GaAs半导体材料是一种重要的光电材料，由于它的直接带隙和高载流子迁移率等优良特性，该材料通常用于制造高效太阳能电池。众所周知，可以利用表面织构化减少表面反射来提高太阳能电池对光的吸收，从而提高电池的转换效率。近年来，各种表面织构化用于高效太阳电池制作中，比如有蜂窝状，金字塔形，倒金字塔形和V形沟槽结构。但是，这些方法不能应用于GaAs太阳能电池表面织构化。一方面与硅相比，其晶面在<001>表面上，不能自发产生表面锥体结构。另一方面GaAs表面复合较大，如果直接刻蚀表面，会引起较大的表面复合。另外，通过等离子等技术实现周期性表面阵列，会进一步增加了生产成本。因此，在GaAs太阳能电池的表面制作具有简单，方便的减反射的表面织构化结构仍然是一个挑战。我们发现可以通过自组装方法在GaAs的表面材料沉积一层具有周期性结构的纳米球阵列，基于纳米球阵列对光的散射及衍射作用，可以明显增加光子在电池内的传播路径。此外，纳米球还可以根据需要易于改变几何参数等优点，从而方便制作，并且该方法是构建二维周期性结构的最简单方法之一。

在这项工作中，浙江工业大学信息工程学院彭银生教授等对二维纳米球表面阵列对GaAs太阳能电池特性影响进行了理论仿真和分析。研究发现纳米球的材料，大小及分布是影响太阳能电池转换效率的关键参数。结果表明，相邻纳米球（D）的距离对转化效率影响很大，当D从0到1 μm变化时，转化效率降低超过2％，最低转换效率<18％，但当d>2 μm时几乎保持不变，具有较差的制作容差性。纳米球的半径（R）表现出很好的制作容差性。例如对于D＝0，纳米球半径在0.3 μm至1.2 μm非常宽的变化范围内，效率变化不到1％，并且太阳能电池仍然表现出非常高的转换效率（＞20％）。我们还发现，在最佳折射率（n=2.1）附近，材料的选择有很好的容差性，材料折射率在±24％的变化内，电池效率变化仅约0.2％。以上研究表明不需要高精度的加工设备，纳米球阵列可以使用自组装化学方法进行制作完成。本工作不仅可以应用于GaAs太阳电池上，也可以用于其它材料太阳电池上，对于制作各种太阳电池减反射膜具有一定的指导作用。

图1 纳米球阵列GaAs太阳电池原理图

Nano-sphere surface arrays based on GaAs solar cells

Yinsheng Peng, Shufeng Gong, Kai Liu, Minghai Yao

J. Semicond. 2020, 41(1): 012701

doi: 10.1088/1674-4926/41/1/012701

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（来源：半导体学报公众号）