1.密度泛函理論研究Gen+1和AsGen（n=1-20）團(tuán)簇的生長(zhǎng)行為和電子性質(zhì)

阿爾及利亞烏爾加拉大學(xué)M. Benaida和沙特阿拉伯King Abdullah科技大學(xué)M. Harb博士以密度泛函理論（DFT）為基礎(chǔ)，針對(duì)As摻雜原子對(duì)不同Gen+1異構(gòu)體（其中n=1-20）的結(jié)構(gòu)、能量以及電子性質(zhì)產(chǎn)生的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的計(jì)算研究。通過(guò)考慮每個(gè)Gen+1團(tuán)簇尺寸的大量結(jié)構(gòu)，確定了其中具有最低能量的異構(gòu)體種類(lèi)。最低能量的異構(gòu)體為n≥5的三維結(jié)構(gòu)。此外，根據(jù)計(jì)算的束縛能、解離能和二階能量差，可以得出異構(gòu)體的相對(duì)穩(wěn)定性與原子尺寸之間的關(guān)系。用一個(gè)As原子摻雜進(jìn)入Gen+1團(tuán)簇中并不能提高其穩(wěn)定性。根據(jù)計(jì)算出的HOMO-LUMO能隙、垂直電離勢(shì)、垂直電子親和勢(shì)和化學(xué)強(qiáng)度等參數(shù)，得出了其電學(xué)性質(zhì)與原子尺寸的關(guān)系，結(jié)果表明將一個(gè)As原子加入到Gen團(tuán)簇中對(duì)其電學(xué)性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生顯著影響。

圖2 AsGen（n=1-20）團(tuán)簇的最有利結(jié)構(gòu)及其異構(gòu)體

Growth behavior and electronic properties of Gen+1and AsGen(n = 1–20) clusters: a DFT study

M. Benaida, K. E. Aiadi, S. Mahtout, S. Djaadi, W. Rammal and M. Harb

J. Semicond.2019, 40(3), 032101

doi: 10.1088/1674-4926/40/3/032101

2.缺陷態(tài)對(duì)平面鹵化錫鈣鈦礦太陽(yáng)電池性能的影響

甲基銨混合鹵化鉛（MAPbXs）以其優(yōu)異的光電性能而聞名，近年來(lái)在光伏領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。在短短的8年時(shí)間內(nèi)，MAPbX鈣鈦礦太陽(yáng)電池（PSC）的光電轉(zhuǎn)換效率從3.8%顯著提高到22.1%。盡管MAPbXs具有許多優(yōu)異的性能，但有毒元素鉛的使用在大規(guī)模實(shí)施中可能存在問(wèn)題。因此，用環(huán)保元素代替鉛，可以大大提高在實(shí)際應(yīng)用和生產(chǎn)中的潛力。

浙江師范大學(xué)固態(tài)光電器件省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃仕華教授對(duì)鹵化錫MASnI3（MA = CH3NH3）鈣鈦礦太陽(yáng)能電池進(jìn)行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)其比鉛基的帶隙（約1.6 eV）更窄，CH3NH3SnI3帶隙為1.3 eV，這使其能夠覆蓋更寬的可見(jiàn)光譜范圍，并為MASnI3 PSC提供了更大的短路電流（JSC）。為了進(jìn)一步提高M(jìn)ASnI3 PSC的轉(zhuǎn)化效率，需要深入了解其內(nèi)部電子動(dòng)力學(xué)和相應(yīng)的界面工程，明確轉(zhuǎn)化效率的極限物理機(jī)制。眾所周知，由于缺陷狀態(tài)的強(qiáng)界面復(fù)合，良好的界面質(zhì)量是高效率PSC的關(guān)鍵因素。

數(shù)值模擬對(duì)于理解、設(shè)計(jì)和優(yōu)化高效太陽(yáng)能電池變得越來(lái)越重要。模擬方法可以直觀(guān)地檢查太陽(yáng)能電池中的每個(gè)參數(shù)，從而確定最佳的操作條件。到目前為止，還沒(méi)有關(guān)于MASnI3 PSC數(shù)值模擬的報(bào)道。SCAPS-1D程序是一個(gè)基于泊松方程和連續(xù)性方程的通用太陽(yáng)能電池模擬程序，由于其結(jié)構(gòu)與薄膜太陽(yáng)能電池和鈣鈦礦中的萬(wàn)尼爾激子相似，因此被用于模擬平面結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池。

本文利用SCAPS-1D（3.3.02版）進(jìn)行了一維器件模擬，研究了吸收層缺陷狀態(tài)以及吸收體/電子輸運(yùn)層（ETL）和吸收體/空穴輸運(yùn)層（HTL）的界面對(duì)MASnI3 PSC效率的影響。由于鈣鈦礦吸收體的吸收系數(shù)很高，在陽(yáng)光入射側(cè)的吸收界面密度是影響吸收效率的決定性因素。界面電荷的極性對(duì)帶彎曲和復(fù)合速率有不同的影響。考慮到缺陷狀態(tài)的影響，通過(guò)對(duì)各種參數(shù)的優(yōu)化，模擬電池效率達(dá)到29%以上，突出了鈣鈦礦在實(shí)現(xiàn)高效率方面的巨大潛力。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真，有助于進(jìn)一步了解器件的工作原理和提高效率。

圖2 中性界面缺陷的PSC效率與界面缺陷密度的關(guān)系曲線(xiàn)

Influence of defect states on the performances of planar tin halide perovskite solar cells

Shihua Huang, Zhe Rui, Dan Chi，Daxin Bao

J. Semicond.2019, 40(3),032201

doi: 10.1088/1674-4926/40/3/032201

3.光吸收對(duì)GaN基發(fā)光二極管金屬納米表面反射鏡的影響

金屬納米粗化圖形反射鏡被廣泛應(yīng)用到提高LED光提取效率。然而，金屬納米粗化圖形反射鏡帶來(lái)的光吸收損耗卻經(jīng)常被忽略。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體照明研究開(kāi)發(fā)中心于治國(guó)教授對(duì)影響金屬納米粗化圖形反射鏡光學(xué)性能的因素進(jìn)行了深入研究。和傳統(tǒng)的平面反射鏡相比，使用Ag納米粗化圖形反射鏡時(shí)，LED的光輸出功率提高了78%，然而，使用Al納米粗化圖形反射鏡時(shí)，LED的光輸出效率僅提高了6%。使用FDTD對(duì)光吸收情況進(jìn)行模擬，再進(jìn)行金屬反射譜分析，后發(fā)現(xiàn)金屬納米粗化圖形反射鏡的表面等離子體本征吸收起了重要作用。這個(gè)發(fā)現(xiàn)將對(duì)開(kāi)發(fā)高性能金屬納米粗化圖形反射鏡、設(shè)計(jì)高性能的光電器件有著重要的推動(dòng)作用。

圖1 金屬納米粗化圖形反射鏡LED與傳統(tǒng)平面反射鏡LED的光輸出功率-注入電流關(guān)系對(duì)比圖

Influence of light absorption on the metallic nanotextured reflectors of GaN-based light emitting diodes

Xuejiao Sun, Zhiguo Yu, Ning Zhang, Lei Liu, Junxi Wang, Jinmin Li and Yun Zhang

J. Semicond.2019, 40(3), 032301

doi: 10.1088/1674-4926/40/3/032301

4.低損傷磁控濺射法制備n型氧化物半導(dǎo)體納米薄膜Cu2O基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的光伏性能

日本金澤理工學(xué)院光電器件系統(tǒng)研發(fā)中心Toshihiro Miyata教授利用新型多室濺射系統(tǒng)制備了n型氧化物半導(dǎo)體薄膜，并制備了采用該薄膜的Cu2O基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，改善了電池的光伏性能。利用該多室濺射系統(tǒng)優(yōu)化濺射條件，本實(shí)驗(yàn)還得到了AZO/p-Cu2O異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的最高效率（3.21%）。該效率值等于甚至高于利用脈沖激光沉積法制備的相似結(jié)構(gòu)的AZO/ Cu2O太陽(yáng)電池。

圖6 AZO/p-Cu2O異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池典型J–V特性與其預(yù)濺射時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)

Photovoltaic properties of Cu2O-based heterojunction solar cells using n-type oxide semiconductor nano thin films prepared by low damage magnetron sputtering method

Toshihiro Miyata, Kyosuke Watanabe, Hiroki Tokunaga and Tadatsugu Minami

J. Semicond.2019, 40(3), 032701

doi: 10.1088/1674-4926/40/3/032701

5.基于蟻群算法的全角度寬光譜多層增透膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著人類(lèi)對(duì)清潔能源需求的不斷增加，太陽(yáng)能電池受到廣泛關(guān)注。增透膜是決定太陽(yáng)能電池效率的重要組成部分，傳統(tǒng)的增透膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)入射光和反射光干涉相消，從而增強(qiáng)透射，然而這種方法只針對(duì)單波長(zhǎng)正入射。因此，如何提高表面增透膜的全角度寬光譜太陽(yáng)光入射效率是一個(gè)重要的科學(xué)問(wèn)題。

隨著微納技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)明了多種全角度寬光譜增透膜創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，例如仿生眼、亞波長(zhǎng)Mie共振、多層多孔結(jié)構(gòu)、納米柱等等，最近人們又提出了折射率梯度變化（GRIN）結(jié)構(gòu)用于消除菲涅爾反射。然而，由于優(yōu)化過(guò)程中空間參數(shù)中包含了多個(gè)局部最小值，因此無(wú)法通過(guò)優(yōu)化局部最小值從而確定增透膜整體結(jié)構(gòu)。為解決這個(gè)問(wèn)題，人們發(fā)展了遺傳基因法、模擬退火法等優(yōu)化算法用于優(yōu)化設(shè)計(jì)增透膜結(jié)構(gòu)中的折射率變化梯度。

自然界中，螞蟻具有能夠找到食物最短距離的超常能力，基于這種自然現(xiàn)象而發(fā)展出來(lái)的蟻群算法(Antcolony algorithm)是一種啟發(fā)式算法。與傳統(tǒng)優(yōu)化方法相比，蟻群算法的全局優(yōu)化結(jié)果對(duì)初始條件不敏感，在解決多種實(shí)際問(wèn)題優(yōu)化方案方面被證明是一種有效的、智能的優(yōu)化方法。

北京郵電大學(xué)郭霞教授詳細(xì)描述了將蟻群算法用于增透膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，并做了兩個(gè)改進(jìn)：1、采用入射量子效率作為評(píng)價(jià)函數(shù)，改變了傳統(tǒng)采用反射率或是透射率作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；2、采用由地面經(jīng)緯度和時(shí)間決定的SPCTRL2太陽(yáng)輻照光譜。以基多、北京和莫斯科三個(gè)城市為例，給出了0°~90°，300nm~1100nm入射條件下增透膜優(yōu)化結(jié)構(gòu)，最大入射效率可以提高4%。

光學(xué)性能表征相對(duì)容易，然而具有優(yōu)異光學(xué)性能的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的手段卻相對(duì)匱乏，本文為獲得全角度寬光譜增透膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一種有效的優(yōu)化算法。

圖1 N層抗反射涂層系統(tǒng)的折射率梯度結(jié)構(gòu)。平面波由空氣中入射，其折射率為n0，入射角為θ。抗反射涂層每一層的厚度均為di，折射率為ni（i=1，2，…，N）。假設(shè)整個(gè)吸收層位于底層，其折射率為nab且無(wú)背表面反射。右側(cè)曲線(xiàn)顯示了折射率梯度變化的數(shù)值以及各抗反射層的厚度

Optimization of broadband omnidirectional antireflection coatings for solar cells

Xia Guo, Qiaoli Liu, Huijun Tian, Ben Li, Hongyi Zhou, Chong Li, Anqi Hu and Xiaoying He

J. Semicond.2019, 40(3), 022702

doi: 10.1088/1674-4926/40/3/032702

6.高效硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的金字塔尺寸控制和形貌處理

硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池越來(lái)越受到產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的關(guān)注。硅片的表面形貌對(duì)于獲得高質(zhì)量的非晶硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)界面非常重要，對(duì)電池性能產(chǎn)生重大影響。

中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室田小讓博士生首次提出在單晶硅制絨過(guò)程中，刻蝕速率存在一個(gè)拐點(diǎn)。在這個(gè)拐點(diǎn)時(shí)的刻蝕量和金字塔尺寸存在一個(gè)非常明顯的線(xiàn)性關(guān)系。拐點(diǎn)和拐點(diǎn)處的刻蝕量隨刻蝕工藝不同而發(fā)生改變。我們的研究表明金字塔尺寸可以通過(guò)控制拐點(diǎn)處的刻蝕量進(jìn)行有效控制。通過(guò)這種方法，我們制備出了0.5微米到12微米范圍的金字塔，并獲得了適合異質(zhì)結(jié)電池的金字塔最優(yōu)尺寸范圍。圖1顯示刻蝕處的刻蝕量可以通過(guò)改變刻蝕條件進(jìn)行調(diào)整。圖2可看出金字塔尺寸和拐點(diǎn)處的刻蝕量存在線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖1 刻蝕量隨刻蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而增加

圖2 金字塔尺寸和拐點(diǎn)處的刻蝕量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

但是，僅通過(guò)金字塔的有效控制不足以獲得更高的界面鈍化效果和更高的開(kāi)路電壓。因此，采用化學(xué)平滑法進(jìn)行了各向同性刻蝕工藝研究，以使金字塔表面變的“圓”和“光滑”，基本上去除了小的缺陷結(jié)構(gòu)。

利用金字塔尺寸控制和形貌處理技術(shù)，結(jié)合非晶硅沉積和電極優(yōu)化技術(shù)，我們制備出了轉(zhuǎn)換效率達(dá)到23.6%的硅異質(zhì)結(jié)電池，開(kāi)路電壓達(dá)到734mV，短路電流39.9mA/cm2，填充因子達(dá)到80.6%。

Pyramid size control and morphology treatment for high efficiency silicon heterojunction solar cells

Xiaorang Tian, Peide Han, Guanchao Zhao, Rong Yang, Liwei Li, Yuan Meng and Ted Guo

J. Semicond.2019, 40(3), 032703

doi: 10.1088/1674-4926/40/3/032703

7.面向電子應(yīng)用的新型g-C3N4/G/h-BN異質(zhì)結(jié)構(gòu)

印度Motilal Nehru National Institute of Technology Allahabad電子與通信工程系Santosh Kumar Gupta教授和印度Loknayak Jai Prakash Institute of Technology Chhapra電氣與電子工程系Rupesh Shukla教授研究了外電場(chǎng)對(duì)六角疊層結(jié)構(gòu)（AAA）中石墨碳氮化物-石墨烯-六角氮化硼（g-C3N4/G/h-BN）和Bernal疊層結(jié)構(gòu)（ABA）中石墨烯-石墨碳氮化物-六角氮化硼（G/g-C3N4/h-BN）共兩種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的帶隙的影響，計(jì)算了其層間距、束縛能以及有效質(zhì)量。利用密度泛函理論（DFT）進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并加以范德華修正。本文列出了這兩種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的層間距、帶隙、束縛能和有效質(zhì)量值，并分別與六角疊層結(jié)構(gòu)和Bernal疊層結(jié)構(gòu)的雙層石墨烯（BLG）、異質(zhì)雙層石墨烯-六方氮化硼（G/h-BN）、異質(zhì)雙層石墨烯-石墨碳氮化物（G/g-C3N4）和石墨碳氮化物-石墨烯-石墨碳氮化物（g-C3N4/G/g-C3N4）異質(zhì)結(jié)進(jìn)行了比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在本文所考慮的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，g-C3N4/G/h-BN具有較低的有效質(zhì)量和較寬的帶隙。

圖1 本文提出的（a）ABA疊層結(jié)構(gòu)的G/g-C3N4/h-BN和（b）AAA疊層結(jié)構(gòu)的g-C3N4/G/h-BN異質(zhì)結(jié)構(gòu)

Bandgap engineered novel g-C3N4/G/h-BN heterostructure for electronic applications

Santosh Kumar Gupta and Rupesh Shukla

J. Semicond.2019, 40(3), 032801

doi: 10.1088/1674-4926/40/3/032801

8.GaN和BGaN單量子阱紫外發(fā)光二極管的數(shù)值模擬

阿爾及利亞Abou-Bekr Belkaid大學(xué)材料技術(shù)與可再生能源研究所Asma Belaid教授利用TCAD Silvaco模擬器來(lái)模擬基于AlGaN/GaN/AlGaN和AlGaN/BGaN/AlGaN結(jié)構(gòu)的單量子阱紫外發(fā)光二極管（LED）。第一種結(jié)構(gòu)在n-AlGaN和p-AlGaN兩層之間插入一個(gè)GaN量子阱。第二種結(jié)構(gòu)則僅是用BGaN量子阱代替第一種結(jié)構(gòu)中的GaN量子阱。本實(shí)驗(yàn)將BGaN量子阱中的硼濃度修正為1%，并將兩種結(jié)構(gòu)中的GaN和BGaN量子阱層的厚度設(shè)定為7 nm到20 nm之間的值。結(jié)果表明，對(duì)于GaN LED和BGaN LED，其最大電流分別為0.52 mA和0.27 mA，最大功率譜密度分別為1.935 W cm?1eV?1和6.7 W cm?1eV?1，最大自發(fā)輻射則分別為3.34×1028s?1cm?3eV?1和3.43×1028s?1cm?3eV?1，且最大光輸出功率分別為0.56 mW和0.89 mW。

圖6GaN-LED和BGaN-LED的通量譜密度

Numerical simulation of UV LEDs with GaN and BGaN single quantum well

Asma Belaid and Abdelkader Hamdoune

J. Semicond.2019, 40(3), 032802

doi: 10.1088/1674-4926/40/3/032802