砷化镓纳米线的尺寸与生长方向对其光伏特性的影响机制研究

Since the dependence of photovoltaic performance of GaAs nanowires (NWs) on the dimensions and growth orientations is extremely important and still not yet fully understood, this proposal is aimed to tackle these challenges utilizing the thorough, complementary optical and electrical characterization approach. Specifically, we (1) explore the optimization of GaAs NW growth via the "bottom-up" catalytic solid-source chemical vapor deposition and concentrate to study the growth mechanism by investigating how the catalyst particles determine the NW dimensions, crystal phase and growth orientations; (2) systematically evaluate the metal/NW contact properties with different NW dimensions and orientations; (3) assess the mechanistic correlation among the diameter, growth orientation and photovoltaic performance of fabricated GaAs NW solar cell devices. The successful completion of this project will be a major milestone to further deepen the fundamental understandings in enhancing the energy conversion efficiency of GaAs NWs based next-generation solar cells.

针对尺寸效应与晶体取向如何影响砷化镓纳米线的光伏特性这一基础性问题，本项目拟从生长机理－几何与晶体结构－光电性能关系入手，采用系列晶体学、光学及电学的表征手段，通过"自下而上"的方法，优化固态源化学气相沉积技术制备砷化镓纳米线的过程参数，并：（1）通过研究金催化剂颗粒如何决定砷化镓纳米线的尺寸、晶型与生长方向，揭示其生长机理；（2）通过研究不同金属电极与不同尺寸、取向的砷化镓纳米线的接触类型，确定具有欧姆接触与肖特基接触特性的金属电极材料；（3）通过研究不同尺寸、取向的砷化镓纳米线与不同金属电极接触下的光伏特性的影响，得到不同几何与晶体结构对砷化镓纳米线的光伏特性影响规律。本项目得到的系列研究成果预期可以深化砷化镓纳米线光伏特性的基础理论研究，也为其应用提供重要的过程参数控制依据。

由于其清洁、可再生等特点，太阳能在新能源开发与利用方面得到了全世界的广泛关注。三五族半导体材料GaAs，具有最高的理论光-电转换效率（约33%）和非凡的抗辐射性能，是制备高效、稳定的新一代太阳能电池的代表性材料。目前基于GaAs纳米线的太阳能电池，竖直结构的效率达到40%（光吸收增强，超过理论效率），水平结构达到11%。但是大部分纳米线材料是在昂贵的单晶基底上外延生长得到的，材料制备成本高；而且太阳能电池采用复杂的pin结构，制作过程繁琐。因此，如何低成本制备结构简单、转换效率高的GaAs纳米线太阳能电池是当前的难点问题之一。本项目从纳米线的尺寸与晶体取向对其光伏特性的影响机制入手，开发了二步法合成工艺及硫、氧表面活性剂辅助的化学气相沉积工艺，可控地合成了高晶体质量的GaAs纳米线。采用了系列晶体学、光学及电学的表征手段研究了纳米线的生长机理及光电转换机制。并通过微纳加工技术制作了基于肖特基接触的结构简单的太阳能电池器件，其中由Au-Al不对称电极制作的电池具有最高的开路电压，制备出的水平结构单根GaAs纳米线的太阳能电池效率高达16%，达到了水平结构纳米线太阳能电池效率的新纪录。进一步通过“微接触印刷”技术，实现了将平行的纳米线阵列转移到玻璃和聚酰亚胺基底上，进一步有效地制备出了性能稳定的透明和柔性的太阳能电池。同时，本项目研究过程中还进一步探索了新型半导体材料与结构及其在光伏领域的应用。