美國科學(xué)家開發(fā)出一種新技術(shù)，首次成功地將復(fù)合半導(dǎo)體納米線整合在硅晶圓上，攻克了用這種半導(dǎo)體制造太陽能電池會遇到的晶格錯(cuò)位這一關(guān)鍵挑戰(zhàn)。他們表示，這些細(xì)小的納米線有望帶來優(yōu)質(zhì)高效且廉價(jià)的太陽能電池和其他電子設(shè)備。相關(guān)研究發(fā)表在《納米快報(bào)》雜志上。
III—V族化合物半導(dǎo)體指元素周期表中的III族與V族元素結(jié)合生成的化合物半導(dǎo)體，主要包括鎵化砷、磷化銦和氮化鎵等，其電子移動率遠(yuǎn)大于硅的電子移動率，因而在高速數(shù)字集成電路上的應(yīng)用比硅半導(dǎo)體優(yōu)越，有望用于研制將光變成電或相反的設(shè)備，比如高端太陽能電池或激光器等。然而，它們無法與太陽能電池最常見的基座硅無縫整合在一起，因此，限制了它們的應(yīng)用。
每種晶體材料都有特定的原子間距——晶格常數(shù)（點(diǎn)陣常數(shù)），III—V族半導(dǎo)體在制造太陽能電池的過程中遭遇的最大挑戰(zhàn)一直是，這種半導(dǎo)體沒有同硅一樣的晶格常數(shù)，它們無法整齊地疊層堆積在一起。該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、伊利諾伊大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)工程教授李秀玲（音譯）解釋道，當(dāng)晶體點(diǎn)陣排列不整齊時(shí)，材料之間會出現(xiàn)錯(cuò)位。此前，科學(xué)家們一般將III—V族半導(dǎo)體沉積在一個(gè)覆蓋有一層薄膜的硅晶圓上方，但晶格失配會產(chǎn)生壓力從而導(dǎo)致瑕疵，降低所得到設(shè)備的性能。
而在最新研究中，科學(xué)家們摒棄了薄膜，讓一個(gè)細(xì)小的、排列緊湊的III—V族化合物半導(dǎo)體組成的納米線陣列垂直在硅晶圓上生長。李秀玲表示：“這種納米線幾何圖形通過使失配應(yīng)變能真正通過側(cè)壁消失，從而更好地?cái)[脫了晶格匹配的限制。”
科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了讓不同銦、砷、鎵組成的III—V族半導(dǎo)體生長所需要的不同環(huán)境。最新方法的優(yōu)勢在于，他們可以使用普通的生長技術(shù)而不需要特殊的方法讓納米線在硅晶圓上生長，也不需要使用金屬催化劑。
這種納米線的幾何形狀能通過提供更高的光吸收效率和載荷子收集效率來增強(qiáng)太陽能電池的性能，其也比薄膜方法用到的材料更少，因此降低了成本。
李秀玲相信，這種納米線方法也能廣泛地用于其他半導(dǎo)體上，使得其他因晶格失配而受阻的應(yīng)用成為可能。其團(tuán)隊(duì)很快將展示優(yōu)質(zhì)高效的、基于納米線的多結(jié)點(diǎn)串聯(lián)太陽能電池。
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