GaN基异质结纳米线理论研究及其在太阳能电池方面的应用

Recently, the nitride based heterostructure nanowires as the potential building blocks for integrated photonic device has attracted wide attention. Compared with other semiconductor material such as silicon, gallium arsenic (GaAs),indium phosphide (InP), the growth of nitride base nanowires is self-catalyzed, and the unwanted catalysis contamination to the nanowires is eliminated. The nitride based fabrication is in harmony with the environment compared with arsene and phosphine. This project is aimed at the growth mechanism, strain distribution between different material layers, in order to optimize the optical absorption efficiency of nanowire array and fabricate GaN-based solar cell system. Theoretically, the growth model of GaN-based heterostructure nanowires is established. The optimized deposition condition is found out through the analysis of the relation between nanowire radius, deposition thickness and lattice mismatch. Experimentally, the heterostructure nanowires-based solar cell is fabricated with self-catalyzed MOCVD deposition condition on the basis of theoretical designs mentioned above. This project offers a new idea to the design of solar cell and will give rise to enormous social benefits.

近年来，GaN基异质结纳米线作为光电子集成重要的潜在组成部件，吸引了人们的广泛关注。相对于硅（Si）、砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等其它半导体材料，GaN基纳米线可采用自催化方法制备，去除了催化物对纳米材料造成的污染，而且氮化物与砷烷、磷烷等制备半导体器件常用的掺杂源相比，更加绿色环保。本项目通过研究GaN基异质结纳米线生长机制、不同材料界面间的应力分布，优化纳米线阵列的光谱吸收效率，从而制作出高转换效率的GaN基异质结纳米线阵列太阳能电池结构。理论上，建立GaN基异质结纳米线的生长机制模型，通过分析纳米线半径、外延层厚度和晶格失配度与位错之间的函数关系，给出纳米线异质外延的最佳条件；实验上，根据理论优化条件，采用MOCVD自催化方法制备出最大光谱吸收效率的异质结纳米线阵列太阳能电池。本项目的研究为高效率太阳能电池的制备提供了新的思路，有望产生较大的社会经济效益。

本项目研究了：1） 建立了GaN基异质结纳米线生长机制模型。推导出GaN基异质结纳米线生长速率对纳米线半径和沉积条件的依赖关系。估算出吸附粒子在衬底和纳米线侧壁的超饱和度和扩散长度，分析在MOCVD生长条件下粒子在纳米线侧壁的扩散效应、沉淀时间和温度对纳米线生长速率的影响。分别推导出轴向和径向异质结纳米线在不同掺杂源压力和温度条件下的轴向和径向生长速率。2）建立纳米线应力分析模型。对于轴向异质结纳米线，研究纳米线半径、外延层厚度和晶格失配度与位错之间的函数关系；对于径向异质结纳米线，分析外延“壳”的厚度以及内部“核”半径的大小对异质结纳米线晶体质量的影响，给出纳米线异质外延的最佳条件。3）建立纳米线阵列光谱吸收模型。理论分析同材料系条件下，纳米线在不同阵列单元排布的光谱吸收效率，得出最优的设计方案，为设计和制备异质结纳米线太阳能电池打下基础。4）实验上，根据理论优化条件，采用MOCVD自催化方法制备出最大光谱吸收效率的异质结纳米线阵列太阳能电池。本项目的研究为高效率太阳能电池的制备提供了新的思路，有望产生较大的社会经济效益。