用于中间带太阳电池的InAs/GaAs1-xSbx 量子点研究

叶赛 季莲

南京工业大学能源科学与工程学院

0 引言

中间带太阳电池通过在半导体材料的导带和价带之间引入一个能带可以在输出电压不降低的情况下吸收低于带隙能量的光子使电池提高光电流和转换效率，从而突破单结电池31%的Shockley-Queisser效率极限[1]。根据理论计算，量子点中间带太阳电池的极限效率在全聚光条件下可以达到63.1%[2-4]。因此，近年来，量子点中间带太阳电池受到了广泛的关注[5]。

本文从研究相对成熟的InAs/GaAs 量子点出发，在GaAs 材料中引入Sb 元素，通过能带设计，实现量子点由I 类到II 类结构的转变。文中基于8 带k.p 模型对InAs/GaAs1-xSbx量子点的能带结构，波函数以及波函数的空间重叠积分进行了模拟计算，分别研究了覆盖层中的Sb 元素组分，量子点尺寸对圆柱形量子点的能带能量，电子和空穴波函数分布，带间跃迁能量等性质的影响。

1 理论模型

k.p 理论最早由Kane、Luttinger 和Kohn 等[6-7]研究人员提出，后来经过Park 等[8]人的进一步发展，包含了应力，能带耦合效应的作用，并开始应用于低维半导体异质结的模拟计算中去。

在该理论模型[8]中，平面透镜状的自组装InAs 量子点被近似为微型的圆盘，多层结构的InAs/GaAsSb异质结被近视为嵌入在GaAsSb 覆盖层中的InAs 量子点阵列。三维量子点阵列的结构图如图1 所示，定义量子点的生长方向[001] 为z 轴，x 和y 轴分别沿[100]和[010]，图中d 是GaAsSb 覆盖层的厚度，h 是量子点的高度，R 是量子点的半径，L 是相邻量子点间的距离。

图1 InAs/GaAsSb 量子点阵列结构示意图

量子点的子带能级和载流子波函数在8 带k.p 理论的框架下模拟得到，该理论最初用于研究体材料的电学性能，后来经过改善可以用来模拟低维异质结材料。……