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

阿爾及利亞烏爾加拉大學M. Benaida和沙特阿拉伯King Abdullah科技大學M. Harb博士以密度泛函理論（DFT）為基礎(chǔ)，針對As摻雜原子對不同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)生的影響進行了系統(tǒng)的計算研究。通過考慮每個Gen+1團簇尺寸的大量結(jié)構(gòu)，確定了其中具有最低能量的異構(gòu)體種類。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)體的相對穩(wěn)定性與原子尺寸之間的關(guān)系。用一個As原子摻雜進入Gen+1團簇中并不能提高其穩(wěn)定性。根據(jù)計算出的HOMO-LUMO能隙、垂直電離勢、垂直電子親和勢和化學強度等參數(shù)，得出了其電學性質(zhì)與原子尺寸的關(guān)系，結(jié)果表明將一個As原子加入到Gen團簇中對其電學性質(zhì)會產(chǎn)生顯著影響。

圖2 AsGen（n=1-20）團簇的最有利結(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)對平面鹵化錫鈣鈦礦太陽電池性能的影響

甲基銨混合鹵化鉛（MAPbXs）以其優(yōu)異的光電性能而聞名，近年來在光伏領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。在短短的8年時間內(nèi)，MAPbX鈣鈦礦太陽電池（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)模實施中可能存在問題。因此，用環(huán)保元素代替鉛，可以大大提高在實際應用和生產(chǎn)中的潛力。

浙江師范大學固態(tài)光電器件省級重點實驗室黃仕華教授對鹵化錫MASnI3（MA = CH3NH3）鈣鈦礦太陽能電池進行了深入的研究，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光譜范圍，并為MASnI3 PSC提供了更大的短路電流（JSC）。為了進一步提高MASnI3 PSC的轉(zhuǎn)化效率，需要深入了解其內(nèi)部電子動力學和相應的界面工程，明確轉(zhuǎn)化效率的極限物理機制。眾所周知，由于缺陷狀態(tài)的強界面復合，良好的界面質(zhì)量是高效率PSC的關(guān)鍵因素。

數(shù)值模擬對于理解、設(shè)計和優(yōu)化高效太陽能電池變得越來越重要。模擬方法可以直觀地檢查太陽能電池中的每個參數(shù)，從而確定最佳的操作條件。到目前為止，還沒有關(guān)于MASnI3 PSC數(shù)值模擬的報道。SCAPS-1D程序是一個基于泊松方程和連續(xù)性方程的通用太陽能電池模擬程序，由于其結(jié)構(gòu)與薄膜太陽能電池和鈣鈦礦中的萬尼爾激子相似，因此被用于模擬平面結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦型太陽能電池。

本文利用SCAPS-1D（3.3.02版）進行了一維器件模擬，研究了吸收層缺陷狀態(tài)以及吸收體/電子輸運層（ETL）和吸收體/空穴輸運層（HTL）的界面對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。界面電荷的極性對帶彎曲和復合速率有不同的影響?？紤]到缺陷狀態(tài)的影響，通過對各種參數(shù)的優(yōu)化，模擬電池效率達到29%以上，突出了鈣鈦礦在實現(xiàn)高效率方面的巨大潛力。在此基礎(chǔ)上進行仿真，有助于進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

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的光吸收損耗卻經(jīng)常被忽略。中國科學院半導體研究所半導體照明研究開發(fā)中心于治國教授對影響金屬納米粗化圖形反射鏡光學性能的因素進行了深入研究。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，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，LED的光輸出效率僅提高了6%。使用FDTD對光吸收情況進行模擬，再進行金屬反射譜分析，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。這個發(fā)現(xiàn)將對開發(fā)高性能金屬納米粗化圖形反射鏡、設(shè)計高性能的光電器件有著重要的推動作用。

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型氧化物半導體納米薄膜Cu2O基異質(zhì)結(jié)太陽電池的光伏性能

日本金澤理工學院光電器件系統(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型氧化物半導體薄膜，并制備了采用該薄膜的Cu2O基異質(zhì)結(jié)太陽能電池，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，本實驗還得到了AZO/p-Cu2O異質(zhì)結(jié)太陽能電池的最高效率（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太陽電池。

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

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

隨著人類對清潔能源需求的不斷增加，太陽能電池受到廣泛關(guān)注。增透膜是決定太陽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)計依據(jù)入射光和反射光干涉相消，從而增強透射，然而這種方法只針對單波長正入射。因此，如何提高表面增透膜的全角度寬光譜太陽光入射效率是一個重要的科學問題。

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)化過程中空間參數(shù)中包含了多個局部最小值，因此無法通過優(yōu)化局部最小值從而確定增透膜整體結(jié)構(gòu)。為解決這個問題，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)果對初始條件不敏感，在解決多種實際問題優(yōu)化方案方面被證明是一種有效的、智能的優(yōu)化方法。

北京郵電大學郭霞教授詳細描述了將蟻群算法用于增透膜結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法，并做了兩個改進：1、采用入射量子效率作為評價函數(shù)，改變了傳統(tǒng)采用反射率或是透射率作為評價標準；2、采用由地面經(jīng)緯度和時間決定的SPCTRL2太陽輻照光譜。以基多、北京和莫斯科三個城市為例，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%。

光學性能表征相對容易，然而具有優(yōu)異光學性能的光學結(jié)構(gòu)設(shè)計的手段卻相對匱乏，本文為獲得全角度寬光譜增透膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計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)整個吸收層位于底層，其折射率為nab且無背表面反射。右側(cè)曲線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)太陽能電池的金字塔尺寸控制和形貌處理

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

中國科學院半導體研究所集成光電國家重點實驗室田小讓博士生首次提出在單晶硅制絨過程中，刻蝕速率存在一個拐點。在這個拐點時的刻蝕量和金字塔尺寸存在一個非常明顯的線性關(guān)系。拐點和拐點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控制拐點處的刻蝕量進行有效控制。通過這種方法，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改變刻蝕條件進行調(diào)整。圖2可看出金字塔尺寸和拐點處的刻蝕量存在線性對應關(guān)系。

圖1 刻蝕量隨刻蝕時間的延長而增加

圖2 金字塔尺寸和拐點處的刻蝕量的對應關(guān)系

但是，僅通過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路電壓。因此，采用化學平滑法進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)換效率達到23.6%的硅異質(zhì)結(jié)電池，開路電壓達到734mV，短路電流39.9mA/cm2，填充因子達到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教授研究了外電場對六角疊層結(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。本實驗將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