基于扫描探针的光电压/电流谱对半导体纳米线局域光伏特性的研究

半导体纳米结构在高效太阳电池和纳米电源等新能源技术方面已展现出良好的应用前景。随着尺度缩小，比表面积增大，其面临着一个关键的科学问题：纳米材料的表面对光伏性质的影响远大于体材料，表面态的作用机制和微观来源是什么，可否作为光伏特性调控的手段？由于宏观表征手段通常难以有效揭示纳米尺度局域特征和相关光伏过程之间的联系，本项目拟针对该问题发展一种研究局域光电性质的实验方法：基于扫描探针的光电压/电流谱，以轴向/壳层结构的GaAs和GaN基纳米光伏原型器件为研究对象，表征单根纳米线的局域光电压/电流响应，结合第一性原理计算分析各种表面电子态的分布、来源、对能带的调制和对载流子的散射作用，研究表面对电子空穴的激发、复合和输运等光伏过程的影响，并探索基于表面和表面态控制的新颖光伏特性量子调控手段。本项目的研究将有助于加深对纳米材料表面和光伏特性的了解，是设计新型高效太阳电池器件的基础。

本项目发展了一种局域的光电性质表征方法：基于原子力显微镜的光电压/电流谱方法，对半导体纳米线的光伏特性进行了系统的研究。从实验方法上，本项目在设备上进行了改进，提高了局域紫外光电压谱测量中入射光强密度，成功的获得了GaN材料表面单个位错缺陷附近的光电压谱；建立了相关的理论模型，可定量计算局域的少子扩散长度和表面复合速率等参量。在位错位置拟合获得的少子扩散长度比完整晶体位置的要短80 nm，而表面复合速率则为其1.6倍。了解这些载流子性质的空间分布以及位错缺陷对其的影响对于改进纳米光伏器件的性能至关重要。以CVD方法、光化学腐蚀和掩膜刻蚀制备了多种类型的纳米线/柱，包括非故意掺杂、n型/p型以及包含p-n结构的GaN纳米线/柱，采用基于原子力显微镜的光电压/电流谱方法以及电子显微镜、拉曼和光致荧光等多种表征手段，对其结构、形貌和光伏特性进行了系统的研究。对光化学腐蚀的GaN纳米线进行了表征，获得了缺陷引起的内建电势在纳米线中的局域光伏响应。对掩膜刻蚀的GaN纳米柱进行了表征，发现除带边360nm光波长的响应外，在高于带边的波长340nm处还有一个明显的响应。该高于带边的响应可能是由于N极性面的能带过填充引起的。N极性面和其它位置的表面构成的内建电场是纳米柱产生紫外光照响应的原因。在以上实验基础上，本项目还采用第一性原理方法对异质结纳米线的能带结构进行了计算和分析。本项目的研究有助于加深对纳米材料表面和光伏特性的了解，是制备高效纳米光伏器件的基础。