劉紅梅，孟田華，田翠鋒，劉培棟，康永強，楊春花

（1.山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同，037009；2.山西大同大學固體物理研究所，山西大同，037009）

太陽能具有資源豐富、價格低廉、清潔可再生等特點，因而在風能、海洋能等眾多新能源中表現突出，尤受人們的青睞[1-2]。太陽能電池是利用光生伏特效應直接將太陽能轉化為電能的器件，到目前為止，主要有三類[3-5]：第一類是以單晶硅電池、多晶硅為代表的太陽能電池，其占據了大部分市場；第二類是以砷化鎵、銅銦鎵硒（CIGS）電池為代表的半導體薄膜電池；第三類是以染料敏化太陽能電池、聚合物太陽能電池為代表的光電化學太陽能電池。雖然這些太陽能電池部分已經能夠很好地實現光電轉化，展現出巨大的潛力，但由于受宏觀體效應的影響其性能依然不是很理想，存在吸收率偏低、光電轉換效率低等缺點。因此，人們把目光投向了量子點太陽能電池。該電池通過引入量子點納米結構，利用量子限域等效應可實現量子點太陽能電池性能的大幅度提升[6]。

2007 年Marti 等研究量子點太陽能電池時，發(fā)現量子點層數對電池的性能有重要影響，不一定隨著層數的增加而增加[7]。2014 年程玉梅等制備了3 層InAs/GaAs 量子點太陽能電池[8]，測量結果表明，在量子點高度為4 nm 時，電池的開路電壓為771 mV，短路電流為17.6 mA/cm2，填充因子為81.2，量子效率高達11%。而泰國的Laouthaiwattana 等也指出當量子點層超過5 時（對應0.25 μm 的量子點有源層），電池的光電流密度開始下降[9]。因此，本文以4層GaAs 量子點層太陽能電池為基礎，設計了金屬光柵-半導體-金屬反射層結構的增強量子點太陽能電池。該電池采用金屬光柵/P 型AlGaAs/4個周期量子點復合層/金屬反射層/襯底的主體結構。該電池吸收率在699.8 nm 波長處高達91% 以上，量子效率也提升了5.17%，有望促進太陽能電池的高效化、實用化。

1 量子點太陽能電池的結構

以1000 nm×1000 nm 面積的太陽能電池為例說明太陽能電池的結構，實際中可根據應用情況進行拓展。具體地，如圖1 所示，金屬增強量子點太陽能采用p-i-n 型縱向層狀結構。從下往上看，首先是300 nm 厚的GaAs 襯底和60 nm 厚的金屬反射層，其次是4 個周期的量子點復合層，其中量子點為GaAs圓錐體，高度為80 nm，頂端和底邊半徑分別為20 nm和40 nm；勢壘層為80 nm 厚的AlGaAs，最后為80 nm厚的P 型AlGaAs 和20 nm 厚的十字網格金屬光柵。這個增強太陽能電池頂端的光柵是在金屬金層上面挖去十字構成的周期結構，挖去的十字柵寬度為960 nm。圖2給出的是常規(guī)量子點太陽能電池的結構，其主體部分與增強量子點太陽能電池一樣，不同的地方在于它們的電極不同。常規(guī)量子點太陽能電池引入環(huán)狀電極僅起連接作用；而金屬增強太陽能電池引入的金屬光柵和金屬反射層不僅有電極連接作用，更重要的是利用表面等離激元效應和二次反射來增強太陽能電池吸收率。

圖1 金屬增強量子點太陽能電池

圖2 常規(guī)量子點太陽能電池

2 結果與分析

基于前面設計好的量子點太陽能電池，利用有限時域積分法，計算其光學傳輸情況，包括反射、透射等。圖3給出量子點太陽能電池的反射系數，從圖可以看出，在380～500 nm 范圍內，增強和常規(guī)量子點太陽能電池的反射情況基本一樣。從500 nm 波長開始，反射系數呈現出復雜的變化趨勢，在598.08 nm和699.63 nm 處金屬增強太陽能電池呈現出最小值，其值分別為-9.0136 dB 和-11.46 dB。這兩個最小值的就是因為金屬光柵引入導致表面等離激元產生的。而那些高于常規(guī)結構太陽能電池的反射系數值是由于金屬材料具有更大的反射特性導致的。圖4顯示了在相同波段下兩種電池的透射系數。通過比較發(fā)現，金屬增強太陽能電池透射系數明顯比常規(guī)太陽能電池透射系數低好多。尤其在波長468.75 nm時，其透射系數最低，其值為-94.86 dB，它比常規(guī)太陽能電池透射系數最低值低35.3751 dB。究其原因，這個最低的透射系數是由底部金屬反射層引入的二次吸收導致的。

圖3 太陽能電池的反射系數

圖4 太陽能電池的透射系數

根據圖3和圖4給出的反射、透射情況，圖5給出兩種太陽能電池的吸收率，在圖中，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，增強量子點太陽能電池吸收率都明顯高于常規(guī)量子點太陽能電池的吸收率。尤其在597.7 nm和699.1 nm波長處，金屬光柵增強量子點太陽能電池的吸收率高達87.24%和91.44%，比同波段的常規(guī)量子點太陽能電池吸收率高11.91%和43.47%。這是由于金屬光柵的引入產生表面等離激元效應，使入射可見光突破衍射極限，耦合入太陽能電池的透射光增多，從而產生更高的吸收率。當然，底端反射層導致的二次吸收也是電池吸收率增大的主要原因之一。

圖5 太陽能電池的吸收率

基于量子效率與吸收率之間的關系[10]，圖6 給出了太陽能電池量子效率的理論計算值?？傮w來看，金屬增強量子點太陽能電池量子效率明顯高于常規(guī)太陽能電池的量子效率，其在566.9 nm 處顯示出最大值35.7%，比同波長處常規(guī)太陽能電池的量子效率高出5.17%，這充分說明本文設計的金屬增強量子點太陽能電池的性能優(yōu)于常規(guī)量子點太陽能電池。另外，本設計沒有充分考慮量子點非均勻性等問題的影響，實際中金屬增強量子點太陽能電池的量子效率要比文中的計算值低一些。

圖6 太陽能電池的量子效率

3 結語

通過在常規(guī)量子點太陽能電池的頂端、底端分別引入金屬光柵和金屬反射層構建增強量子點太陽能電池，極大地改善了常規(guī)量子點太陽能電池的性能。模擬結果表明，增強量子點太陽能電池比常規(guī)量子點太陽能電池具有更高的吸收率，最大吸收率高達91.41%，其量子效率在566.9 nm 波長處為35.7%。下一步應該持續(xù)探討金屬光柵結構尺度對增強太陽能電池性能的影響，以期為太陽能電池的優(yōu)化提供理論支持。