Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体 由于其优良的半导体性质，成为目前太阳能电池材料的主流。尤其是GaAs材料，由于其内部电子运动速度快、光子吸收速率高和能在高温高频环境下工作等优良性质，成为当前太阳能材料研究的热点。相比于第一代Si、Ge元素半导体，以GaAs为代表的第二代半导体材料，无论是在光电转化效率还是耐高温等方面都具有非常大的优势。特别是GaAs此类的材料可以生长在玻璃合金等廉价的衬底材料上，这将大大缩小电池的生产成本，极大的推动太阳能电池的普及。所以研究提高GaAs太阳能电池性能具有非常广泛而深远的意义。但是GaAs材料表面复合速率太大的问题，限制了GaAs太阳能电池的发展。为此科研人员提出了通过生长变组分GaAlAs层来加速表面少数载流子通过势垒区来提高电池性能的方法。本次课题研究就是基于这项手段。这个方法的核心在于构建导带梯度变化的表面层，当导带呈梯度变化时，会导致载流子分布的变化，从而形成附加的电场，在此电场的作用下，表面层少数载流子会加速向电池内部运动，表面层少数载流子的数目减少了，那么参与表面复合的少数载流子也就减少了，提高了GaAs电池的光电转换效率。我们希望看到的理想情况是构建出线性梯度变化的导带，这样能够精确掌握实验参数，更好的控制实验进行。而我们选择GaAlAs材料作为表面层便是考虑到GaAlAs材料的特性之一就是它的禁带宽度与组分近似呈线性变化，因此只要在建模的时候控制表面层GaAlAs的组分线性渐变就可以得到理想的线性导带梯度了。实际生产过程中，控制GaAlAs中Al组分的方法也已经很成熟，并且GaAlAs材料与GaAs材料的晶格匹配系数非常好，可以形成非常良好的异质结，不会产生额外的界面缺陷，能带中也不会出现突变，是非常理想的实验材料。论文网

对于本次的研究课题，客观条件限制，我们无法进行实际的硅片实验，只能采用仿真软件模拟的方式进行。首先是利用SilvacoTCAD仿真软件进行实现变组分p-AlxGa1-xAs/n-GaAs太阳能电池模型的建立，提取材料的各项必要参数，结合器件性能建立合理的实验仿真模型。然后进行器件光电性能的仿真，获取表征器件光电性能的相关参数，计算分析寻找出最佳的组分x使得光电池的性能最高。与此同时我们还可以讨论掺杂类型、掺杂浓度和渐变层厚度等因素对光电池光学性能的影响。

  本文从第二章开始，首先我们介绍Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体及其优于第一代半导体材料性质，其次讲解光生伏特效应的原理及相关的计算公式，这是计算的理论基础，并且介绍光电池材料的发展和材料的改进对于光电池大规模工业生产和普及的意义。第三章重点介绍了本次课题依赖的仿真软件—SilvacoTCAD，主要介绍仿真的标准流程和命令语句的格式要求，中间穿插我们GaAlAs/GaAs太阳能电池的建模语句作为实例。第四章我们介绍材料参数提取，首先介绍了GaAs光电池材料的性质并且提取相关参数，接着阐述GaAlAs渐变层存在的意义并对其参数进行提取。最后第五章是我们p-AlxGa1-xAs/n-GaAs电池仿真结果的分析，参考开路电压和短路电流变化分析参数改变对器件性能的影响，分别从掺杂类型、掺杂浓度、表面层厚度、表面层浓度和导带梯度这五个方面进行讨论。本文的最后总结了此次仿真的结果并且总结基于SilvacoTCAD的太阳能电池仿真的方法及实验经验，这些对于其他类似的半导体仿真都具有重大的意义。并且指出此次试验中存在的不足之处和改进方案。

2 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体及光生伏特效应