【国际论文】意大利帕尔玛大学：κ-Ga₂O₃/(B)GaAs/GaAs 异质结构中光学活性缺陷的研究及其太阳能电池的设计与建模

        由意大利帕尔玛大学的研究团队在学术期刊 ACS Omega 发布了一篇名为 κ-Ga₂O₃/(B)GaAs/GaAs Heterostructures: Study of Optically Active Defects, Design, and Modeling of Solar Cells Based on These Heterostructures（κ-Ga₂O₃/(B)GaAs/GaAs 异质结构中光学活性缺陷的研究及其太阳能电池的设计与建模）的文章。

        为了克服传统的单结太阳能电池（SC）的 Shockley-Queisser 极限，中间带太阳能电池（IBSC）成为极具前景的研究方向。通过在半导体禁带中引入中间带，实现两步光子吸收，从而在保持高输出电压的同时增强光电流生成。作为超宽禁带氧化物半导体，其具有极高的击穿电场和优异的化学稳定性。Ga₂O₃ 与低带隙的 GaAs 结合，可通过界面工程、量子约束或缺陷态形成中间带结构。在本研究中，通过温度依赖性光致发光（PL）和电子束能量依赖性冷致发光（CL）对这类异质结的发光特性进行了详细探究，重点阐明缺陷辅助与辐射复合机制。此外，针对 Ga₂O₃/GaAs 和 Ga₂O₃/BGaAs/GaAs 异质结的器件性能进行了预测，特别关注其在异质结背照式太阳能电池（IBSCs）中的应用前景。通过 SCAPS-1D 软件模拟了界面能带对齐与能级构型、量子效率 (QE) 以及标准 AM1.5 光照下的 J-V 特性。本研究旨在为 Ga₂O₃ 基 IBSC 结构的制备建立实验与理论基础，并揭示氧化物/III-V 族界面及硼掺杂在实现高性能太阳能电池中的关键作用。

        本研究聚焦于通过金属有机化学气相沉积法生长的纯相 κ-Ga₂O₃/GaAs 及 κ-Ga₂O₃/BGaAs/GaAs 异质结的稳态发光特性。通过电子束能量依赖性阴极发光（CL）和稳态光致发光（PL）对薄膜进行表征，并辅以一维太阳能电池电容模拟器（SCAPS-1D）模拟，以评估其作为太阳能电池中间能带层的应用潜力。功率与温度依赖性PL和CL结果表明，在 κ-Ga₂O₃/GaAs 和 κ-Ga₂O₃/a-BGaO/BGaAs/GaAs 异质结构中（其中 a-BGaO 代表 κ-Ga₂O₃ 薄膜与 BGaAs 模板间的非晶 BGaO 薄层），发光现象主要由施主-受主跃迁主导。这些跃迁源于界面无序调谐形成的点缺陷集合体，进而诱导出微带结构。硼-镓置换、硼偏析、镓扩散及界面点缺陷簇聚被认为在发光机制中起关键作用。该异质结特性在可见光与红外光谱区域光探测器新型活性层开发方面极具前景。我们提出一种新型太阳能电池结构：在 GaAs 与 κ-Ga₂O₃ 之间插入 BGaAs/a-BGaO 中间层可显著提升电池参数。SCAPS-1D 模拟表明，κ-Ga₂O₃/a-BGaO/BGaAs/GaAs 异质结构可实现 23.76 % 的光电转换效率(PCE)，开路电压 (V_oc) 达 0.92 V， 短路电流密度 (J_sc)为 32.61 mA/cm²，填充因子 (FF) 达 78.66 %。

        ● 根据本文内容，该研究是首次为 IBSC 设计的 Ga₂O₃/GaAs 或 Ga₂O₃ /BGaAs/GaAs 异质结构进行 

        ● SCAPS 仿真和发射光谱分析的报告提出在 GaAs 和 κ-Ga₂O₃ 之间插入 BGaAs/a-BGaO 中间层，可显著增强太阳能电池参数。

        ●仿真结果显示，κ-Ga₂O₃/a-BGaO/BGaAs/GaAs 结构有望实现高达 23.76 % 的光电转换效率。

        ● 揭示了由界面处点缺陷集合形成的微带在载流子输运和光电性能中的关键作用。

        通过金属有机化学气相沉积法制备的 κ-Ga₂O₃/GaAs 和 κ-Ga₂O₃/BGaAs/GaAs 异质结，经磷光（PL）和冷光（CL）表征。低温PL测量表明，与原始 GaAs 相比，κ-Ga₂O₃/GaAs 结构中埋入的 GaAs 层呈现点缺陷相关发光、发光宽度增宽及红移现象。这被认为与 Ga 原子从顶层 κ-Ga₂O₃ 扩散至 GaAs 衬底有关，该过程降低了空位密度并产生 GaAs 受主。

        PL 和 CL 测量表明，埋入 GaAs 层的发光不具激子性质，更可能由与 V_Ga 相关的施主-受主跃迁主导——这些跃迁形成分布于带隙内的点缺陷（PDEs）。对 κ-Ga₂O₃/GaAs 的观测结果有助于理解 κ-Ga₂O₃/BGaAs/GaAs 异质结的发光机制。在后者中，化学发光强度较 κ-Ga₂O₃/GaAs 结构高出两倍，其发射特性由形成带尾态的 PDE 调控。

        基于 κ-Ga₂O₃/BGaAs/GaAs 异质结构的特性，我们提出包含该材料堆叠的超导原型。对 TCO/Ga₂O₃/BGaAs/GaAs/Au 原型的模拟表明，其总量子效率约为 90 %，是 TCO/Ga₂O₃/GaAs/Au 结构的六倍，响应范围从深紫外延伸至红外光谱（200-1000 nm）。在太阳能电池中插入 BGaAs 中间层后，其 PCE 达到 23.76 %，V_oc 为 0.92 V，J_sc 为 32.61 mA/cm²，FF 为 78.66%。这种 κ-Ga₂O₃/(B)GaAs/GaAs 异质结构的初步验证，有望为 Ga₂O₃ 与其他材料的功能和物理集成铺平道路。为量化退化机制并验证异质结的长期稳定性，需结合结构与成分分析，完成全功能器件的制备及测试工作，包括加速老化、热循环、长期照射后的电学表征以及偏压应力测试。

图1. (a) κ-Ga₂O₃/GaAs 在 10 K 下的功率依赖性光致发光光谱。插图展示了在功率 P0 = 100 mW 下记录的 10 K 光致发光光谱（黑色符号），经分解为两个高斯峰（虚线）；(b) 室温下 κ-Ga₂O₃/GaAs 的电致发光光谱与电子束能量关系。插图展示了谱图去卷积示例（针对 15 keV 电子束）。(c) Casino 模拟结果：不同电子束能量下空穴-电子对生成与扩散体积分布。(d) A 峰能量位置及其对应化学发光强度随电子束能量变化曲线。(e) B 峰能量位置及其相关化学发光强度随电子束能量变化。图 (d) 和 (e) 中虚线为视觉参考线。

图2. 未掺杂 κ-Ga₂O₃/GaAs 异质结主发射峰的温度依赖性光致发光能量（蓝色方块）及其对应强度（红色方块）。同时给出了 GaAs 基底的参考光致发光峰能量位置（蓝色圆点）。所有温度下激发功率均固定为 100 mW。

图3. (a) κ-Ga₂O₃/BGaAs/GaAs 结构在 10 K 时的磷光光谱（黑色符号），经三峰高斯函数拟合（绿色实线）。(b) 10 K 下功率依赖性光致发光光谱。插图：光致发光强度与激发功率的幂律关系；红色直线表示函数 I_PL = αP^d 的最佳拟合结果。(c) 电子束能量与冷光致发光光谱的关系。(d) 不同电子束能量下模拟的电子-空穴对生成体积。

图4. (a) κ-Ga₂O₃/BGaAs/GaAs 结构的温度依赖性磷光谱。插图：选取的低温光致发光光谱分别在 10 K 和 40 K 下记录。（b）P1 能级位置（红色符号）与对应光致发光强度（蓝色符号）的温度依赖关系。插图：κ-Ga₂O₃/BGaAs/GaAs 与 κ-Ga₂O₃/GaAs 体系的光致发光强度淬灭现象对比。

图5. (a) 提出的 SC 结构示意图。(b) TCO/Ga₂O₃/BGaAs/GaAs/Au 的模拟能带偏移图。(c) TCO/Ga₂O₃/GaAs/Au 的模拟能带偏移图。

图6. (a) 基于 TCO/κ-Ga₂O₃/BGaAs/GaAs/Au 和 TCO/κ-Ga₂O₃/GaAs/Au 结构的拟议原型的模拟 J-V 曲线，以及 (b) 模拟量子效率。

DOI：

doi.org/10.1021/acsomega.5c09871