GaAs纳米线/In(Ga)As量子点复合径向异质结构的制备及其光伏特性研究

Combining two low-dimentional semiconductor structures, nanowire and quantum dot, is an attractive and frontier subject.Nanowire/quantum dots hybrid radial heterostructures have promising applications in new-generation solar cells due to the potential advantages of sufficient light absorption, high gain and high conversion efficiency.Our group has directly grown InAs and InGaAs quantum dots on the side facets of GaAs nanowires for the first time, and also observed the room-temperature photoluminescence of GaAs nanowire/InAs quantum dots hybrid structures. Based on the previous work, we will conduct deep research on the basis and applications of nanowire/quantum dots hybrid radial heterostructures in this project. The work includes the contrallable growth of size and density-contrallable, high quality GaAs nanowire/In(Ga)As quantum dots hybrid radial heterostructures, fabrication of sinlge nanowire p-i-n and nanowire p-i-n arrays based on nanowire/quantum dots hybrid structures and application explorations of these hybrid p-i-n structures in solar cells. The research offers new possibilities for the innovation of nanoheterostructure device physics.

将纳米线和量子点两种低维半导体结构结合起来是一个非常诱人的前沿课题。纳米线/量子点复合径向异质结构具有光吸收充分、增益大、转换效率高等潜在优势，在新一代太阳能电池中有良好的应用前景。申请者所在课题组首次在GaAs纳米线侧面上直接外延生长出了InAs、InGaAs量子点，并观测到了GaAs纳米线/InAs量子点复合结构的室温光致发光谱。基于已有的工作基础，本项目拟在半导体纳米线/量子点复合径向异质结构的基础和应用方面开展深入的研究工作，具体包括：尺寸、密度可控的高质量GaAs纳米线/In(Ga)As量子点复合径向异质结构的可控生长；基于纳米线/量子点复合结构的单根纳米线p-i-n结、纳米线p-i-n结阵列的制备；上述复合p-i-n结构在太阳能电池中的应用探索。以上研究为纳异质结构器件物理的创新提供了新的可能性。

本项目围绕纳米线/量子点复合结构及其光伏特性开展了系统的理论和实验研究工作，在纳米线/量子点复合径向结构的可控生长、纳米线基光伏器件的设计与仿真、纳米线阵列光电子器件的研制、单根纳米线光电子器件的研制等方面取得了重要进展。主要成果包括：1、制备出GaAs/InAs纳米线/量子点、Si基GaAs/InAs纳米线/量子点、InGaAs/InAs纳米壳/量子点、InP/InAs纳米线/量子点、GaAs/InAs纳米线/多层量子点、GaAs/InAs纳米线/孤立量子点等一系列纳米线/量子点复合结构，为纳米线基光电子器件的制备奠定了基础；2、设计仿真了多节纳米线阵列、表面等离子体增强型GaAs纳米线阵列、倾斜纳米线阵列、钙钛矿/纳米线阵列复合结构、纳米线/量子点复合结构等若干新型太阳能电池器件，实现了不同程度转换效率的提升；3、制备出GaAs纳米线径向pin结太阳能电池原型器件，在AM1.5太阳光下器件的开路电压、短路电流、填充因子和转换效率分别为0.17 V，21.7 mA/cm2，0.32和1.2%；4、制备出基于石墨烯/GaAs纳米线阵列复合结构的光伏器件，器件的开路电压为0.43 V，短路电流为3 μA，在零偏压下的响应度为1.54 mA/W；5、制备出石墨烯/单根GaAs纳米线复合结构光伏器件，在AM1.5G太阳光下，器件的开路电压为75 mV，短路电流为37.5 nA，光电转换效率达8.8%；6、制备出单根InAs纳米线光探测器、单根InAs纳米线光晶体管、单根InP纳米线光探测器等一系列新型纳米线光电转换器件。基于上述研究成果，在Applied Physics Letters等国际高水平学术期刊上发表SCI收录论文26篇，国际会议论文10篇。申请发明专利4项，其中已授权3项。依托项目培养博士研究生9名，硕士研究生13名，其中1人次获中国电子学会优秀博士学位论文提名，2人次获北京邮电大学优秀博士学位论文。