高性能InAs-GaAs量子点中间能带太阳能电池的研究

可以看出，高能粒。ｆ辐射导致器件性能 的退化。高能粒子使材料中的晶格原子发生 移位，产生空位、填隙原子及空位．杂质复合 体等形式的晶格缺陷。随着质子辐照量的增 加，晶格移位原子增多，产牛的损伤缺陷密 度就愈大。当辐射量达到１Ｅ１０ ｃｍ。时，参比 样品的效率由１３．２％降拿２．７％，降幅８０％。 与之相比，由于量子点结构优秀的抗辐射性 能，５层量子点中间能带太阳能电池的效率 由９．８％降至３．２％，降幅６７％，１０层量子点
持，器件性能得到较快的捉月１蚰１。
２实验 采用、ｂｃｃｏ Ｇｃｎ １１分了束外延生Ｋ系统 （ＭＢＥ），在ＳＵａｎｓｋｉ－Ｋｔａｓｔａｕｏｖ模式下制备ｒ ｌｎＡｓ／ＧａＡｓ量子点材科。量子点的生长速率 为０ ０２ＭＬ坞，在沉积２ ０ＭＬ的ｌｎＡｓ之后停 顿１分钟，冉淀积０．８ＭＬ，总淀秘最为２ ８ＭＬ。 之后在鼍子点层上生长厚度为４ｎｍ的 Ｉｌｌ口ｌ ５Ｇａｏ＃５Ａｓ应力缓冲层和厚度为５０衄的 ＧａＡｓ盖层。量子点和盖层的生长温度均为 ５００℃。通过原子儿黼像和光致发光谱的表征 （圈１）可以得出，此条件下生长的量子点 材料，密度为３．５×１０…ｃｍ ２，点高为８ｒｉｍ， 点宽为３６ｒｉｍ，窜温下巾心波Ｋ为１２９０ｎｍ。
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通信地址北京啦９１２信栅．巾科‰半导体研宄所 材料科学重点宴№窜 ∞编：１０００８３ 联系电岳０】０－８２３０４５２９
致谢
车Ｊ二作得到国家ｎ然科学辇金 （６０８７６０３３ ６１０７６０５０ ６１０２ｔ００３）的资助， ＿术文作者２一杨涛感谢一｜Ｊ国科学院“百人计 划”的支持。
参考ｉ献：
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的太阳能电池抗辐射性能会得到根人的提 升。同时，量子点的引入限制丁材料中热载
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流子的扩散，减小ｒ村料的热教赢，在提高
器件的温度稳定性的同时降低了能量损耗。
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量子点中间能带太刚能电池能量转换效
率高、抗辐射能力强、工作温度区问宽的特 点，使其有ｒ泛的应用领域．并特别适用丁
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第十六詹全固化合物半导体．饿渡器件和光电曩｝件学术套议
我们制备出ＰＩＮ结构的ＧａＡｓ体材料参 比电池，并在Ｉ层中分别引入５层和１０层 ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子点，制备出两种中间能带太 阳能电池，其结构与参数细节如图２所示。 封装过程中，表面电极采用Ａｕ．Ａｇ合金，背 面电极采用Ａｕ，减反层采用Ｓｉ０２．１’ａ２０５，成 品的表面尺寸为０．５ｃｍ Ｘ ０．５ｃｍ。 ３结果与讨论 我们对ｉ组样品进行了光响应曲线的测 试，结果如图３所示。可以看出，无量子点 的ＧａＡｓ参比电池对于太阳光的吸收截止于 ９２０ｎｍ。引入中间能带结构后，电池对于太 阳光的吸收范围得到很大扩展：５层量子点 太阳能电池的吸收截止于
在氯化物半导体新材料、光了，Ｂ 体目纳米结构半导体盘千点村料 及器件应用等前沿领域中取得了 多项创新性成果。圪夸．日在￥ 要国际刊物上发表论文近５０篇， 目际会Ⅱ论文４０余篇盈申请闰 内外垃明专利６项。曾获德岛太
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作舌简介 杨晓兜，Ｗ，博±研究生．现在 中科院半Ｂ体所材料｛点实验 ｉ从事新型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量ｆ点 中Ｍ能带＾阳能电池和 Ｌ＇／Ａｓ／Ｓｂ：ＧａＡｓ量子点村料的研 究Ｉ作。
高性能ｌｎＡｓ／ＧａＡｓ量子点中间能带太阳能电池的研究
杨晓光，杨涛’，王科范，季海铭，谷永先，徐鹏飞，王占国
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９．８％。这应该与电池中的应力增加有判６｜。
中间能带太阳能电池的效率山６％降至２７％．
降幅５５％，降幅均大大低于参比样品，且此
时５层量子点中问能带太刚能电池的效率己
绎超过了参比电池。髓着辐射量的继续增加，
量丁点太阳能电池的优势愈加明显。 ４结论 本文在国内首次开展了量子点ｒｆｌ问能带 Ａ阳能电池的研究．制备ｎｊ高质量的 ｌａＡｓ，ＧａＡｓ量子点材料和鼍子点巾问能带太 阳能电池器件。实验结粜表明，孝Ｈ比０ｊ Ｇａ＾ｓ 体材料的参比电池，ＩａＡｓ／ＧａＡｓ量于点中问 能带太刖能电池的吸收光谱硅著扩展，且短 路ｌ“流有幅度约５３％的提升。分析了电池开 路电压和效率降低的胀闻，提出了解决思路。 在辐射实验札当辐射量达到１Ｅ１０ ｃｍ ２时， 量子点中问能带太刚能电池的效率已经超过 ｒ参比屯池，且随着辐射量的继续增ＪＪｕ，优 势愈加州显，
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图５样品的抗辐射性能测试
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ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ ｏｆｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｓ．
ｓａｍｐｌｅｓ’ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ．
我们对三组样品在光照为０．１Ｗ／ｍ２， ＡＭｌ．５条件下进行了电流．电压曲线的测试， 结果如图４所示。相比于参比样品，５层量 子点中间能带太阳能电池的短路电流由 ５．８ｍＡ大幅提升至９ｍＡ，这源于吸收光子数 的增加。但同时电池的开路电压由０．８７Ｖ降 至０．４８Ｖ，导致电池的效率由１３．３％降至
，
我们对ｉ组样品进行了抗辐射性能的测 试，采用Ｉｏｎｅｘ ＧＩＣ４１１７串联加速器，产生能 量为２ＭｅＶ的质子作为辐射粒子，同时为避 免辐射升温，速流强度选定为３０ｎＡ。辐射量 分别为１Ｅ１０，ＩＥｌｌ，ＩＥｌ２和２Ｅ１２。图５为 样品的效率随辐射量的变化曲线。
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ｌ引言 可再生、无污絷的太阳能被普遍认为是 解决世界能源凼境的蛙终方案。Ｈ前．受现 有太阳能ｌｎ池性能的限制，太刖能使用成奉
空间环境中，是人遗卫星、中间站等空问嚣 较为理想的能晕来澌。自１９９７年此构想提Ⅲ ８ Ｊ。量子点中问能带太同＿『能电池的研发得到 美国、西班牙、１３本菩【目家的关渖与大力支
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Ｆｉｇ．２．Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｓ．
Ｆｉｇ．４．Ｃｕｒｒｅｎｔ－ｖｏｌｔａｇｅ
嘲４样品的电流・电Ｊｈ曲线 ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆｔｈｅ
ｓａｍｐｌｅｓ．
１２００ｎｍ，１０层量子点太阳能电池的吸收截止 于１３３０ｎｍ。随着量子点层数的增加，量子点 间耦合增强，中间能带的连续性和质量得到 提高，使得对应Ｃ．Ｉ和Ｉ．Ｖ两段的长波长光 子吸收更为完全。由于中间能带的独立性， 三组样品在波长小于９２０ｎｍ的波段吸收情况 基本相同。
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理论上量子点结构是一个无缺陷的结构，量 子点的引入不会影响太阳能电池的开路电 压，但在实际制备中，应力的产生很难避免， 并在累积到一定程度后形成缺陷。当电ｆ．空 穴在电池内部移动时，缺陷会成为非辐射复 合的中心，并减少载流子寿命，降低材料准 费米能级差，从而影响器件的短路电流和开 路电压。当量子点层数增加至１０层时，应力 的累积导致开路电压Ｆ降更为明显。我们已 经开展了优化量子点生长技术及器件结构的 Ｔ作，希望降低应力的影响，提升电池的效 率。
高、效率低．与成熟的常规能源棚比劣势明
显。为了提高太阳能的利用能山．有必要探
索新型高教太阳能电池的材料与结构。
鼋子点是一种人工的零维纳米结构，具
有类似原子的分裂能级结构和三维方向限制
载流子的能力…。选择合适的形貌和分砧， 量子点的分裂能级镀此间形成波函数的变 叠，在材料的价带（ＶａｌｅａｃｚＢａｎｄ，ＶＢ）和导 带（Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｂａｎｄ，ＣＢ）问形成一个独立 的中间能带（ＭｃｒｍｃｄｉａｔｃＢａｎｄ．ＩＢ）。随着中 间能带的引八，＾阳能电池不仅可以吸收能 量大于禁带宽度（ＶＢ・ＣＢ）的光子，也可以 吸收能量小干材料椠带宽度（ＶＢ．ＩＢ和 ＩＢ－ＣＢ）的光于，且三个波段的吸收互小影响。 由此导致的电流强度上升．使得太刚能电池 的理论转换效率由体材料的４０ ７％大幅提升 至６３ １％”Ｊ。此外．量子点材料的抗辐射性能
杨涛．男．研究盟．睥±’￡导帅．巾科院“酉人计 划”入选者。１９９７年毕业于口本德岛大学．扶工学博 ■。毕ｎ后．作为研究员或ｍ理教授曾先后任职于 日立公司巾央研究所．新能撺Ｐ业技术综台开发机 构（ＮＥＤＯ）和东京大学。２００６年．回囝到中科院 半导体研究所Ｉ作。 牺涛研究Ｍ长期执事半导
体材料、％件与物理研究，尤其