Absorção de luz aprimorada por plasma em células solares nanowire de GaAs de junção (p-i-n):um estudo de método de simulação FDTD

Resumo

Um método de domínio de tempo de diferença finita é desenvolvido para estudar o aumento da absorção de luz de plasmon de matrizes de nanofios de GaAs alinhadas verticalmente e decoradas com nanopartículas de Au. Nanofios GaAs alinhados verticalmente com comprimento de 1 µm, diâmetro de 100 nm e periodicidade de 165-500 nm são funcionalizados com nanopartículas de Au com diâmetro entre 30 e 60 nm decoradas na parede lateral dos nanofios. Os resultados mostram que as nanopartículas de metal podem melhorar a eficiência de absorção por meio de suas ressonâncias plasmônicas, mais significativamente dentro da borda próxima do bandgap de GaAs. Ao otimizar os parâmetros das nanopartículas, um aumento de absorção de quase 35% no comprimento de onda de 800 nm é alcançado. O último aumenta a chance de gerar mais pares elétron-buraco, o que leva a um aumento na eficiência geral da célula solar. A estrutura proposta surge como uma combinação de materiais promissora para células solares de alta eficiência.

Introdução

Na busca por fontes de energia renováveis, fotovoltaicos convencionais de filme fino (PV) surgiram como candidatos promissores para fontes comercialmente viáveis [1, 2]. No entanto, as deficiências de material, incluindo deslocamentos e má absorção de filme fino representam grandes limitações para o desempenho de tais células PV [3]. Para superar essas limitações, esforços significativos de pesquisa e desenvolvimento têm sido direcionados para novas tecnologias fotovoltaicas emergentes [4,5,6,7,8,9,10,11]. Essas tecnologias têm o potencial de interromper e substituir o mercado fotovoltaico convencional predominante no futuro, por meio do uso de técnicas avançadas de absorção de luz [12,13,14]. Neste contexto, nanopartículas de metal plasmônico (NPs) e seus óxidos, tanto em distribuição aleatória quanto periódica, aumentam a fotocorrente gerada quando combinados com fotodiodos [15, 16], fotodetectores [17, 18], projeto de célula solar [10, 11, 19,20,21,22] e células solares orgânicas híbridas [23, 24].

Na busca por uma abordagem inovadora para reduzir o tamanho e o custo da energia solar fotovoltaica, nanobastões e / ou nanofios (NWs) têm atraído muita atenção científica nos últimos anos como novos blocos de construção de estruturas solares [25, 26]. Suas excitantes propriedades ópticas e elétricas, como alto coeficiente de absorção, bandgap direto, separação de portadores de carga mais rápida e maior condutividade lateral do que o cristal tridimensional, levaram a uma eficiência solar melhorada [27, 28]. Muitos dos nanofios semicondutores III-V mantêm mobilidades de portadoras impressionantemente altas para dispositivos de alta velocidade [29] e eletrônicos flexíveis [30,31,32]. Em combinação com NPs plasmônicos, espera-se que a capacidade de captura de luz dentro desses NWs unidimensionais seja melhorada. Em geral, a miniaturização do projeto da célula solar é encontrada para alterar os espectros de absorção e fluorescência em nanofios, indicando a geração de múltiplos estados de excitons localizados [33]. Apesar de um grande número de publicações na literatura, estudos sobre combinações de materiais com NWs semicondutores plasmônicos como sistemas ativos raramente foram investigados, ainda menos em estruturas NW semicondutoras baseadas em III-V. Poucos experimentos científicos foram realizados em células solares com base em células solares III-V NWs aprimoradas pela plasmônica [34,35,36].

No estudo atual, o método de simulação de domínio de tempo de diferença finita (FDTD) (pacote de software Lumerical) é usado para investigar o efeito de plasmons na resposta óptica de nanofios de arsenieto de gálio de junção axial p-i-n (GaAs NWs) com base em estruturas de células solares. Otimizamos o desempenho da estrutura solar empregando diferentes NW D / P ração decorada com diferentes nanopartículas de Au com diâmetros entre 30 e 60 nm. Nosso objetivo é estimar os campos eletromagnéticos (campos EM) que permitem um forte acoplamento de luz usando uma abordagem de captura de luz aprimorada por plasmon de excitação. Isso usa a incorporação de NPs de metal Au, que têm propriedades ópticas relativamente estáveis, para promover a luz e, assim, aumentar a eficiência da célula. A novidade deste trabalho é a implementação paralela de um método prático e eficaz que poderia facilitar a fabricação de células solares GaAs NW de alta eficiência. O avanço do nosso trabalho reside na atenção especial dada às áreas onde o campo EM é altamente concentrado nas regiões de interface de duas combinações NP-NW adjacentes.

Materiais e métodos

A Figura 1a, b mostra ilustrações de nossa estrutura proposta da célula solar de nanofio de GaAs plasmônica. Cada célula contém uma matriz NW periódica, da qual um único NW é mostrado. A estrutura compreende nanofios de GaAs periódicos com junção p-i-n com um diâmetro ( D =100 nm) e periodicidade ( P =100–500 nm), cuja superfície da parede lateral é decorada com nanopartículas de ouro (Au NPs) com diâmetro entre 30 e 60 nm (Fig. 1a). O comprimento total dos nanofios foi otimizado ( L =1 µm) para reduzir a corrente escura, que escala com o comprimento NW. No estudo atual, os nanofios de GaAs são simulados em um substrato de GaAs subjacente. Para todas as simulações realizadas, Au NPs são incorporados à estrutura da célula solar NW na parede lateral NW em uma matriz uniformemente distribuída de modo que a luz seja acoplada aos NWs de todas as direções, como mostrado na Fig. 1b. Au NPs com diâmetros entre 30 e 60 nm são incorporados à estrutura da célula solar NW. As simulações são realizadas com condições de contorno periódicas no x - y instruções para garantir a periodicidade de toda a estrutura. Além disso, o domínio de simulação é fechado na parte superior e inferior com uma camada transparente opticamente adequada para permitir que a luz refletida e transmitida saia do volume de simulação. Os monitores de reflexão e transmissão estão localizados na parte superior e inferior dos GaAs NWs, respectivamente. Para garantir resultados coerentes, a quantidade de energia transmitida pelos monitores de energia é normalizada para a energia da fonte para toda a faixa de comprimento de onda simulada. Além disso, o iluminador solar AM1.5G é usado para representar a luz incidente do topo e é colocado paralelo ao eixo GaAs NW (in z direção). Uma onda plana de intensidade de potência incidente com comprimentos de onda de 300 a 1000 nm é usada, cobrindo a faixa de absorção do material GaAs. Os parâmetros críticos do material para as simulações de estrutura, como mobilidade mínima, tempo de vida SRH, densidade efetiva de estados, coeficiente Auger, velocidade de recombinação de superfície e as propriedades de dispersão de GaAs foram retirados principalmente da literatura [37, 38]. A modelagem elétrica foi parcialmente realizada usando o Sentaurus Electromagnetic Wave Solver (EMW) e S -pacotes do módulo do solucionador de dispositivos, levando em consideração as principais propriedades físicas do GaAs. Os perfis ópticos de geração são integrados à malha de elementos finitos dos NWs na ferramenta elétrica.

a A estrutura da célula solar de nanofio de GaAs plasmônica decorada com nanopartículas de Au em 3-D e b a estrutura de unidade simulada da célula solar de nanofio de GaAs plasmônica. As inserções representam a vista superior de um único nanofio de GaAs decorado com nanopartículas de Au (topo) e o p - i - n nanoestrutura de junção (inferior)

Resultados e discussão

A escolha ideal da geometria NW ou a relação entre o diâmetro de preenchimento e a periodicidade ( D / P proporção) permite uma absorção altamente eficiente da célula solar. Portanto, otimizamos o D / P razão do NW por simulação óptica para alcançar as melhores características de absorção óptica em uma célula solar de matriz de nanofios GaAs com p - i - n junção. A Figura 2 mostra a potência total absorvida de um nanofio GaAs nu com um comprimento ( L =1 µm) e diâmetro ( D =100 nm), em periodicidade diferente entre 165 e 500 nm e razão de aspecto entre 0,6 e 0,2. Da Fig. 2, pode-se ver que para comprimentos de onda de 300-600 nm, a eficiência de absorção dos NWs é mantida acima de 90% em todas as simulações, independentemente do NW D / P proporção, que é muito maior do que para as películas finas de material. Para o NW D / P proporção de 0,2 (linha sólida), uma diminuição acentuada na absorção ocorre para energias de fótons menores do que o bandgap correspondente para GaAs NW nu. Acima de 600 nm para o comprimento de onda próximo ao bandgap, a Fig. 2 mostra que a absorção de NW é fortemente influenciada pelo aumento de D / P Razão. O melhor espectro de absorção foi obtido em um D / P proporção de 0,6 (círculos ocos). À medida que a periodicidade NW diminui com o aumento de D / P razão, a Fig. 2 mostra que o efeito de captura de luz dos NWs diminui drasticamente no comprimento de onda próximo ao bandgap para NW inferior D / P índices. Foi demonstrado na literatura que o D / P razão desempenha um papel significativo na absorção de GaAs NWs [34, 35]. Cálculos de FDTD revelam que a absorção óptica de NWs é sensível a parâmetros geométricos como diâmetro NW, comprimento e maiores D / P Razão. No entanto, em combinação com NPs de metal, a absorção de NWs com um menor D / P razão no comprimento de onda perto do bandgap melhora mais significativamente do que com um NW D mais alto / P Razão. Motivados por esta observação, realizamos simulações ópticas para nossas estruturas GaAs NW incorporadas com diferentes tamanhos de NPs em D menores / P proporções de 0,2 e 0,3, respectivamente. Como um exemplo típico, a Fig. 3 mostra o poder de absorção total calculado para GaAs NWs em um D / P proporção de 0,2 incorporada com diferentes diâmetros Au- NP de 30 nm (pontos preenchidos), 40 nm (quadrados preenchidos), 50 nm (triângulos preenchidos) e 60 nm (círculos vazios), respectivamente. Para efeito de comparação, a absorção do NW descoberto também é traçada (linha sólida). A partir da Fig. 3, pode-se deduzir que, quando os NPs de Au são introduzidos, um aumento de campo NP dependente do tamanho dentro do NW está bem estabelecido. Isso provavelmente se deve ao acoplamento ressonante dos elétrons de condução livres, conhecidos como plasmons, que levam a uma absorção aprimorada no NW. Descobrimos que à medida que o tamanho dos NPs incorporados aumenta, a absorção NW é efetivamente aumentada, mais significativamente no comprimento de onda da luz acima da borda de corte de 650 nm para o comprimento de onda próximo ao bandgap de 800 nm. A melhor absorção dentro do NW é alcançada quando o diâmetro de NPs de Au de 60 nm é incorporado. Por outro lado, em comprimentos de onda curtos de 300-400 nm, a simulação mostra uma queda modesta no desempenho de absorção de quase 20-30% após a incorporação da faixa de tamanho real de NPs Au. Além disso, uma diminuição acentuada no poder de absorção ocorre em comprimentos de onda correspondentes à ressonância de plasmon dos NPs de Au incorporados (comprimentos de onda de 440–470 nm). Isso é provavelmente devido a ressonâncias de plasmon de superfície localizada (LSPRs) confinadas nos NPs. Em seguida, investigamos a distribuição do campo dentro do NW no comprimento de onda próximo ao bandgap de 800 nm, onde a absorção óptica do NW é efetivamente aumentada pelos plasmons de superfície. Comparamos a distribuição de luz dentro da estrutura NW antes e depois de decorar os NWs com os NPs Au, como mostrado na Fig. 4. Este último mostra a vista superior da distribuição de intensidade 2D no x - y plano sobre a seção transversal de um GaAs NW obtido dos monitores superiores da simulação para o campo elétrico | E | (a), e a potência total absorvida (b), no comprimento de onda de 800 nm antes e depois da decoração com NPs de Au com diâmetros de 30, 40, 50 e 60 nm, respectivamente. A barra de cores indica a intensidade do campo normalizada para o valor máximo. A partir dos resultados, pode-se ver que, para NP de tamanho pequeno, o campo elétrico aprisionado pertence ao modo de plasma de superfície localizado de ordem inferior, enquanto que à medida que o diâmetro de NP aumenta, o modo de ordem superior é excitado. A partir da Fig. 4, pode-se ver que o acoplamento de luz dos NPs Au no x -direcionamento para o vizinho GaAs NW é prontamente aparente e mais óbvio quando o tamanho dos Au NPs incorporados aumenta. Em contraste, nenhum efeito de intensificação de campo e / ou acoplamento de luz no NW é encontrado a partir dos NPs no y -direção. As oscilações coletivas dos NPs parecem estar concentradas nas direções para frente e para trás dos NPs, e não no acoplamento ao NW. Quando o D / P razão do preenchimento NW é aumentada para 0,3 (Fig. 5) e Au NPs com diâmetros de 40 nm (círculos preenchidos), 50 nm (triângulos preenchidos) e 60 nm (círculos ocos) são incorporados, respectivamente, a eficiência de absorção geral do NW permanece acima de 95% para os diferentes tamanhos de NP incorporados. Em comparação com a Fig. 3, uma ligeira diminuição na eficiência de absorção é observada para comprimentos de onda correspondentes à ressonância de plasmon dos NPs incorporados na faixa de 440–470 nm. À medida que o tamanho dos NPs Au incorporados aumenta, a absorção NW é efetivamente aumentada e, novamente, de forma mais significativa entre os comprimentos de onda de 650 nm - até a borda do bandgap do GaAs. Além disso, a melhor absorção NW é encontrada quando o diâmetro do Au NP de 60 nm é incorporado. Os resultados da simulação nas Figs. 3, 4 e 5 sugerem fortemente que a incorporação dos NPs Au dentro dos NWs leva a uma absorção muito melhorada dos NWs GaAs, mesmo em pequenos D / P proporções em que a absorção dos NWs nus é menor como esperado. O LSPR que ocorreu na superfície dos NPs Au é provavelmente a principal fonte do campo local aprimorado dentro dos GaAs NWs alinhados. O LSPR é fortemente dependente do tamanho do NP, forma e propriedades do material circundante [13]. Para esclarecer a absorção NW aprimorada pelo plasmon em mais detalhes, investigamos o aprimoramento do campo NW do GaAs quando decorado com um único NP com diâmetro de 60 nm, que apresentou os melhores resultados. Definimos a periodicidade NW em 0,2 e escolhemos três comprimentos de onda de luz típicos de 450, 600 e 800 nm. Nestes comprimentos de onda de luz, a decoração NP provavelmente afeta a absorção NW. Comparamos a distribuição da luz dentro da estrutura NW antes e depois da decoração com os NPs, como mostrado na Fig. 6a-h. A Figura 6a mostra uma vista lateral da força do campo elétrico 2D em um comprimento de onda de 450 nm para GaAs NW nu calculado por FDTD. Como pode ser visto, a distribuição de luz do NW descoberto na Fig. 6a mostra um bom perfil de absorção no topo, no meio e na parte inferior do NW. Por outro lado, a simulação do GaAs NW incorporado com Au na Fig. 6b mostra um pequeno efeito na absorção NW, ou seja, a luz incidente dificilmente é absorvida ao longo de todo o comprimento do NW. O fraco E a distribuição de campo dentro do NW indica má absorção de luz. Além disso, o campo de luz está bastante concentrado em torno do Au NPs do que no NW. Isso é provavelmente devido ao menor coeficiente de extinção do LSPR excitado no campo próximo [15]. A Figura 6c mostra a distribuição de luz para GaAs nu em comprimento de onda de 600 nm. A Figura ilustra que a maior parte da luz incidente é absorvida na metade superior do GaAs NW. Após a decoração com os NPs Au, a Fig. 6d mostra um perfil de absorção melhorado em comparação com a Fig. 6b. Uma pequena fração do campo E é uniformemente distribuída com maior intensidade ao longo de todo o comprimento do NW, com tendência a se concentrar no topo do NW. Além disso, a Fig. 6d mostra que a transferência de excitação é dominante dentro dos NPs. No comprimento de onda de 800 nm, a absorção do NW descoberto mostra uma distribuição de campo uniforme no topo, no meio e na parte inferior de todo o NW, como mostrado na Fig. 6e. Por outro lado, a absorção NW é bastante aumentada após a decoração com Au- NP, e a intensidade do campo absorvido dentro do GaAs NW permanece quase inalterada de cima para baixo do NW (Fig. 6f). Além disso, um campo concentrado ao redor dos NPs pode ser facilmente visto. A Figura 6g eh mostra a vista superior da distribuição do campo E 2D dentro do GaAs NW a 800 nm, como mostrado na Fig. 6e e f, respectivamente. Dado que nosso estudo se concentra apenas em decorar GaAs NWs com Au NPs, em comparação com os resultados da literatura publicada [34], nossos resultados indicam que os NPs de metal melhoram a absortância de GaAs NWs mesmo em D mais baixos / P razão, isto é, de 0,2. O avanço de nossos resultados é a possibilidade de aumentar ainda mais a absorção dos NWs em comprimentos de onda mais elevados, ou seja, 600 e 800 nm.

O desempenho de absorção total de GaAs NW com diferentes D / P proporções sem incorporação de nanopartículas de metal Au

A eficiência de absorção total de GaAs NW com D / P proporções de 0,2 ( a ) incorporado com diferentes tamanhos de Au NP de 30 a 60 nm de diâmetro em comparação com NW nu

Vista superior da distribuição de luz 2D; a a potência absorvida calculada; b o nanofio de GaAs após a incorporação do Au NPs de 30, 40, 50 e 60 nm de diâmetro calculado por FDTD no comprimento de onda de luz de 800 nm em comparação com o GaAs nu NW

A eficiência de absorção total de GaAs NW com D / P proporções de 0,3 incorporadas com diferentes tamanhos de Au NP de 40 a 60 nm de diâmetro em comparação com o NW descoberto

Vista lateral da distribuição de luz 2D para o nanofio GaAs nu em comprimentos de onda a 450, c 600 e e 800 nm em comparação com o GaAs NW decorado com 60 Au NPs ( b ), ( d ), e ( f ) Figuras g e h mostrar a vista superior das Figuras ( e ) e ( f ), respectivamente

Para completar o conjunto de análise, a potência total absorvida dentro do GaAs NW é calculada após decorar o diâmetro NPs de Au de 60 nm nos três comprimentos de onda de luz de corte de 450, 600 e 800 nm (Fig. 7a-f). Novamente, a potência total absorvida para o NW nu nestes três comprimentos de onda de luz é incluída para comparação. Da Fig. 7a-f, pode-se concluir que o aumento da potência absorvida é visto dentro do NW após a decoração dos NPs Au, especialmente nos comprimentos de onda mais elevados de 600 e 800 nm, em comparação com o GaAs NW nu. A melhor potência absorvida é encontrada para o GaAs-Au decorado NW no comprimento de onda de 800 nm (Fig. 7f). Para o último, a distribuição de potência absorvida é fortemente aumentada na metade superior do GaAs NW, o que é consistente com os resultados anteriores na Fig. 3. A Figura 7g, h mostra a vista superior do 2D E distribuição de campo dentro do GaAs NW em 800 nm, como mostrado na Fig. 7e, f, respectivamente. Esses resultados de simulação indicam que a concentração de luz devido à excitação de LSPR em torno de Au NPs leva a fotocorrentes localizadas melhoradas no GaAs NW, permitindo-lhes servir como antenas de transferência de energia em nanoescala eficazes para a luz incidente. Para obter mais informações sobre a eficiência de absorção dos nanofios, os dados da seção transversal de extinção (absorção + espalhamento) do GaAs NWs antes e depois da decoração com os NPs de Au de 60 nm foram calculados. A Figura 8a, b mostra a seção transversal de extinção óptica para nanofios GaAs nus (a) e nanofios decorados com Au (b) sob iluminação perpendicular. A Figura 8a indica uma absorção máxima do NW descoberto em um comprimento de onda de cerca de 400 nm. Este último explica muito bem que os GaAs NWs são bons absorvedores na região de UV do espectro EM. Além disso, o coeficiente de extinção na Fig. 8a é dominado pela absorção NW, enquanto a dispersão de luz é mínima. A Figura 8b mostra a seção transversal de extinção óptica simulada de GaAs NW decorado com Au NPs de 60 nm de diâmetro. Como pode ser visto, a capacidade de captura de luz do GaAs NW mostra dois picos de absorção como segue:(1) Na região do infravermelho próximo; a absorção NW ocupa ~ 8% no comprimento de onda de 650 nm. Esses são presumivelmente os LSPRs confinados na parede lateral ao redor do NW; (2) No campo distante, a absorção NW ocupa ~ 35% no comprimento de onda de ~ 800 nm, enquanto mantém um coeficiente de extinção óptica mais alto. Comparando as Fig. 8a, b, pode-se deduzir que a seção transversal óptica é efetivamente aumentada. Um aumento de ordem de magnitude na seção transversal óptica é prontamente aparente. A seguir, a geração óptica e eficiência de fotoconversão de nossa estrutura de célula solar antes e depois da decoração com NPs são investigadas. A Figura 9a mostra a eficiência da estrutura da célula solar NW com (linha vermelha) e sem decoração de Au NPs (linha preta) sob iluminações AM 1.5G. Observamos claramente um aumento da fotocorrente como resultado da decoração com Au NPs. A tensão de circuito aberto ( V _oc ) aumenta ligeiramente de 0,878 (para NWs nus) para 0,899 (para NWs decorados). Além disso, a densidade de corrente de curto-circuito ( J _sc ) aumenta drasticamente de 18,9 (para NWs nus) para 24,3 mA / cm ² (para NWs decorados). A Figura 9b mostra uma eficiência de fotoconversão crescente com o aumento de D / P proporção (máximo em 0,6). A Figura mostra que a eficiência da fotoconversão aumenta com o aumento de D / P razão até valores entre 0,5 e 0,6, acima dos quais a estabilidade da eficiência de fotoconversão é alcançada. Presumivelmente, isso se deve ao fato de que a luz incidente em uma banda de comprimento de onda completa pode ser absorvida por nanofios de GaAs se o D / P proporção é grande o suficiente. Além disso, o reflexo aumenta em alto D / P relações, o que diminuiria a eficiência de absorção. A partir da Figura, pode-se ver que a eficiência da nova estrutura é melhorada por um fator de 24 de 12,96 para 16,92% quando o D / P a proporção é de 0,4. Como a eficiência da fotoconversão aparentemente é influenciada por muitos fatores, é concebível a partir de nossos resultados que a melhoria na densidade da fotocorrente se deve à incorporação de NPs de Au em nossas estruturas NWs. Este último fornece um método para melhorar a captura de luz em D inferior / P proporções do material GaAs NWs. Nosso estudo combinando LSPRs com matrizes de nanofios, ambos os quais têm efeitos óbvios na captura de luz, fornece uma visão sobre pesquisas futuras para melhorar a eficiência solar e pode reduzir o custo das células solares se otimizado ainda mais.

Vista lateral da distribuição de potência de absorção 2D em GaAs nu em comprimentos de onda a 450, c 600 e 800 nm e em comparação com GaAs NW decorado com NPS ( b ), ( d ) e ( f ) Imagens g e h mostrar a vista superior das imagens ( e ) e ( f ), respectivamente

As seções transversais de absorção, espalhamento e extinção (absorção + espalhamento) para GaAs nu NW a sob iluminação perpendicular e b para NW decorado com 60 Au NPs (máximo 26 NPs), respectivamente

a Comparação de I - V características entre NWs nus e NWs com NPs Au de 60 nm; b eficiência de fotoconversão de NWs com diferentes D / P decorado com nanopartículas de Au de 60 nm

Após a absorção de luz, propusemos três mecanismos possíveis de realce plasmônico dentro do NW, empregando (1) espalhamento de fótons incidentes, (2) transferência de portador de carga e (3) realce de campo próximo. Considerando o mecanismo (1), nossos NPs com 60 nm de diâmetro têm um volume suficientemente grande para espalhar a luz de forma eficiente. Isso ocorre porque a intensidade da luz espalhada varia com a sexta potência do diâmetro da partícula [39]. A este respeito, os NPs plasmônicos atuam como nanorefletores para fótons incidentes nas direções para frente e para trás através de mecanismos de absorção e reemissão [40]. O último leva a um alongamento do caminho médio dos fótons, resultando em um aumento da taxa de captura de fótons incidentes. Quanto ao mecanismo (2), na combinação semicondutor plasmônico-NW, uma barreira Schottky localizada na interface bloqueia a transferência de elétrons do NP para o NW e vice-versa. No entanto, se a energia absorvida de elétrons quentes na excitação LSPR dos NPs de metal for suficiente, os elétrons podem superar a barreira e ser injetados na banda de condução do NW. Nesta foto, o mecanismo (2) contribui para o aumento plasmônico da absorção de luz dentro do nanofio de GaAs alinhado verticalmente. Além disso, a luz incidente é absorvida em uma faixa espectral adequada com sobreposição simultânea de LSPR e a energia do bandgap pode acionar substancialmente a excitação do bandgap do semicondutor. Deste ponto de vista, taxas aumentadas de geração de elétron-buraco podem ser alcançadas no semicondutor NW exposto ao campo elétrico no mecanismo (3). Além disso, a imobilização de Au NPs em contato com o semicondutor NW pode frequentemente facilitar a separação de carga na geração de par elétron-buraco, uma vez que os níveis de Fermi dos NPs plasmônicos são muito mais baixos do que os das bordas da banda de condução dos semicondutores [41] . Uma vez que o mecanismo de injeção de portador quente requer que os NPs metálicos e o NW estejam em contato final, foi descoberto que a geração de portadores do semicondutor é aumentada pelo LSPR do metal, mesmo sob isolamento elétrico [42,43,44 , 45,46,47,48,49,50]. Um forte campo elétrico é observado nas proximidades das NPs; a intensidade do qual é várias ordens de magnitude maior do que a do campo distante incidente [41]. Este último foi vividamente demonstrado em um estudo de simulação óptica usando o método de domínio de tempo de diferenças finitas (FDTD) [51].

Conclusões

Em resumo, é apresentada uma nova estrutura de célula solar aprimorada com plasmon com base em uma matriz de nanofios de GaAs decorada com nanopartículas de Au. Os resultados da absorção de GaAs NW são avaliados para o diâmetro NW ( D =100 nm), ( L =1 μm), e ( D / P =0,2–0,6). Nosso cálculo mostra que a melhor potência absorvida para o GaAs NW ocupa ~ 35% no comprimento de onda de ~ 800 nm quando decorado com nanopartículas de Au de 60 nm, que é muito maior do que filmes finos. Além disso, a geração óptica simulada no nanofio de GaAs está concentrada na metade superior do nanofio, dominada pela transferência de excitação. Acredita-se que o LSPR que ocorre na superfície das nanopartículas de Au seja a principal fonte do campo local aprimorado dentro dos nanofios de GaAs alinhados. A luz incidente concentrada leva a um aumento na taxa de geração de par elétron-buraco dentro dos nanofios, melhorando assim a eficiência geral da célula solar. A estrutura explica muito bem que os nanofios de GaAs são bons absorvedores na região de UV do espectro EM. Nosso estudo combinando LSPR com matrizes de nanofios fornece uma ferramenta interessante para pesquisas futuras para reduzir o custo das células solares.

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