩陣并且利用有限元法求解傳遞矩陣。
[0078] 圖3示出了利用Ξ層式塊(310、320和330)的復(fù)波阻抗方法作為示例。在該示例中， 考慮兩個(gè)光波Ψι和Ψ2Κ相反的方向傳播穿過Ξ層式塊(310、320和330)。光波Ψι具有由上 標(biāo)V'號和箭頭352表示的前向行進(jìn)分量審:巧51。光波Ψι也具有由上標(biāo)號和箭頭342表示 的后向行進(jìn)分量鮮'341。由于每個(gè)光波穿過不同的塊nx-i 310、ηχ320和nx+i 330,所W光波 所穿過的塊由下標(biāo)符號來表示。例如，成分i;迄，i是Ψ2在最右側(cè)塊nx+i330中的前向行進(jìn)分 量。
[0079] 在中間層ηχ320中的正向行進(jìn)光波巧巧日％表示如下：
[0080]
[0081 ] 其中ξχ,χ+1是在中間層ηχ320與右側(cè)層ηχ+ι330之間的界面的傳遞矩陣。
[00劇在中間層ηχ320中的后向行進(jìn)光波或反射光波和％表示如下：
[0083]
[0084] 其中ξχ(1)是中間層ηχ320的傳播傳遞矩陣。傳播傳遞矩陣ξχ(1)和界面?zhèn)鬟f矩陣ξ Χ,χ+1表示如下：
[0087]其中ηχ是層X的復(fù)折射率，θχ是層X的折射角，I是在給定層中的傳播距離，λ是入射 光的波長，W及Ζχ(Ζχ+ι)是層χ(χ+1)的復(fù)波阻抗。對于橫電（ΤΕ)波，Ζχ的數(shù)學(xué)表示為nxcos (白X)，而對于橫磁(TM)波，其表示為也今cos(目X)。層ηχ320中的空間強(qiáng)度4胖)由下式給出：
[008引
[0089] 其中Zo是自由空間的復(fù)波阻抗。
[0090] 為了模擬徑向p-n結(jié)GaAs/AlxGai-xAs忍部-殼體納米線太陽能電池的特性，將光學(xué) 模擬與電學(xué)模擬結(jié)合W確定裝置的電學(xué)特性。可通過利用考慮到某些現(xiàn)象的特定模型來求 解泊松方程和載荷載流子連續(xù)性方程，從而進(jìn)行載流子輸運(yùn)模擬。
[0091] 為了通過模擬實(shí)現(xiàn)真實(shí)結(jié)果，可能需要特別注意保證材料的物理參數(shù)盡可能精確 W及保證盡可能多地考慮影響運(yùn)些物理參數(shù)值的現(xiàn)象。
[0092] 例如，通常觀測到由于滲雜水平變化而導(dǎo)致的在GaAs帶隙附近的光吸收的變化幅 度與吸收峰的幅度相比相對較小，因此傳統(tǒng)方法可能已忽略該效果。然而，實(shí)際上發(fā)現(xiàn)在徑 向p-n結(jié)中光生成效果十分顯著。已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)忽略上述現(xiàn)象時(shí)，傳統(tǒng)方法將太陽能轉(zhuǎn)換效率 低估了大約60%。因此，在提出的技術(shù)方案所使用的模擬中，用高精度來表示材料的復(fù)折射 率和與載流子輸運(yùn)相關(guān)的參數(shù)。
[0093] 所使用的材料的光吸收系數(shù)α通過W下關(guān)系從復(fù)折射率中確定：
[0094]
[00Μ]其中，巧是復(fù)折射率的虛部。若已知α，則光生成可通過下式計(jì)算：
[0096]
[0097] 其中，ru是內(nèi)部量子效率，h是普朗克常數(shù)，W及V是入射光的頻率。假設(shè)每個(gè)光子 將生成一個(gè)電子空穴對，則rU的數(shù)值可取為1。
[009引其它待計(jì)算的參數(shù)包括63Α3(^3Α3)、Α1χ63?-χΑ3(μΑ?Ε3Α3)和Si(ysi)中的取決于滲雜 的載流子遷移率，并且運(yùn)些參數(shù)可使用W下經(jīng)驗(yàn)性模型來確定：
[0101] 其中，Na,d是滲雜密度，而μη?η、μη3χ、μ〇、μL、丫 m、i3、N〇、Pc、Cr和Cs是特定于材料的模型 參數(shù)。由于通過福射復(fù)合、俄歇復(fù)合、肖克萊-里德-霍爾復(fù)合和表面復(fù)合而導(dǎo)致的光生載流 子的損失可在太陽能電池的太陽能轉(zhuǎn)換效率方面具有主要影響，所W可使用W下數(shù)學(xué)模型 來考慮運(yùn)些過程中的一些或全部。使用下式來確定福射復(fù)合率Rradiative:
[0102]
[0103] 其中Cradiative是福射系數(shù)，而n，p和ni分別是電子密度、空穴密度和有效本征電子 密度。俄歇復(fù)合率RAuger可通過下式獲得：
[0104]
[010引其中Cn_Auger和Cp_Auger分別是電子和空穴的俄歇復(fù)合系數(shù)。肖克萊-里德-霍爾復(fù)合 率Rsrh可從下式確定：
[0106]
[0107]其中，τρ和τη分別是空穴和電子的壽命。可使用W下滲雜密度與載流子壽命之間的 Scharfetter關(guān)系來確定運(yùn)些空穴和電子的壽命：
[010 引
[0109] 其中，Να,D是滲雜密度，而Nref是參考滲雜密度?？墒褂孟率接?jì)算表面復(fù)合率 Rsurface :
[0110]
[0111] 其中，Sp和Sn分別是空穴和電子的表面復(fù)合速度。最終，可使用下式計(jì)算陷阱輔助 的俄歇復(fù)合率（trap-assisted Auger recombination rate)RTM:
[0112]
[0113] 其中，嫁和貨w分別是空穴和電子的陷阱輔助俄歇復(fù)合系數(shù)。
[0114] 上述參數(shù)是當(dāng)進(jìn)行模擬時(shí)可能關(guān)注的參數(shù)的示例。然而，存在許多未提及的其它 參數(shù)，本領(lǐng)域技術(shù)人員知道包括運(yùn)些參數(shù)并且運(yùn)些參數(shù)容易從半導(dǎo)體裝置文獻(xiàn)和本領(lǐng)域內(nèi) 的基礎(chǔ)方程中獲取。
[0115] 基于上述方法進(jìn)行模擬，可確定在徑向p-n結(jié)中的能帶結(jié)構(gòu)、電場分布和載流子復(fù) 合與諸如滲雜水平、材料成分和納米線結(jié)構(gòu)的參數(shù)的依賴關(guān)系，從而得到具有改善的太陽 能電池效率的參數(shù)組合。
[0116] 可通過在保持η型殼體滲雜密度不變的情況下估測在一定范圍P型滲雜密度上的 能帶圖的改變來確定Ρ型忍部滲雜密度的影響。
[0117] 圖4示出了在短路條件下針對一定范圍的Ρ型忍部滲雜密度的能帶圖模擬結(jié)果。在 圖4中示出的示例性模擬中，Ρ型忍部是GaAs，n型殼體是Al日.2Ga日.8As，W及p型滲雜密度的范 圍為 l〇i6cnf3 至 lO^cnf3 之間。
[011引在410中示出了針對l0i6cm-3的P型滲雜密度的能帶圖。X軸示出了距離P型忍部中 屯、（由X = Ομπι表示）的水平距離，而y軸示出了能帶的能級（eV)。-0.05μπι處的豎線411示出了 η型殼體與Ρ型忍部之間的邊界，在+0.05WI1處的豎線表示相同意義。
[0119] 實(shí)線412示出了沿徑向p-n結(jié)輪廓的導(dǎo)帶Ec。類似地，線422、線432、線442和線452 分別示出了 P型忍部滲雜密度是l〇"cm-3、10"cm-3、10"cm-哺102%1- 3的情況下的導(dǎo)帶。另一 實(shí)線415示出了沿徑向p-n結(jié)輪廓的價(jià)帶Εν,同時(shí)線425、線435、線445和線455分別示出了P 型忍部滲雜密度是1〇"。111-3、1〇18(3111-3、1〇1%1-哺10 2*^-3的情況下的價(jià)帶。
[0120] 在圖410中示出了準(zhǔn)費(fèi)米能級能量分裂，其中虛線413表示電子準(zhǔn)費(fèi)米能級能量 化F-e)而虛線414表示空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級能量化F-h)。針對Ρ型忍部滲雜密度是10"cm-3、10"畑1 ^、l〇i9cnf3和lO^cnf3的情況下的電子準(zhǔn)費(fèi)米能級能量也分別如線423、線433、線443和線 453所示，W及針對P型忍部滲雜密度是10"(3111-3、1〇18(3111-3、10"(3111-哺10 2*^-3的情況下的空 穴準(zhǔn)費(fèi)米能級能量分別如線424、線434、線444和線454所示。
[0121] 如413和414W及423和424的輪廓所示，對于NA=l〇i6cm-3(410)和NA=10"cm-3 (420)，準(zhǔn)費(fèi)米能級能量分裂保持相對恒定。然而，在能帶圖430中（其示出了增大的、Na = l〇i8cnf3的P型忍部滲雜密度），相較于能帶圖420中的準(zhǔn)費(fèi)米能級能量分裂423和424,在如 433和434中示出的準(zhǔn)費(fèi)米能級能量分裂中存在大的階梯式改變。當(dāng)P型忍部滲雜密度增大 到10"cnr3 (440)和102<^cnf3 (450)時(shí)，該階梯式的改變?nèi)匀槐３?。因此，對于運(yùn)些材料參數(shù)，能 夠合理地預(yù)期當(dāng)P型GaAs的滲雜密度高于l〇i7cnf3時(shí)，開路電壓將顯著增加。
[0122] 由于重滲雜的p型GaAs忍部能夠?qū)⑷展獬蚍ň€軸（即，在忍部中向內(nèi)）衍射并且 可相較于不具有抗反射涂覆層的面狀p-n結(jié)GaAs太陽能電池導(dǎo)致光學(xué)反射損失減小10% 的，所W重滲雜的P型GaAs忍部也是有利的。
[0123] 圖5示出了作為P型忍部滲雜密度的函數(shù)的短路電流密度和開路電壓的圖，并且確 實(shí)表明了當(dāng)P型忍部滲雜密度增大到l〇i7cnf3W上時(shí)，開路電壓510從0.383V顯著地增大至 0.889V。根據(jù)P型忍部滲雜的相同增大，短路電流密度520存在相似的大幅增大。
[0124] 鑒于有關(guān)面狀p-n結(jié)的公知常識的教導(dǎo)，運(yùn)個(gè)結(jié)果是令人驚訝的，運(yùn)是因?yàn)橛蓾B雜 水平改變而導(dǎo)致的、GaAs帶隙附近的光吸收的改變幅度相較于吸收峰的幅度通常是很小 的。通過使用Ξ維模型進(jìn)行計(jì)算W及通過額外考慮維持例如與載流子輸運(yùn)和光傳播有關(guān)的 參數(shù)的精度，發(fā)現(xiàn)了增大P型忍部滲雜W提高開路電壓和短路電流密度的結(jié)果。
[0125] 圖6示出了在短路條件下在一定范圍的P型忍部滲雜密度上的電場輪廓。圖601示 出了在P型忍部滲雜密度為l〇i6cnf3(610)和l〇i7cnf 3(620)情況下的電場輪廓。滲雜密度從 l〇i6cnf3(610)增大至l〇i7cnf3(620)導(dǎo)致電場輪廓相對較小的改變。另一方面，圖602示出了 針對P型滲雜水平是l〇i8cnf3(630)W及針對更高的P型滲雜水平的電場輪廓。將圖601與圖 602對比，示出了當(dāng)P型滲雜增大到l〇i7cnf3W上時(shí)，電場顯著地增大，如分別針對P型滲雜密 度是l〇i8cnf3，l〇i9cnr3和10 2%Γ3的基本更強(qiáng)的且分布的電場輪廓630,640和650所示。該結(jié) 果表示由于更高的載流子采集效率，所W將Ρ型滲雜密度增加到l〇i7cnf3W上將導(dǎo)致短路電 流顯著增加。
[0126] 對于高于IQiScnf3的P型忍部滲雜密度，由于當(dāng)重滲雜時(shí)P型忍部的帶隙縮小，因此 短路電流密度少量增加，其中P型忍部的帶隙縮小導(dǎo)致吸收光譜擴(kuò)展。
[0127] 通過上述結(jié)果，清楚的是:對納米線結(jié)構(gòu)的P型忍部重滲雜能夠?qū)е聫较騪-n結(jié)中 增大的準(zhǔn)費(fèi)米能級能量分裂W及更強(qiáng)、均勻分布的電場。發(fā)現(xiàn)運(yùn)會導(dǎo)致對于重滲雜的P型忍 部而言開路電壓和短路電流大幅增加，從而導(dǎo)致更高的太陽能電池效率。
[0128] 術(shù)語重滲雜是本領(lǐng)域公知的術(shù)語，并且通常在滲雜原子的數(shù)目約為每一萬個(gè)原子 一個(gè)或更多時(shí)使用該術(shù)語。重滲雜材料的滲雜密度可根據(jù)材料而變化，P型GaAs在滲雜密度 是IQiScnf3時(shí)可被認(rèn)為是重滲雜的，而對于P型娃，在滲雜密度為更高，即在lO^cnf3時(shí)可被認(rèn) 為是重滲雜的。對于在本模擬中選擇的材料參數(shù)，P型忍部滲雜密度在l〇i7cnf3W上將導(dǎo)致 高太陽能電池效率。
[0129] 在另一示例中，對于具有直徑為400nm的GaAs忍部的3μπι長的納米線、具有η型滲雜 密度為l〇i6cnf3的50nm厚的Alo.sGao.sAs殼體的特性進(jìn)行分析。在運(yùn)個(gè)示例中，增大了 Ρ型滲 雜密度，并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)GaAs吸收光譜的長波端隨著P型滲雜的增加而展寬時(shí)，短路電流密度在 2xl〇i7cnf3的忍部滲雜密度與4xl〇i7cnf3的忍部滲雜密度之間急劇增加。當(dāng)吸收光譜隨著P型 滲雜的進(jìn)一步增加而停止展寬時(shí)，短路電流密度最終在3xl(Ti8cnr3處達(dá)到飽和。
[0130] 增大P型滲雜密度還增大了內(nèi)部電場，從而改變了忍部和殼體中的耗盡區(qū)的寬度， 運(yùn)導(dǎo)致內(nèi)建電動勢相應(yīng)地變化。因此，對于l〇i8cnf3W上的忍部滲雜密度，當(dāng)載流子擴(kuò)散停 止時(shí)在殼體中的耗盡區(qū)的展寬可停止，然而在忍部中的耗盡區(qū)變得更窄。因此，即使內(nèi)電場 增加，內(nèi)建電動勢在忍部滲雜密度在l〇i8cnf3W上的情況下也可保持大致恒定，從而導(dǎo)致忍 部滲雜密度在l〇i8cnf3W上時(shí)開路電壓恒定。
[0131] 在又一示例中，代替改變具有共形側(cè)壁TC0觸頭(諸如圖2A中所示）的納米線中的 忍部滲雜密度，可在改變具有面狀TCO觸頭(諸如圖2B中所示）的納米線中的忍部滲雜密度 的情況下進(jìn)行模擬。在進(jìn)行的示例性模擬中，具有面狀TC0觸頭的納米線結(jié)構(gòu)具有直徑是 400nm的GaAs忍部、50nm厚的Alo.sGao.sAs殼體，并且Alo.sGao.sAs殼體具有1〇16畑1- 3的η型滲雜 密度。具有面狀TC0觸頭的納米線相較于具有共形觸頭的等同納米線可具有高得多的短路 電流密度和開路電壓。運(yùn)是因?yàn)槊鏍钣|頭將不會承受與共形觸頭相同量的能帶彎曲，因此 將減少未采集載流子的累積，從而導(dǎo)致更大的電動勢。然而，在Ρ型滲雜密度在大約 7xl〇i6cnf3W上時(shí)，面狀觸頭實(shí)施方式可經(jīng)歷載流子雪崩效應(yīng)，由此導(dǎo)致未采集載流子并且 導(dǎo)致在忍部滲雜密度是大致1.6xl〇i7cnf3時(shí)的結(jié)擊穿。
[0132] 在W上提供的示例性模擬中，具有面狀TC0觸頭的納米線可在忍部滲雜密度是 7xl〇i6cnfi3時(shí)達(dá)到10.5%的最大太陽能電池效率，而具有共形觸頭的納米線可在忍部滲雜 密度為缸1〇18(3111^時(shí)達(dá)到10.3%的最大太陽能效率。
[0133] 圖7示出了在短路條件下針對一定范圍的η型殼體滲雜密度的能帶圖模擬結(jié)果。在 圖7呈現(xiàn)的示例性模擬中，η型殼體是41日.26曰日.843，口型忍部是6曰43，口型滲雜密度固定在 l〇i9cnf3而η型殼體滲雜密度的范圍為l〇i6cnf3至l〇i 9cnf3。
[0134] 在710中示出了針對η型殼體滲雜密度是IQiScnf3的情況下的能帶圖。實(shí)線711示出 了沿徑向p-n結(jié)的輪廓的導(dǎo)帶Ec。類似地，線721、線731和線741分別示出了針對η型殼體滲 雜密度是l〇"cnf3、l〇i8cnr哺10"cnf3的情況下的導(dǎo)帶。另一實(shí)線714示出沿徑向ρ-η結(jié)的輪 廓的價(jià)帶Εν,同時(shí)，線724、線734和線744分別示出針對η型殼體滲雜密度為10"cnf3、l〇i8cnf3 和l〇i9cnf3的情況下的價(jià)帶。
[0135] 在圖710中示出了準(zhǔn)費(fèi)米能級能量分裂，其中虛線712表示電子準(zhǔn)費(fèi)米能級能量 化F-e)而虛線713表示空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級能量啦-h)。針對η型殼體滲雜密度是10"cm-3、l〇i8cm-3 和l〇i9cnf3的情況下的電子準(zhǔn)費(fèi)米能級能量還分別如線722、線732和線742所示，而針對η型 殼體滲雜密度為l〇"cnf3、l〇i8cnr哺10"cnf3的情況下的空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級能量分別如線723、 線733和線743所示。
[0136] 如在四個(gè)圖710、720、730和740中所示，當(dāng)η型殼體滲雜密度從l〇i6cnf 3增大至 102%Γ3時(shí)，P型忍部與η型殼體之間的準(zhǔn)費(fèi)米能級能量分裂相對不變，運(yùn)表明開路電壓對殼 體中η型滲雜密度的可能的弱依賴性。
[0137] 圖8示出了作為η型殼體滲雜密度的函數(shù)的短路電流密度820和開路電壓810的圖， 并且圖如角實(shí)表明了在該范圍上隨著η型滲雜密度增大，開路電壓810改變有限。實(shí)際上，當(dāng)η 型滲雜密度在l〇i8cnf3W上時(shí)，可注意到，由于Ρ型忍部與η型殼體之間的準(zhǔn)費(fèi)米能級能量分 裂減小W及由于電場的增大慢于耗盡寬度的減小，所W開路電壓810開始逐漸下降。
[0138] 圖9示出了在短路條件下在一定范圍的η型滲雜密度上的電場輪廓。圖901示出了 當(dāng)η型滲雜密度是l〇i6cnf3(910)和l〇i7cnf3(920)時(shí)的電場輪廓。對于運(yùn)些滲雜密度，耗盡寬 度被不出為相對較寬。
[0139] 圖902示出了針對l〇i8cnf3(930)和1〇ι%Γ3(940)的更高的η型殼體滲雜密度的電輪 廓。相較于圖901中的電場輪廓，電場更大，但是耗盡寬度顯著減小。因此，開路電壓僅少量 地減小。滲雜密度從l〇i8cnf3930增加至10"cnr3940降低了耗盡寬度，從而導(dǎo)致開路電壓略有 下降，運(yùn)是因?yàn)殡妶鲭S著滲雜密度的增大而增大慢于耗盡寬度的減小。
[0140] 圖9中示出的電場圖示出了 P型忍部中的耗盡寬度隨著η型殼體滲雜密度的增大而 增大，而η型殼體中的耗盡寬度卻減小。η型耗盡寬度的運(yùn)種減小因此會導(dǎo)致短路電流的減 小。如圖8的線820所示，因?yàn)橛蓺んw中載流子-載流子散射而導(dǎo)致的載流子復(fù)合隨著η型殼 體中的耗盡寬度縮窄而增大，所W短路電流密度確實(shí)隨著η型殼體滲雜密度的增大而減小。
[0141] 根據(jù)圖7、圖8和圖9中示出的示例性模擬，可能有利的是確保η型殼體應(yīng)被輕滲雜， 例如對于Alo.2Gao.8As應(yīng)當(dāng)是l〇i6cnf3。術(shù)語輕滲雜是本領(lǐng)域公知的術(shù)語，并且通常在滲雜原 子的數(shù)目約為每一億個(gè)原子一個(gè)或更少時(shí)使用該術(shù)語。
[0142] 圖10是示出了作為忍部1020的P型滲雜密度W及殼體1010的η型滲雜密度兩者的 函數(shù)的納米線太陽能電池效率的圖。該圖總結(jié)了 W上所指出的發(fā)現(xiàn)，并且大體示出了可期 望更高的Ρ型忍部滲雜密度和更低的η型殼體滲雜密度。具體地，Ρ型忍部滲雜密度應(yīng)當(dāng)高于 10"cnf3,更優(yōu)選地至少1〇"畑八甚至更優(yōu)選地約l〇"cnf3。圖10還示出了為了實(shí)現(xiàn)高太陽能 電池效率，η型殼體滲雜密度應(yīng)當(dāng)較低，優(yōu)選小于10"cnf3，W及更優(yōu)選約IQiScnf3。
[0143] 從W上示出的示例性模擬中還發(fā)現(xiàn)，在實(shí)現(xiàn)高太陽能效率的優(yōu)選的P型忍部和η型 殼體滲雜密度范圍上，η型殼體不應(yīng)顯著地厚于約30-40nm，否則載流子-載流子散射開始增 長。因此，輕滲雜η型殼體應(yīng)盡可能薄W通過減小殼體中的載流子復(fù)合/載流子-載流子散射 來使載流子采集效率最大化，并且輕滲雜η型殼體應(yīng)大體不厚于約30-40nm。因此，取決于所 使用的材料參數(shù)，η型殼體優(yōu)選小于60加 1，更優(yōu)選50nm或更小，W及甚至更優(yōu)選地約30- 40nm。
[0144] 在使用P型GaAs忍部和η型AlxGai-xAs殼體的納米線結(jié)構(gòu)中，AlxGai-xAs的摩爾分?jǐn)?shù) 可影響太陽能電池的太陽能電池效率。因此，當(dāng)P型忍部滲雜密度和η型殼體滲雜密度分別 在l〇i9cnf哺IQiScnf3處保持恒定時(shí)，可在一定范圍的Α1摩爾分?jǐn)?shù)上運(yùn)行模擬。
[0145] 圖11示出在短路條件下x = 0.1至x = 0.9的A1摩爾分?jǐn)?shù)范圍上的能帶圖。實(shí)線1100 的組示出了在一定范圍的A1摩爾分?jǐn)?shù)上的導(dǎo)帶，其中，最低的線1101對應(yīng)于x = 0.1的最低 A1摩爾分?jǐn)?shù)，而最高的線1109對應(yīng)于x = 0.9的最高A1摩爾分?jǐn)?shù)。1101與1109之間的實(shí)線示 出了在A1摩爾分?jǐn)?shù)的運(yùn)些極限之間的導(dǎo)帶的逐漸變化。導(dǎo)帶1100示出了在±0.05μπι的異質(zhì) 結(jié)化etero-化nction)處，導(dǎo)帶能量勢壘對于更大的Α1摩爾分?jǐn)?shù)而增大。
[0146] 實(shí)線1130的組示出了在一定范圍的A1摩爾分?jǐn)?shù)上的價(jià)帶，其中最高的線1131對應(yīng) 于x = 0.1的最低A1摩爾分?jǐn)?shù)，而最低的線1139對應(yīng)于x = 0.9的最高A1摩爾分?jǐn)?shù)。
[0147] 虛線1110的組表示電子準(zhǔn)費(fèi)米能級能量化F-e)，其中最低的線1111具有x = 0.1的 最低A1摩爾分?jǐn)?shù)，而最高的線1119具有x = 0.9的最高摩爾分?jǐn)?shù)。該圖還示出了由虛線1120 的組表示的空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級能量Ep-h，其中最高的線11121對應(yīng)于x = 0.1的最低A1摩爾分 數(shù)，而最低的線1129對應(yīng)于x = 0.9的最高A1摩爾分?jǐn)?shù)。兩個(gè)組1110和1120表示準(zhǔn)費(fèi)米能級 能量分裂如何隨A1摩爾分?jǐn)?shù)而增大，指示了載流子采集隨著A1摩爾分?jǐn)?shù)的增大而劣化，并 且因此電場和開路電壓增大而短路電流減小。
[0148] 圖12示出了在短路條件下在納米線殼體中一定范圍的A1摩爾分?jǐn)?shù)上的電場輪廓。 在所示的實(shí)線組中，最低的線1201對應(yīng)于x = 0.1的最低A1摩爾分?jǐn)?shù)的電場輪廓，而最高的 線1209對應(yīng)于x = 0.9的最高A1摩爾分?jǐn)?shù)的電場輪廓。實(shí)線1204對應(yīng)于x = 0.4的A1摩爾分?jǐn)?shù) 的電場輪廓，但是如1201和1209之間的實(shí)線示出了在A1摩爾分?jǐn)?shù)的運(yùn)些極限之間電場的逐 漸變化的情況下，圖12還示出了在x = 0.4的A1摩爾分?jǐn)?shù)W上，A1摩爾分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加導(dǎo) 致電場的有限變化。
[0149] 電場輪廓1201至1209示出了增大的A1摩爾分?jǐn)?shù)通常導(dǎo)致更高的電場，但是電場輪 廓1201至1209還示出了在A1摩爾分?jǐn)?shù)x = 0.4(1204)?上，電場的增大由于飽和而受限。該 飽和是指在AlxGai-xAs中最低的導(dǎo)帶從Γ點(diǎn)移動到X點(diǎn)（其中Γ點(diǎn)和X點(diǎn)是布里淵區(qū)的臨界 點(diǎn))從而變成間接帶隙并且隨后隨著X的增加而非常緩慢地變化的情況。
[0150] 圖13是示出了作為A1摩爾分?jǐn)?shù)的函數(shù)的短路電流密度和開路電壓的圖，并且圖13 示出了在圖12中觀察到的當(dāng)A1分?jǐn)?shù)在X = 0.4 W上時(shí)的飽和效應(yīng)。示出了從x = 0.1至x = 0.4,開路電壓1310顯著增大，但是在x = 0.4W上時(shí)，飽和導(dǎo)致開路電壓受限而不再增大。
[0151] 另外，短路電流密度線1320表明：由于如圖11中所示，導(dǎo)帶能量勢壘在異質(zhì)結(jié)處增 加，所WA1摩爾分?jǐn)?shù)的增加對于短路電流密度具有負(fù)面影響。
[0152] 圖14是示出了作為A1摩爾分?jǐn)?shù)的函數(shù)的太陽能電池效率1410的圖，并且圖14示出 了在圖11至圖13中觀察到的結(jié)果的綜合效應(yīng)。雖然短路電流密度隨著A1摩爾分?jǐn)?shù)而減小， 但是隨著A1摩爾分?jǐn)?shù)增大而增大的電場抵消了對太陽能電池效率1410的影響，從而在飽和 效應(yīng)降低該影響前在x = 〇. 2處產(chǎn)生峰值。因此，可見在x = 0.2的A1摩爾分?jǐn)?shù)W上，太陽能電 池效率減小。
[0153] 上述模擬結(jié)果表明保持低的A1摩爾分?jǐn)?shù)是有利的，優(yōu)選在x = 0.3W下，更優(yōu)選在X =0.1與x = 0.3之間，W及更優(yōu)選在x = 0.2處。
[0154] 每個(gè)納米線的尺寸可影響太陽能電池效率，因此模擬不同的忍部直徑、殼體厚度 和納米線長度可W是有利的。圖15是示出了針對一定范圍的納米線長度的、作為P型忍部直 徑的函數(shù)的太陽能電池效率的圖。在圖15中示出的模擬中，P型忍部滲雜密度和η型殼體滲 雜密度分別在4xl〇i9cnf3和4xl〇i6cnf3處保持恒定，并且殼體厚度和Α1摩爾分?jǐn)?shù)分別固定在 50nm和x = 0.2處。
[01W] 實(shí)線1510示出了納米線結(jié)構(gòu)太陽能電池效率如何在納米線的長度是Ιμπι并且P型 忍部直徑為50nm至500nm的情況下變化。線1520和線1530類似地示出了在一定范圍的Ρ型忍 部直徑上的太陽能電池效率的變化，但是納米線長度為2μπι和3μπι。對于Ιμπι的納米線1510， 在200nm的直徑處發(fā)現(xiàn)太陽能電池效率的第一峰值，而在400nm的忍部直徑處發(fā)現(xiàn)太陽能電 池效率的更大的第二峰值。對于2WI1的納米線1520,太陽能電池效率隨著達(dá)25化m的忍部直 徑而大體增大，在此處，太陽能電池效率隨著忍部直徑開始大幅增加直到400nm處的峰值。 類似地，對于化m，太陽能電池效率隨著達(dá)250nm的忍部直徑少量地上升，之后在300nm與 500nm之間急劇地上升至顯著的峰值。運(yùn)些模擬結(jié)果表明，有利的是忍部直徑介于250nm與 500nm之間、優(yōu)選地介于300nm與450nm之間、W及更優(yōu)選地約400nm。
[0156] 從W上模擬中確定的400nm的最佳忍部直徑可W是由徑向p-n結(jié)的光學(xué)模式與 AM1.5G太陽光譜之間的光譜重疊達(dá)到最大W及載流子采集程度所導(dǎo)致的，從而產(chǎn)生最佳吸 收率、最佳載流子再生率和最佳載流子采集效率。
[0157] 圖15還示出了納米線長度從Ιμπι增大至3WI1導(dǎo)致太陽能電池效率增大，從而表明了 納米線長度與太陽能電池效率之間的關(guān)系。由于帶隙收縮而導(dǎo)致重滲雜Ρ型忍部具有擴(kuò)展 的吸收帶寬，所W使用合適的納米線長度將允許AM1.5G太陽光譜的與納米線光學(xué)模式重疊 的光譜分量被最大化地吸收，從而產(chǎn)生徑向ρ-η結(jié)的最佳太陽能電池效率。為確定最佳納米 線長度，可例如使Ρ型忍部滲雜密度、η型殼體滲雜密度、殼體厚度、Α1摩爾分?jǐn)?shù)和忍部直徑 分別在4^1〇19(3111^3、4^1〇16(31]^3、5〇皿、^二〇.2和4〇〇皿處保持恒定來運(yùn)行模擬。
[015引圖16是示出了作為1皿至3μπι的納米線長度的函數(shù)的太陽能電池效率的圖，圖16還 示出了使用共形TCO觸頭與使用面狀TCO觸頭的不同。部分1611和部分1631示出了納米線長 度從1WI1增大至6皿導(dǎo)致太陽能電池效率迅速增大，運(yùn)是因?yàn)閷ι畲┩窤M1.5G太陽光譜分量 的光吸收增大。然而，由于在Ρ型忍部中嚴(yán)重的空穴堆積導(dǎo)致過量的非福射載流子復(fù)合，所 W納米線長度介于6WI1與7WI1之間處示出了太陽能電池效率存在顯著的下降。
[0159] 納米線長度隨后的從7μπι至17μπι( 1612和1632)的增大導(dǎo)致太陽能電池效率類似地 增大直至達(dá)到位于17皿處的第二嚴(yán)重空穴堆積。該循環(huán)示出為如線1613和1633較低的斜率 所示的、W太陽能電池效率的逐漸降低的增長率來重復(fù)其本身，運(yùn)是因?yàn)樵讦毙腿滩课漳?帶中的ΑΜ1.5G太陽光譜分量的強(qiáng)度隨著其軸向穿過納米線而減弱。當(dāng)納米線長度顯著地長 于吸收能帶中充分吸收全部AM1.5G太陽光譜分量的長度時(shí)，太陽能電池效率隨著納米線長 度增加的增大速率將最終變?yōu)樨?fù)數(shù)。
[0160] 圖16還示出了具有共形側(cè)壁TC0觸頭(參見圖2Α的250)的納米線結(jié)構(gòu)與具有面狀 TC0觸頭(參見圖2Β的256)的納米線結(jié)構(gòu)之間的太陽能電池效率區(qū)別。該圖示出了除了納米 線長度介于1WI1至2WI1之間的情況之外，具有面狀TC0觸頭的太陽能電池相較于具有共形TC0 觸頭的太陽能電池具有更高的太陽能電池效率。
[0161] 相較于共形側(cè)壁TC0觸頭的情況，在面狀TC0觸頭的情況下太陽能電池效率隨著納 米線長度的增大而增大得更迅速。相較于共形TC0觸頭在6WI1處的13.7%的效率，在面狀TC0 觸頭的情況下，6μπι長的納米線的太陽能電池效率峰值是約14.1%。將長度從64111增大至74111 可導(dǎo)致共形觸頭和面狀觸頭的太陽能電池效率分別降至9.7%和9.5%。
[0162] 由于面狀TC0觸頭不遭受嚴(yán)重的能帶彎曲效應(yīng)，所W面狀TC0觸頭比共形側(cè)壁TC0 觸頭表現(xiàn)得更好，其中該能帶彎曲效應(yīng)限制載流子動力學(xué)/輸運(yùn)W及光子回收效率，如共形 側(cè)壁TC0觸頭那樣。
[0163] 在較短的納米線長度（1皿和2皿)的情況下，面狀TC0觸頭的太陽能電池效率更低， 運(yùn)是因?yàn)橛筛吣芄庾由傻碾娮佑捎诟吣茈娮拥膲勖潭鵁o法像在共形側(cè)壁TC0觸頭 的情況下那樣被有效地采集。在運(yùn)些更短的長度的情況下，面狀TC0觸頭相較于具有共形 TC0觸頭的太陽能電池具有更低的有效電流密度。
[0164] 雖然面狀TC0觸頭相較于具有共形TC0觸頭的太陽能電池可產(chǎn)生略微更高的開路 電壓，但運(yùn)并不足W補(bǔ)償由高能光子生成的電子的損失。具有面狀TC0觸頭的太陽能電池中 的略微較高的開路電壓是由于忍部和殼體中的顯著較高的福射復(fù)合率、俄歇復(fù)合率和SRH 復(fù)合率而導(dǎo)致的，并且(忍部和殼體中的)較高的福射復(fù)合率W及(忍部中的)較高的俄歇復(fù) 合率導(dǎo)致具有面狀TC0觸頭的太陽能電池中的忍部中的電子準(zhǔn)費(fèi)米能級能量增加。
[0165] 在圖17中示出了在圖16中觀察到的嚴(yán)重空穴堆積，圖17示出了納米線長度是扣m 的空穴電流密度的軸向輪廓1705、納米線長度是6μπι的空穴電流密度的軸向輪廓1706、納米 線長度是7WI1的空穴電流密度的軸向輪廓1707和納米線長度是8WI1的空穴電流密度的軸向 輪廓1708。從扣m的線1705至6WI1的線1706的改變示出了沒有隨著納米線長度的增加而嚴(yán)重 空穴堆積的跡象，并且更長的長度導(dǎo)致空穴電流密度的增加。然而，從6皿的線1706至7皿的 線1707的改變示出了空穴電流密度的顯著降低，從而表示空穴堆積W及其效應(yīng)傳播通過納 米線的整個(gè)長度，如軸向輪廓所示。
[0166] 納米線長度從7μπι(1707)至祉m(1708)的進(jìn)一步增加示出了空穴電流密度的增加， 運(yùn)是因?yàn)榧{米線通過吸收具有低吸收系數(shù)的Ml. 5G太陽光譜成分而建立光生載流子總數(shù)。 因?yàn)檫\(yùn)些額外的光生空穴在距離P型襯底lymW內(nèi)生成，所W運(yùn)些空穴容易被從P型忍部清 除出至P型襯底并且從底部觸頭清除出至外部電路，從而導(dǎo)致平衡時(shí)空穴電流密度增加且 由此并不導(dǎo)致嚴(yán)重空穴堆積。額外的光生電子容易從P型忍部移動至η型殼體，從而從頂部 觸頭流出至外部電路。
[0167] 根據(jù)W上模擬結(jié)果，可能有利的是將納米線長度限定到某些值。因此可優(yōu)選地將 納米線長度，具體是Ρ型忍部長度限定到從模擬中確定出的峰值之一，該峰值表示在嚴(yán)重空 穴堆積之前最長的局域長度。納米線長度選自扣m至7WI1的范圍和15μπι至17WI1的范圍中的至 少一個(gè)，W及優(yōu)選選自扣m至6WI1的范圍和15WI1至16WI1的范圍中的至少一個(gè)，W及更優(yōu)選選 自6μηι和16μηι中的一個(gè)，W及更優(yōu)選地是6μηι。
[0168] 圖18示出了殼體厚度對太陽能電池效率的影響。線1810示出了具有共形TC0觸頭 的電池的殼體厚度與太陽能電池效率之間的關(guān)系，而線1820示出了當(dāng)使用面狀TC0觸頭時(shí) 的關(guān)系。線1810和線1820示出了更薄的殼體導(dǎo)致更高的太陽能電池效率，但當(dāng)納米線的光 學(xué)模式變得有泄露時(shí)，太陽能電池效率最終顯著下降。運(yùn)種泄露可能是由于殼體太薄W至 于無法有效地將光約束在納米線中，從而導(dǎo)致光學(xué)模式從最佳點(diǎn)偏離。當(dāng)殼體厚度是30nm 時(shí)，GaAs/Al〇.2Ga〇.8As忍部-殼體納米線的光學(xué)模式變得不穩(wěn)定，并且當(dāng)殼體比30nm薄時(shí)太 陽能電池效率迅速下降。因此，具有共形側(cè)壁TC0觸頭或面狀TC0觸頭的徑向p-n結(jié)GaAs/ Alo.sGao.sAs忍部-殼體納米線太陽能電池的最薄殼體大約可W是40nm。
[0169] 當(dāng)殼體厚度是20nm或更小時(shí)，具有面狀TC0觸頭的太陽能電池的太陽能電池效率 1820低于具有共形側(cè)壁TC0觸頭的太陽能電池的太陽能電池效率1810,運(yùn)是因?yàn)閺娜滩恐?發(fā)射的光子穿透光學(xué)泄露殼體而不在殼體中生成任何電子-空穴對。因此，當(dāng)殼體厚度是 2〇nm時(shí)，具有面狀TC0觸頭（由此在GaAs/Alo.2Gao.8As界面處的導(dǎo)帶能量勢壘顯著地更高）的 太陽能電池中的電流密度低于具有共形側(cè)壁TC0觸頭的太陽能電池的電流密度，從而導(dǎo)致 更低的太陽能電池效率。
[0170] 在另一示例中模擬了 6WI1長的納米線，其中該納米線具有:共形側(cè)壁觸頭;P型滲雜 密度是6xl〇i8cm3且直徑是400nm的GaAs忍部；W及η型滲雜密度是3xl〇i 6cm3的Alo.2Gao.8As殼 體。納米線的太陽能效率隨著殼體被制造得更薄而增加，在40nm厚度時(shí)達(dá)到14.4%的太陽 能效率峰值，之后當(dāng)殼體更薄時(shí)太陽能效率迅速下降至約11%。在另一示例中，模擬了6μπι 長的納米線，其中該納米線具有:面狀觸頭;Ρ型滲雜密度是7xl〇i6cm3且直徑是400nm的GaAs 忍部；W及η型滲雜密度是l〇i6cm3的Alo.sGao.sAs殼體。在該示例中，當(dāng)殼體比48nm薄時(shí)殼體 被充分電離，因此在該示例中最高的太陽能電池效率為當(dāng)殼體厚度為48nm時(shí)所實(shí)現(xiàn)的 14.4%。
[0171] 圖19示出了如下太陽能電池的有效J-V特性(有效電流密度與電壓之間的關(guān)系）， 其中該太陽能電池具有6WI1長的納米線、直徑是40化m(NA=4xl〇i9cnf3)的GaAs忍部、厚度是 40nm(ND = 4xl0"cm-3)的Alo.2Gao.8As殼體、共形TC0觸頭（由線1910表示)或面狀TC0觸頭（由 線1920表示）。具有面狀TC0觸頭的納米線展現(xiàn)出約45. ImA/cm2的有效短路電流密度W及約 1.03V的開路電壓，而具有共形TC0觸頭的納米線展現(xiàn)出約43.7mA/cm2的有效短路電流密度 W及約0.94V的開路電壓。
[0172] 圖20通過示出沒有光學(xué)反射損失的理想情況下的J-V特性來示出光學(xué)反射損失的 影響。圖20針對如下的太陽能電池，其中該太陽能電池具有6μπι長的納米線、直徑是400nm (NA=4xlO"cm-3)的 GaAs 忍部、W 及厚度是 40nm(ND = 4xl〇i8cm-3)的 Alo.2Gao.8As 殼體。圖 20 示 出了具有零光學(xué)反射且具有共形TCO觸頭的電池的J-V特性2010W及理論極限2020，W及具 有零光學(xué)反射且具有面狀TCO觸頭的電池的J-V特性2030W及理論極限2040。在既沒有載流 子復(fù)合也沒有光學(xué)反射損失的情況下考慮理論極限。
[0173] 對于具有零光學(xué)反射和面狀TC0觸頭的電池2030,有效短路電流密度和開路電壓 分別是大約83.6mA/cm2和1.05V。運(yùn)是由于采集高能電子或熱電子的能力而導(dǎo)致的，其中該 能力是由于使載流子-載流子散射損失最小化的高電場和輕滲雜薄殼體W及由于對納米線 光學(xué)模式的強(qiáng)光學(xué)約束(其導(dǎo)致本征的高光子回收率和高載流子生成率)而實(shí)現(xiàn)的。對于處 于理論極限2040的具有面狀TC0觸頭的電池，有效短路電流密度和開路電壓分別是大約 87.6mA/cm2 和 1.07V。
[0174] 圖21示出了在短路條件下對具有共形頂部觸頭的電池和具有面狀觸頭的電池的 能帶圖的模擬結(jié)果。在圖21呈現(xiàn)的示例性模擬中，納米線具有6皿的長度，Alo.2Gao.8As殼體 具有4xl〇i6cm-3的滲雜密度和50nm的厚度，W及GaAs忍部具有4xl0"cm- 3的滲雜密度和400nm 的直徑。
[0175] 2101中示出了具有共形TC0觸頭的太陽能電池的能帶圖。線2110示出了沿徑向p-n 結(jié)的輪廓的導(dǎo)帶Ec而線2113示出了沿徑向p-n結(jié)的輪廓的價(jià)帶Εν。在圖2101中表示出了準(zhǔn)費(fèi) 米能級能量分裂，其中線2111表示電子準(zhǔn)費(fèi)米能級能量化F-e)而線2112表示空穴準(zhǔn)費(fèi)米能 級能量化F-h)。類似地，在圖2102中，線2120、線2121、線2122和線2133分別示出了具有面狀 TC0觸頭的太陽能電池的Ec、EF-e、EF-h和Εν。
[0176] 如圖2101和圖2102中所示，在面狀TCO觸頭的情況下位于GaAs/Alo.2Gao.8As界面處 的導(dǎo)帶能量勢壘明顯更高，而共形TC0觸頭2101中的能帶彎曲相較于面狀TC0觸頭2102被抬 升。此外，在面狀TC0觸頭的情況下，殼體中的電子準(zhǔn)費(fèi)米能級能量明顯更高并且殼體中的 空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級能量的低谷非常小。運(yùn)些性質(zhì)表明了具有面狀TC0觸頭的太陽能電池中的 載流子輸運(yùn)比具有共形TC0觸頭的太陽能電池中的載流子輸運(yùn)更有效率。
[0177] 圖22示出了對于具有共形TC0觸頭（圖2201)的太陽能電池和具有面狀TC0觸頭（圖 2202)的太陽能電池，載流子密度如何在徑向p-n結(jié)的輪廓上變化。圖22中模擬的納米線的 性質(zhì)與圖21中模擬的納米線的性質(zhì)相同。線2210和線2220分別示出了在具有共形TC0觸頭 的太陽能電池的輪廓上和在具有面狀TC0觸頭的太陽能電池的輪廓上的空穴密度，W及線 2211和線2221分別示出了在具有共形TC0觸頭的太陽能電池的輪廓上和在具有面狀TC0觸 頭的太陽能電池的輪廓上的電子密度。
[0178] 圖2201和圖2202示出了在面狀TC0觸頭的情況下殼體處的空穴密度和在忍部處的 電子密度比在共形TC0觸頭的情況下高得多。具有面狀TC0觸頭的太陽能電池中位于GaAs/ Alo.2Gao.8As界面處的更高的導(dǎo)帶能量勢壘增加了忍部中的電子密度，從而導(dǎo)致了忍部中更 高的復(fù)合率并且產(chǎn)生了更高的光子回收效率。
[0179] 圖23示出了與圖21和圖22中模擬的太陽能電池具有相同性質(zhì)并且具有共形TC0觸 頭和面狀TC0觸頭的太陽能電池的沿輪廓的復(fù)合率。具體地，圖2301示出了具有共形TC0觸 頭（線2311)和具有面狀TC0觸頭（線2310)的太陽能電池的俄歇復(fù)合率，并且插圖2315提供 了圖2301的、-0.2WI1與Own之間的X軸上的值的放大圖。類似地，圖2302示出了具有共形TC0 觸頭(線2321)和具有面狀TCO觸頭（線2320)的太陽能電池的福射復(fù)合率，圖2303示出了具 有共形TC0觸頭（線2331)和具有面狀TC0觸頭(線2330)的太陽能電池的肖克萊-里德-霍爾 (SRH)復(fù)合率，并且也提供了插圖2325和插圖2335。
[0180] 在圖2301、圖2302和圖2303中的每個(gè)中可觀察到具有面狀TC0觸頭的太陽能電池 中的載流子復(fù)合率基本上更高。
[0181] 忍部中更高的福射復(fù)合率通過吸收從來自面狀TC0觸頭的太陽能電池的忍部的再 發(fā)射光子而導(dǎo)致了殼體中更高的空穴密度，并且有助于電子電流。殼體中更高的空穴密度 反過來導(dǎo)致殼體中更高的載流子復(fù)合率，由此更高的福射復(fù)合率增加了光子回收。
[0182] 由于(忍部和殼體中的）更高的福射復(fù)合率和(忍部中的）更高的俄歇復(fù)合率而導(dǎo) 致忍部中的電子準(zhǔn)費(fèi)米能級能量增加并且在具有面狀TC0觸頭的太陽能電池中導(dǎo)致更高的 開路電壓。
[0183] 雖然具有面狀TC0觸頭的太陽能電池在GaAs/Alo.2Gao.8As界面處具有顯著更高的 導(dǎo)帶能量勢壘，但是長于2皿的納米線的有效電流密度仍高于具有共形側(cè)壁TC0觸頭的太陽 能電池，運(yùn)是因?yàn)橥ㄟ^吸收了來自忍部的再發(fā)射光子而導(dǎo)致殼體中更好的光子回收。運(yùn)表 明雖然具有面狀TC0觸頭的太陽能電池中的載流子復(fù)合率比具有共形側(cè)壁TC0觸頭的太陽 能電池中的載流子復(fù)合率高，但是具有面狀TC0觸頭的太陽能電池的載流子采集效率和光 子回收效率比具有共形側(cè)壁TC0觸頭的太陽能電池的載流子采集效率和光子回收效率高。
[0184] 通過優(yōu)化納米線的填密百分比來改善光束縛/匯聚/約束效果W及通過應(yīng)用抗反 射涂覆層來減少反射，使用運(yùn)些納米線的光伏裝置的太陽能電池效率可達(dá)到更高的太陽能 轉(zhuǎn)換效率。
[0185] 為了優(yōu)化陣列中納米線的填密百分比，作出了進(jìn)一步的模擬。圖24示出了納米線 陣列中納米線的填密百分比如何影響太陽能效率。在圖24示出的模擬中，使用了嵌入在 Si3N4(選擇Si3N4是因?yàn)槠渖崮芰及因?yàn)槠湔凵渎逝c諸如ZnO的TC0匹配從而使光學(xué)反 射損失最小化）中的具有面狀TC0觸頭的六邊形納米線，并且該納米線具有W上所示的最佳 性質(zhì)。在模擬中改變納米線陣列的節(jié)距W研究陷光程度W及作為納米線填密百分比函數(shù)的 太陽能電池特性。
[0186] 圖24中的圖示出了太陽能電池效率2410隨著填密百分比線性增加。該圖也示出了 在相鄰納米線之間的切面至切面間隔2420如何隨著填密百分比改變。當(dāng)在相鄰納米線之間 的切面至切面間隔是約160nm-174nm時(shí)，在所提供的示例性模擬中，日光被非常強(qiáng)烈地限制 在納米線陣列中并且達(dá)到最佳太陽能電池效率。
[0187] 將切面至切面間隔降低至174nmW下導(dǎo)致太陽能效率飽和并且由于衍射損失增加 而降低，從而阻止日光進(jìn)入納米線之間的空間。在示例性模擬中，當(dāng)節(jié)距太小W至于不允許 任何日光進(jìn)入納米線之間的空間時(shí)，太陽能效率降至小于38%。
[018引甚至于在填密百分比低至8%時(shí)，產(chǎn)生的太陽能效率為10%，該太陽能效率與當(dāng)前 報(bào)道的忍部-殼體納米線陣列的太陽能電池效率可比擬。因此，填密百分比優(yōu)選地是大于 8%。填密百分比更優(yōu)選高于20%，W及更優(yōu)選接近由于衍射損失增加而導(dǎo)致太陽能效率開 始下降的點(diǎn)，在該示例中運(yùn)個(gè)點(diǎn)為53.9%。
[0189] 在AM1.5G日光的入射角位于25°天頂角（zenith angle)和0°方位角（azimuth angle)的情況下進(jìn)行圖24的模擬。天頂角2431取作相對于納米線2430豎直Z軸的角度。方位 角2432取作在入射太陽光線與六邊形納米線2430的側(cè)切面法線之間的水平角度。
[0190] 在另一示例中，在AM1.5G日光的入射角位于60°天頂角和0°方位角的情況下進(jìn)行 模擬，其中該模擬是在如下納米線上進(jìn)行：該納米線具有6μπι的長度且具有面狀TC0觸頭； GaAs忍部直徑是400nm且具有7xl〇i6cm-3的Ρ型滲雜；W及Alo.sGao.sAs殼體具有l(wèi)〇i 6cm-3的η型 滲雜密度。在該示例中，太陽能電池效率隨著納米線填密百分比的增加而增加，但是在納米 線之間的間隔降至衍射極限W下的情況下，由于衍射損失大量增加所W太陽能電池效率顯 著下降。當(dāng)納米線間隔開160nm并且填密百分比是大約57.2%時(shí)，達(dá)到33.4%的峰值太陽能 效率。當(dāng)間隔小于160nm時(shí)，太陽能效率顯著下降（當(dāng)間隔是150nm時(shí)，太陽能效率下降至 23.9%)。
[0191] 在納米線陣列太陽能電池上的日光入射角可對陷光具有顯著影響。圖25示出了日 光的天頂角如何影響填密百分比是53.9%并且方位角是0°的最佳納米線陣列的短路電流 密度2510、太陽能電池效率2520、開路電壓2530和填充因子2540。該圖示出了為了達(dá)到高太 陽能電池效率，天頂角應(yīng)當(dāng)在15°至65°之內(nèi)。對于15° W下和75° W上的入射角，太陽能電池 效率分別在0°和89°處迅速下降。運(yùn)是由較高的反射損失而導(dǎo)致的，其中較高的反射損失將 入射角范圍是15°至65°時(shí)的短路電流密度71mA/cm2至80mA/cm2分別降低至入射角是0°和 89°時(shí)的24.3mA/cm2和10.1 mA/cm2。在0°至89°之間的全部入射角范圍上開路電壓和填充因 子維持相對恒定。
[0192] 由于納米線是六邊形的，所W入射太陽光線的方位角也應(yīng)當(dāng)影響納米線陣列太陽 能電池的特性。圖26示出了日光的方位角如何影響填密百分比是53.9%并且天頂角是25° 的最佳納米線陣列的短路電流密度2610、太陽能電池效率2620、開路電壓2630和填充因子 2640。
[0193] 短路電流密度示出為在方位角是0°時(shí)達(dá)到大約79.6mA/cm2的最大值，此時(shí)太陽與 六邊形納米線的側(cè)切面法線共線。電流密度示出為隨著方位角增加至30°而逐漸降低至約 64.5mA/cm2的最小值，此時(shí)太陽與六邊形納米線的兩個(gè)直接相對的角共線，之后電流密度 在方位角是60°時(shí)上升至另一最大值。由于短路電流密度隨方位角的運(yùn)種變化，所W太陽能 電池效率也下降和上升。在方位角的范圍上，開路電壓和填充因子維持相對恒定。
[0194] 圖25和圖26中示出的模擬示出了最佳納米線陣列太陽能電池在寬天頂角范圍上 W及在全部方位角上展現(xiàn)出高太陽能效率。
[0195] 在另一示例中，對具有面狀TC0觸頭的納米線進(jìn)行模擬，W確定改變天頂角和方位 角的影響。對于具有面狀TC0觸頭的太陽能電池，在0°至10°的天頂角范圍上，由于光從側(cè)面 匯聚在納米線上，所W短路電流密度迅速增加。在10°至75°的天頂角范圍上，由于在面狀 TC0觸頭的表面處光學(xué)反射損失的增加 W及納米線側(cè)切面處的光學(xué)反射損失和照射長度的 相應(yīng)減少，所W短路電流密度飽和并且逐漸減少至另一穩(wěn)定期。對于75° W上的天頂角，由 于面狀TC0觸頭的表面處的光學(xué)反射損失越來越高W及納米線側(cè)切面的照射長度越來越 短，所W短路電流密度迅速下降。
[0196] 除了對于0°至10° W及75°至89°的天頂角，開路電壓略有滾降之外，開路電壓保持 基本恒定。開路電壓的運(yùn)種略微變化是由于未采集的載流子的小變化而造成的，由此少量 地改變了內(nèi)建電動勢。類似地，除了對于0°至10° W及75°至89°的天頂角，填充因子略微增 加之外，填充因子實(shí)質(zhì)上維持恒定。
[0197] 雖然圖25中繪出的太陽能效率是基于被照射的晶片表面區(qū)域，但是將基于實(shí)際的 吸收區(qū)域針對太陽能效率作出更好的計(jì)算。在1°至30°的天頂角上，基于吸收的太陽能效率 分別從2.5%顯著地增加至28.5%，運(yùn)是因?yàn)楦俚娜展庠诩{米線側(cè)切面上被反射，由此增 加了在納米線中吸收的日光量。
[0198] 對于35°至70°的天頂角時(shí)，基于吸收的太陽能效率在29.6%與31.8%之間飽和， 此時(shí)空氣/電池界面處的光學(xué)反射損失減少。天頂角超過70°時(shí)，由于空氣/電池界面處的光 學(xué)反射損失越來越大，所W基于吸收的太陽能效率迅速下降。因此，在具有約174nm的納米 線間隔的該示例中，最高的基于吸收的太陽能效率是31.8%，此時(shí)天頂角和方位角分別是 60° 和0°。
[0199] 類似于先前的示例，入射光的方位角對于開路電壓和填充因子的影響可W忽略， 其中開路電壓和填充因子分別通常維持在0.93V和0.73不變。短路電流密度在30°的情況下 確實(shí)從58.8mA/cm2的最大值逐漸降低至45mA/cm2的最小值。因此，基于吸收的太陽能效率隨 著方位角的變化而在26%與31.8%之間下降和上升。
[0200] 在一個(gè)示例中，具有納米線陣列的納米線結(jié)構(gòu)達(dá)到33.4%的太陽能效率，其中上 述納米線具有面狀TC0觸頭W及W下參數(shù):直徑是400nm且滲雜密度是7xl〇i6cm-3的P型GaAs 忍部;位于忍部周圍并且厚度是50nm且滲雜密度是l〇i6cnf3的η型Alo.2Gao.8As殼體;長度是6 WI1的納米線；160皿的切面至切面間隔；57.2%的填密百分比；0°的入射光方位角；W及60° 的入射光天頂角。因?yàn)樵撎柲茈姵爻^了當(dāng)前最好的單結(jié)面狀薄膜GaAs太陽能電池所達(dá) 到的28%至29%的太陽能電池效率并且大幅超過了當(dāng)前徑向p-n結(jié)太陽能電池的小于10% 的效率，所W就單p-n結(jié)GaAs太陽能電池而言，該太陽能電池效率很高。
[0201] 雖然W上參數(shù)組合可導(dǎo)致最佳太陽能電池效率，但是所表示出的每個(gè)參數(shù)范圍均 導(dǎo)致該參數(shù)自身對于太陽能電池效率的改善?？梢黄鸹騿为?dú)使用所限定的不同參數(shù)從而改 善徑向p-n結(jié)太陽能電池的太陽能電池效率。
[0202] 雖然存在用于確定p-n結(jié)特性的計(jì)算模擬方法，但是在設(shè)計(jì)產(chǎn)生了多個(gè)出人意料 且有用的結(jié)果的模擬時(shí)，作出了具有新穎性和創(chuàng)造性的考慮。不可避免地，對于精確計(jì)算提 出的技術(shù)方案的參數(shù)的計(jì)算需求很大，且因此本領(lǐng)域技術(shù)人員必須就W下作出具體選擇， 例如:何種估算是適當(dāng)?shù)?、模型中?yīng)包括哪些物理效應(yīng)、使用何種建模系統(tǒng)W及使用何種網(wǎng) 格。由于不恰當(dāng)?shù)倪x擇(諸如用于給定的大參數(shù)空間的錯誤網(wǎng)格），所W先前對運(yùn)種系統(tǒng)建 模的嘗試產(chǎn)生了不一致和不相關(guān)的結(jié)果。只有在具備了半導(dǎo)體裝置物理和計(jì)算建模中各領(lǐng) 域的大量知識并且通過克服與面狀薄膜太陽能電池中已知的設(shè)計(jì)趨勢相關(guān)的成見和偏見， 才能發(fā)現(xiàn)所提出的技術(shù)方案的一致且令人驚訝的結(jié)果。
[0203] 應(yīng)理解，本公開包括上述實(shí)施方式中所闡述的可選特征的排列和組合。具體地，應(yīng) 理解，W與可提供的任何其它相關(guān)獨(dú)立權(quán)利要求相組合的形式公開了所附從屬權(quán)利要求中 闡述的特征，并且本公開不僅限于運(yùn)些從屬權(quán)利要求的特征與其所原始引用的獨(dú)立權(quán)利要 求的組合。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 光伏裝置，包括固定至襯底的至少一個(gè)納米線結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)所述納米線結(jié)構(gòu)均包 括： 重?fù)诫sP型芯部，具有固定至所述襯底的近端和遠(yuǎn)離所述襯底延伸的遠(yuǎn)端；以及 η型殼體，位于所述p型芯部周圍。2. 如權(quán)利要求1所述的光伏裝置，其中所述ρ型芯部由GaAs形成，以及所述η型殼體由 AlxGai-xAs形成，其中X小于或等于0.2。3. 如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光伏裝置，其中所述ρ型芯部被充分重?fù)诫s，以實(shí)現(xiàn)以 下情況中的至少之一： 使準(zhǔn)費(fèi)米能級能量分裂最大化； 使所述納米線結(jié)構(gòu)的內(nèi)建電場最大化； 擴(kuò)展所述納米線結(jié)構(gòu)的吸收光譜；以及 使所述芯部中朝向內(nèi)部的陽光的衍射和反射中的一個(gè)或多個(gè)最大化。4. 如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光伏裝置，其中所述ρ型芯部的摻雜密度大于1018cnf3， 優(yōu)選 l〇19cm-3。5. 如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的光伏裝置，其中所述ρ型芯部的摻雜密度大于或等 于 1016cnf3 并且小于 1018cm_3。6. 如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光伏裝置，其中所述η型殼體被輕摻雜。7. 如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光伏裝置，其中所述η型殼體被充分輕摻雜，以實(shí)現(xiàn)以 下情況中的至少之一： 使所述η型殼體中的耗盡區(qū)最大化；以及 使載流子-載流子散射最小化。8. 如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光伏裝置，其中所述η型殼體的摻雜密度小于1017cnf3， 優(yōu)選 l〇16cm-3。9. 如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光伏裝置，其中所述η型殼體足夠薄，以使所述η型殼 體中的載流子-載流子散射損失最小化。10. 如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光伏裝置，其中所述η型殼體具有20nm至50nm的厚 度，并優(yōu)選30nm的厚度。11. 如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光伏裝置，其中所述P型芯部的直徑足夠大，以使入 射太陽光譜與所述納米線的光學(xué)傳播模式之間的光譜重疊最大化。12. 如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光伏裝置，其中所述ρ型芯部的直徑大于300nm，并優(yōu) 選400nm。13. 如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光伏裝置，其中所述納米線的長度足夠大，以吸收入 射太陽光譜的深穿透光譜分量。14. 如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光伏裝置，其中所述納米線的長度被限制，以使空穴 堆積最小化。15. 如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光伏裝置，其中所述納米線的長度為5μπι至7μπι，并且 優(yōu)選6μηι。16. 如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光伏裝置，其中所述襯底包括硅。17. 如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光伏裝置，其中所述襯底包括石墨層。18. 如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光伏裝置，其中所述納米線的遠(yuǎn)端包括抗反射涂覆 層。19. 如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光伏裝置，其中每個(gè)所述納米線結(jié)構(gòu)均以透明導(dǎo)電 氧化物(TCO)進(jìn)行涂覆。20. 如權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述的光伏裝置，還包括:位于所述至少一個(gè)納米線結(jié) 構(gòu)上方的面狀TCO觸頭。21. 如權(quán)利要求20所述的光伏裝置，其中在所述面狀TCO觸頭與所述至少一個(gè)納米線結(jié) 構(gòu)之間設(shè)置有絕緣聚合物。22. 如權(quán)利要求1所述的光伏裝置，其中： 所述P型芯部具有大于300nm的半徑，優(yōu)選400nm; 所述P型芯部由GaAs形成并具有大于1018cnf3的摻雜密度，并優(yōu)選1019cnf 3; 所述η型殼體具有小于50nm的厚度，優(yōu)選40nm; 所述η型殼體由AlQ.2GaQ.8AS形成并具有小于10 17cnf3的摻雜密度并優(yōu)選1016cnf3;以及 所述納米線結(jié)構(gòu)具有大于5M1的長度，優(yōu)選5μπι至7μπι，以及更優(yōu)選6μπι。23. 制造光伏裝置的方法，其中所述光伏裝置包括生長在襯底上的至少一個(gè)納米線，所 述方法包括： 生長納米線，其中所述納米線包括： 重?fù)诫sΡ型芯部，具有固定至所述襯底的近端和遠(yuǎn)離所述襯底延伸的遠(yuǎn)端；以及 η型殼體，位于所述ρ型芯部周圍。24. 太陽能電池，所述太陽能電池包括多個(gè)如權(quán)利要求1至22中任一項(xiàng)所述的光伏裝 置，其中所述多個(gè)光伏裝置布置成陣列，所述陣列具有大于8%的填密百分比，優(yōu)選大于 20%，以及更優(yōu)選50 %至55 %。25. 光伏裝置，包括固定至襯底的至少一個(gè)納米線結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)所述納米線結(jié)構(gòu)均包 括： 面狀TCO觸頭，位于所述至少一個(gè)納米線結(jié)構(gòu)上方，其中在所述面狀TCO觸頭與所述至 少一個(gè)納米線結(jié)構(gòu)之間設(shè)置有絕緣聚合物； Ρ型芯部，具有固定至所述襯底的近端和遠(yuǎn)離所述襯底延伸的遠(yuǎn)端；以及 η型殼體，位于所述ρ型芯部周圍。
【文檔編號】H01L31/0352GK105874608SQ201480055147
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2014年8月14日
【發(fā)明人】林程關(guān), 赫爾格·維曼
【申請人】挪威科技大學(xué)