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半导体纳米线阵列具有极低的填充比和优异的抗反射、陷光特性,在低成本、高效率太阳能电池中具有重要应用前景。目前纳米线太阳能电池普遍采用直径一致的规则纳米线阵列,其光吸收性能并非最佳,且增加了制备的成本和工艺复杂度。本文提出了一种具有多直径的非规则GaAs纳米线阵列太阳能电池结构,进行了系统的理论仿真和初步实验探索,取得的主要创新成果如下:1、利用FDTD Solutions和Sentaurus TCAD分别研究了单一直径规则GaAs纳米线阵列太阳能电池的光谱吸收和光电转换特性。结果表明:纳米线阵列的光吸收具有强烈的直径依赖性,随直径增大吸收峰红移,且吸收峰以外的波段吸收明显减弱。在纳米线直径为220-400 nm范围内进行器件性能的优化,在纳米线高度为2 μm,DP 比为0.5,直径为310 nm时,单一直径GaAs纳米线阵列太阳能电池达到最高转换效率16.1%。2、提出了一种多直径非规则纳米线阵列太阳能电池结构,利用不同直径纳米线吸收峰的交叠,弥补单一直径规则纳米线阵列的吸收缺陷,实现宽光谱范围内的平坦、高效吸收。在多直径非规则纳米线阵列中,大直径纳米线主要增强长波长的吸收,而小直径纳米线可以补偿短波长处大直径纳米线的吸收退化,保障整体吸收效率。仿真中分别设计了包含4个直径和16个直径的非规则GaAs纳米线阵列,分别服从随机分布和高斯分布。仿真结果表明,4直径与16直径的GaAs纳米线阵列太阳能电池的最佳转换效率分别达到16.6%和17%,均比单一直径GaAs纳米线阵列有显著提升。3、通过统计合金催化颗粒的尺寸,揭示GaAs纳米线的直径分布规律。在GaAs衬底上沉积的金薄膜进行不同时间的高温退火,进而形成Au-Ga合金颗粒作为GaAs纳米线生长的催化剂,利用扫描电子显微镜对合金催化颗粒的尺寸进行统计分析。结果表明:合金颗粒的直径跨度为几百纳米,且服从高斯分布。随着退火时间增加,合金颗粒的密度变小,直径分布范围变大,直径均值减小。