GaAs覆盖层对用于中间带太阳能电池设计的GaSb量子点的影响

《Micro and Nanostructures》：Effect of GaAs capping layer on GaSb quantum dots for intermediate-band solar cells design

本文研究了基于带类型II导齐量子点（QD）的包层结构对中间带太阳能电池（IBSCs）电子与光学性质的影响，通过单带包络函数方法和应变效应模拟，比较了包层（CL）与量子阱（QW）的量子限制效应，揭示了CL对中间带（IB）能态和光吸收谱的调控作用，并指出通过优化QD尺寸和CL厚度可实现高效二次光子吸收。

　　

R. Neffati|A. Hamrita

沙特阿拉伯阿拉基亚克（Alaqiq）65779-7738，阿尔巴哈大学（Al-Baha University）理学院物理系

摘要

我们研究了一种基于具有II型导带（CB）排列的 capped 量子点（QD）的新型结构的电子和光学特性，该结构适用于中间带太阳能电池（IBSCs）。这种结构在操控IB态的电子和光学特性方面具有很大的灵活性。在我们的模拟中，我们考虑了在AlGaAs基质中的传统GaAs-capped GaSb QD。我们使用单带包络函数方法确定了覆盖层（CL）中的电子态，并考虑了应变效应。根据费米黄金法则，我们计算了偶极近似下的吸收系数，并分析了IB-CB跃迁的吸收光谱。我们强调了使用CL而非量子阱的重要性。吸收光谱对QD尺寸和CL厚度的变化非常敏感。通过仔细选择这种结构的参数，可以有效地实现阳光的第二光子吸收跃迁。

引言

由于低维纳米结构在各种应用中的巨大潜力，它们已成为重要的研究课题。研究表明，半导体量子点（QDs）在三个空间方向上对载流子进行量子限制，为开发各种新的光电子和电子设备提供了重要潜力。在这些应用中，基于量子点的太阳能电池（QDSC）在过去十年中得到了广泛研究[1]、[2]、[3]、[4]。II型QDs因仅对电子或空穴进行量子限制而受到更多关注，而其他载流子则受到相反的影响。这导致II型QDs具有与I型QDs不同的光学特性：I型QDs中的电子和空穴都被限制在点内。由于载流子的空间分离，II型QDs展现出相对于I型QDs的独特优势，包括更长的激子寿命、更低的激子精细结构分裂（允许产生纠缠光子[5]）以及高度可调的激子偶极矩[6]。迄今为止，大多数努力都集中在使用II型QDs开发中间带隙能量太阳能电池（IBSCs）上。这种方法通过量子点在中间宿主半导体带隙内的位置来形成中间带（IB）：要么基于电子的IBSC[7]，要么基于空穴的IBSC[8]。这种配置允许通过两个带隙的光子吸收过程增强光电流：首先是从价带（VB）到IB的跃迁，然后是从IB到导带（CB）的跃迁。在目前关于II型QD太阳能电池的研究中，已经使用了几种技术来实现高效的两步光子吸收，从而最大限度地利用太阳光谱。最近，混合型I型-II型QDs成为最有用的技术，因为它结合了I型QDs的高吸收系数和II型QDs的长载流子寿命[9]、[10]。令人惊讶的是，迄今为止，几乎没有文献研究在CB中与QD分离且处于三维量子限制下的II型QD太阳能电池。本研究首次探讨了在IBSC中使用覆盖层（CL）而非量子阱（QW）对GaSb QD的影响。我们扩展了之前的方法，该方法研究了在井中限制的点外的IB，利用了嵌入InGaAs QW中的GaSb/GaAs QDs[11]，通过用CL替换QW，并分析了CL和QW限制对所得IB特性的影响。随后，我们研究了改变CL厚度和QD尺寸对位于AlGaAs基质中的GaAs capped GaSb QD的影响。我们的工作重点在于利用这种特殊结构实现两步光子吸收的第二步跃迁的效率。GaSb QD对IB态和波函数分布的CL效应为有效实现第二光子吸收跃迁提供了额外的自由度。我们采用单带包络函数方法，并在假设组成材料具有各向同性弹性特性的前提下考虑了应变效应，计算了CB的电子结构，并研究了从IB到CB态的横向电（TE）和横向磁（TM）偏振吸收。

部分摘录

CL中的电子能态和波函数

本研究分为两部分。第一部分旨在强调在IBSC中使用的QDs具有II型排列且CB中采用CL而非QW的重要性。第二部分关注QD尺寸和CL厚度变化对两步光子吸收第二步跃迁的影响，以便比较QW和CL限制对IB-CB吸收特性的影响。首先对两种由含有50% Sb的GaAsSb QD组成的结构进行了计算

结果与讨论

图1展示了两种结构的示意图：图1a中的Ga_0.5As${}_{0.5}$Sb QD被In_0.3Ga_0.7As QW覆盖，而图1b中的Ga_0.3Ga_0.7As CL对其进行覆盖，这两种结构都位于GaAs基质中。还展示了通过QD中心的z方向的能带结构示意图。每种结构得到的电子基态等高线图也一并展示。对于这两种结构，我们可以看到基态电子波

结论

简而言之，使用宽带材料对在CB中具有II型排列的QD进行覆盖是一种实现高效量子点基太阳能电池的有前景的方法。本研究首次强调了在这种结构中使用CL而非QW来限制CB态的重要性。与QW相比，CL中的三维限制为在阳光充足的情况下实现强吸收提供了额外的自由度。我们研究了QD变化的影响

CRediT作者贡献声明

R. Neffati：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、研究、可视化。A. Hamrita：撰写 – 原始草稿、软件、方法论、形式分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。