锌在锑化镓中扩散机理和锑化镓薄膜电池的理论研究

发布时间：2018-12-10 23:50

【摘要】：热光伏(Thermophotovoltaic,TPV)技术是一种将热能直接转化成电能的技术。与传统的太阳能光伏系统相比,TPV系统具有理论效率高、无可移动部件、便携、可靠性高等优点。TPV系统的辐射器温度一般在1000～2000K,辐射器发出的峰值光子能量集中在1.4～2.9 μm。锑化镓电池室温下禁带宽度为0.72 eV,光谱响应达到1.8μm,是TPV系统中最常用的光电转化器件。本文的研究围绕TPV系统的关键部件,即GaSb电池的研究展开。GaSb电池的核心部件是进行光电转化的p-n结。Zn扩散法是制备p-n结的常用方法。由于Zn扩散曲线对GaSb电池的性能有很大影响,因此理解Zn在GaSb中的扩散机理对精确控制Zn扩散曲线,进而制备高效的GaSb电池十分重要。实验结果表明在扩散温度和扩散时间一定时,分别采用纯Zn、Zn-Sb和Zn-Ga扩散源得到的Zn在n型GaSb中的扩散曲线具有不同的形状、表面浓度和表面有效扩散系数。首先,我们基于GaSb晶片表层区域处于平衡态的假设和填隙-替位理论推导出表面浓度、表面有效扩散系数与晶片表面蒸气压力之间的关系,并通过Ga/Sb/Zn三元相图和各组分蒸气压力的计算获得了扩散源不同时表面Zn浓度之比和表面有效扩散系数之比的理论值,定量解释了扩散源的组成对表面参数的影响。理论结果和实验结果趋势一致。其次,我们构建了具有不同Ga空位浓度的五个模型代表不同扩散源情况下距离晶片表面不同深度的GaSb晶体,采用第一性原理方法计算了 Zni在不同位置和价态时的形成能来讨论扩散源对Zni的稳定位置和价态的影响,并通过计算dissociative和kick out两种机制在不同模型中的激活能讨论了扩散源对扩散机制的影响。在对GaSb薄膜电池性能进行分析时,构建了薄膜电池内量子效率的计算模型。首先,基于密封式扩散法获得的box类型Zn扩散曲线预测了采用Zn扩散法制备p-n结的GaSb薄膜电池的内量子效率,并讨论了基区厚度、底面复合速率和空穴肖克莱-里德-霍耳(Shockley-Read-Hall,SRH)寿命对GaSb薄膜电池内量子效率的影响。其次,基于文献中实测的Te扩散曲线讨论了采用Te扩散法制备p-n结的GaSb薄膜电池的内量了效率,发现当扩散时间和扩散温度均相同时,采用Te扩散法制备的GaSb薄膜电池具有更高的内量子效率。最后,还对采用外延法制备p-n结的GaSb薄膜电池进行了讨论,发现采用外延法制备的GaSb薄膜电池的内量子效率要高于采用扩散法制备的GaSb薄膜电池。针对GaSb薄膜电池吸收率低的问题,我们设计了一种具有一维光栅薄膜耦合超材料结构的GaSb薄膜电池。采用严格耦合波分析法计算了该薄膜电池在横磁波(TM)和横电波(TE)两种偏振波垂直入射情况下的吸收光谱,发现设计的薄膜耦合超材料结构在TM波垂直入射情况下可显著增强薄膜电池的吸收率。对吸收光谱中各个吸收峰的产生机理进行分析后发现,该结构通过激发磁极化激元、表面等离子体极化激元和法布里-珀罗共振提高GaSb薄膜电池的吸收率。其次,对光栅周期、光栅厚度、介电层厚度等几何参数以及入射角对吸收光谱的影响进行了详细讨论。基于选择性辐射器预测了薄膜电池的短路电流、开路电压、输出功率和转化效率,并讨论了辐射器温度和发射带宽度对薄膜电池输出功率和转化效率的影响。最后,简单讨论了具有二维光栅薄膜耦合超材料结构的GaSb薄膜电池。二维光栅具有对称性,其吸收光谱不受TM或TE入射波的影响,计算结果表明具有二维光栅薄膜耦合超材料结构的GaSb薄膜电池理论最高转化效率可达41.1%,比采用一维光栅时的最高转化效率提高了 74.9%。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM914.42

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