Desempenho fotovoltaico de uma célula solar nanofio / ponto quântico híbrido de nanoestrutura

Resumo

Uma célula solar inovadora baseada em uma matriz de nanoestrutura híbrida de nanofios / pontos quânticos é projetada e analisada. Ao aumentar os pontos quânticos de InAs multicamadas nas paredes laterais dos nanofios de GaAs, não apenas o espectro de absorção dos nanofios de GaAs é estendido por pontos quânticos, mas também a absorção de luz dos pontos quânticos é dramaticamente aumentada devido ao efeito de captura de luz da matriz de nanofios. Ao incorporar cinco camadas de pontos quânticos InAs em uma matriz de nanofios de alto GaAs de 500 nm, o aumento da eficiência de conversão de energia induzido pelos pontos quânticos é seis vezes maior do que o aumento da eficiência de conversão de energia em células solares de filme fino que contêm a mesma quantidade de pontos quânticos, indicando que a estrutura de matriz de nanofios pode beneficiar o desempenho fotovoltaico de células solares de pontos quânticos.

Histórico

A incorporação de pontos quânticos (QDs) em células solares tem sido proposta como uma forma promissora de aumentar a eficiência de conversão do dispositivo [1, 2]. A inserção de QDs na região ativa de uma célula solar permite projetar o bandgap efetivo do material e estender o espectro de absorção [3,4,5,6]. Isso pode ser usado para aumentar a fotocorrente de uma célula solar homogênea [7,8,9] ou para formar uma banda intermediária isolada dentro da lacuna do material hospedeiro para absorver fótons com energia abaixo da lacuna de energia do material hospedeiro [10,11,12 , 13]. No entanto, para superar a eficiência dos dispositivos convencionais, o aumento de absorção causado pelos QDs deve ser melhorado significativamente. Isso pode ser alcançado aumentando o número de QDs, aumentando a absorção óptica ou uma combinação de ambos [14]. Nos últimos anos, uma estrutura atraente foi fabricada pelo crescimento de Stranski-Krastanov (SK) QDs nas paredes laterais dos nanofios (NWs), que oferece uma abordagem inovadora para combinar a vantagem dos dois tipos de nanoestruturas [15,16,17, 18,19]. Multicamadas QDs podem ser cultivadas nas paredes laterais de NWs, o que aumenta substancialmente o número de QDs, enquanto a matriz NW alinhada verticalmente pode aumentar drasticamente a absorção de QDs devido à excelente capacidade de captura de luz [20,21,22,23,24 ] Assim, espera-se que a fotocorrente contribuída por QDs no arranjo de nanoestruturas híbridas NW / QD seja maior do que em estruturas QD de filme fino. Além disso, a estrutura híbrida NW / QD pode ser fabricada em substratos de silício de baixo custo, o que a torna promissora para células solares de baixo custo e alta eficiência [25]. Embora a fabricação e as propriedades ópticas das nanoestruturas híbridas NW / QD tenham sido amplamente relatadas, o desempenho das células solares com base nas estruturas híbridas ainda não foi investigado.

Neste artigo, uma simulação optoeletrônica acoplada é apresentada para investigar o desempenho fotovoltaico de uma célula solar híbrida GaAs / InAs NW / QD. A estrutura considerada consiste em uma matriz NW alinhada verticalmente com cada NW contendo cinco camadas de QDs dispostas perpendicularmente ao eixo de crescimento NW. Ambos os QDs e as camadas de umedecimento (WLs) contribuem para a absorção de fótons sub-bandgap, estendendo o espectro de absorção para 950 nm. Cada NW consiste em uma junção de pino radial com todas as camadas QD localizadas na região intrínseca. Em primeiro lugar, uma comparação nos espectros de absorção de luz entre as matrizes NW com e sem QDs é feita usando simulações tridimensionais no domínio do tempo de diferença finita (3D-FDTD). Os espectros de absorção de suas contrapartes de filme fino também são calculados. Em seguida, os perfis de fotogeração são incorporados às simulações elétricas para calcular a densidade de corrente versus tensão ( I - V ) características. Os resultados mostram que, tanto na matriz NW quanto nas células solares de película fina, a incorporação de QDs pode aumentar a corrente de curto-circuito ( J _sc ) aumentando a absorção de luz; no entanto, uma degeneração da tensão de circuito aberto ( V _oc ) ocorre ao mesmo tempo. O aumento geral da eficiência de conversão de energia induzida pelos pontos quânticos em células solares de matriz NW é seis vezes maior do que o aprimoramento de eficiência em células solares de película fina que contêm a mesma quantidade de pontos quânticos, indicando que a estrutura de matriz NW pode beneficiar o desempenho fotovoltaico de células solares de pontos quânticos.

Métodos

Em nosso estudo anterior [15], a fabricação das estruturas híbridas NW / QD foi realizada usando um sistema de deposição de vapor químico orgânico metálico (MOCVD) Thomas Swan Close Coupled Showerhead (CCS). Trimetilgálio (TMGa), trimetilíndio (TMIn) e arsina (AsH ₃ ) foram usados como precursores. O portador era o hidrogênio. Um substrato de GaAs revestido com Au foi carregado no reator MOCVD e recozido sob AsH ₃ ambiente para formar partículas de liga de Au-Ga como catalisador. Os GaAs NWs foram cultivados em primeiro lugar e, em seguida, a primeira camada de InAs QDs foi depositada desligando o TMGa e aumentando a temperatura. Após o crescimento da camada InAs QD, o casco do espaçador GaAs foi radialmente crescido nos InAs QDs. As multicamadas de estruturas QD foram realizadas repetindo a combinação de InAs QDs e GaAs espaçadores shell por determinados momentos.

O esquema da célula solar híbrida NW / QD é ilustrado na Fig. 1a. O dispositivo consiste em estruturas híbridas de GaAs / InAs NW / QD periódicas. Cada NW contém uma junção de pino radial com cinco camadas de QDs dispostos perpendicularmente ao eixo de crescimento NW na região intrínseca, como mostrado na Fig. 1b. A concentração de dopagem da casca do tipo p e do núcleo do tipo n é 3 × 10 ¹⁸ e 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , respectivamente. As camadas QD são modeladas tratando o material InAs QDs, WL e GaAs em torno dos QDs como um meio eficaz. A espessura de cada meio efetivo é de 2 nm.

a Os desenhos esquemáticos da célula solar híbrida NW / QD e sua contraparte de película fina. b As estruturas detalhadas das unidades marcadas com wireframes em a . c Coeficiente de absorção do meio efetivo. As frações de volume de QDs, WL e GaAs no meio eficaz são 0,002882996, 0,649123 e 0,347994, respectivamente

Para simulação óptica, o índice de refração complexo dependente do comprimento de onda do meio efetivo é calculado por uma sobreposição de volume ponderado do material QDs, WL e GaAs conforme descrito em [26], que é expresso pela Eq. (1).
$$ {\ alpha} _ {\ mathrm {eff}} ={F} _ {\ mathrm {QD}} {\ alpha} _ {\ mathrm {QD}} + {F} _ {\ mathrm {WL}} {\ alpha} _ {\ mathrm {WL}} + {F} _ {\ mathrm {GaAs}} {\ alpha} _ {\ mathrm {GaAs}} $$ (1)
onde F _QD , F _WL e F _GaAs são as frações de volume dos materiais QD, WL e GaAs no meio efetivo, respectivamente. O coeficiente de absorção de InAs QDs e WLs é obtido de [26], com o mesmo tamanho e densidade de QD. Outros parâmetros do material são obtidos em [27]. O coeficiente de absorção usado neste trabalho é apresentado na Fig. 1c. Dois picos são observados abaixo do bandgap de GaAs, com um centrado em um comprimento de onda de 876 nm e o outro centrado em 916 nm, que são atribuídos às camadas QD. A célula solar de filme fino contendo camadas QD também é simulada para comparação. A espessura da célula solar de filme fino é definida para ser igual ao comprimento NW, e o volume total das camadas QD e a espessura da camada intrínseca nas células solares de filme fino são definidos para serem iguais aos do NW / QD células solares híbridas. As propriedades de absorção das células solares são calculadas pelo pacote de software FDTD Solutions (Lumerical Solutions, Inc.). Ao colocar as condições de contorno periódicas, as simulações podem ser realizadas em uma única célula unitária para modelar a estrutura da matriz periódica. O espectro AM1.5G é dividido em 87 intervalos de comprimento de onda discretos, de 300 a 950 nm. As contribuições do modo elétrico transversal (TE) e magnético transversal (TM) são sobrepostas para modelar a característica não polarizada correspondente da luz solar. A geração óptica total sob iluminação AM1.5G pode ser modelada sobrepondo as taxas de fotogeração de comprimento de onda único espectralmente resolvidas.

Para modelagem elétrica, os perfis de geração ótica 3D são incorporados à malha de elementos finitos dos dispositivos no pacote de software do dispositivo (Lumerical Solutions, Inc.), que resolve as equações de continuidade da portadora acopladas à equação de Poisson de forma autoconsistente. Para modelar as propriedades de transporte da portadora do meio efetivo, assumimos que as portadoras ópticas geradas nas barreiras GaAs são capturadas pelo bandgap inferior 2D WL e, subsequentemente, relaxam para o estado fundamental QD em escalas de tempo de 1–50 ps [28, 29]. Os portadores gerados em QDs ou capturados de WL recombinam ou escapam de volta para WL por emissão térmica [30]. O processo de captura e escape é modelado pela configuração de deslocamentos de banda efetiva de 100 meV na interface de GaAs e meio efetivo, de acordo com a energia de ativação para emissão térmica de pontos quânticos relatada na literatura [30,31,32]. Um método de modelagem semelhante foi relatado em [26], no qual as características das células solares multijuncionais aprimoradas com QD foram investigadas. O diagrama da banda de energia iluminada das células solares híbridas NW / QD é mostrado na Fig. 2.

O diagrama de banda de energia iluminada das células solares híbridas NW / QD

A recombinação radiativa, Auger e Shockley-Read-Hall (SRH) é levada em consideração na simulação elétrica do dispositivo. Os tempos de vida do portador minoritário QD são descritos usando um tempo de vida de recombinação radiativa de 1 ns e um tempo de vida de recombinação SRH de 10 ns [26], os tempos de vida finais do meio efetivo são uma soma ponderada dos tempos de vida de recombinação NW de QD e GaAs (assumindo os portadores capturados pelo WL são posteriormente capturados pelo QD), conforme descrito em [26]. O coeficiente de recombinação Auger do meio efetivo é definido como 4,2 × 10 ⁻²⁹ cm ⁶ / s [33]. E as massas efetivas do elétron e do buraco são definidas como 0,053 m ₀ e 0,341 m ₀ , respectivamente [26]. Na modelagem do transporte de portadores de barreira através da região do meio efetivo, usamos a mobilidade de barreira (2500 cm ² / Vs para elétrons e 150 cm ² / Vs para furos) [34], conforme descrito em [35]. Uma velocidade de recombinação de superfície de 3000 cm / s é usada no modelo do dispositivo, assumindo que as superfícies dos nanofios estão bem passivadas [34, 36]. E, a velocidade de recombinação da portadora minoritária de contato é definida como 10 ⁷ cm / s [37].

Resultados e discussão

Os espectros de absorção de células solares de matriz GaAs NW com e sem camadas QD são mostrados na Fig. 3. O raio NW é definido como 100 nm e o período é 360 nm. Ao introduzir camadas QD, a absorção de GaAs NWs é dramaticamente aumentada e o espectro de absorção é estendido para 950 nm. A Figura 3a – d mostra os espectros de absorção com diferentes comprimentos NW. Pode-se ver que a absorção é acentuadamente aumentada por camadas QD em um comprimento de onda além de 450 nm, uma vez que as camadas QD têm coeficiente de absorção maior do que GaAs NWs. Conforme o comprimento NW aumenta, a diferença de absorção entre matrizes NW com e sem camadas QD está ficando menor na faixa de comprimento de onda além do intervalo de banda GaAs, indicando que a absorção de GaAs é mais suficiente para NWs mais longos. Enquanto na faixa de comprimento de onda abaixo do intervalo de banda GaAs, como GaAs NWs contribuem pouco para a absorção de luz, o aumento de absorção induzido por camadas QD torna-se mais proeminente à medida que o comprimento NW aumenta. Dois picos de absorção são observados na faixa de comprimento de onda abaixo do bandgap do GaAs, que estão centrados em 876 e 916 nm, respectivamente, correspondendo aos comprimentos de onda em que o meio efetivo tem o maior coeficiente de absorção. Em comparação com a célula solar híbrida NW / QD, a absorção da célula solar de filme fino satura muito mais cedo com o aumento da espessura do filme, pois a principal perda na célula solar de filme fino é a reflexão. Como a proporção de volume das camadas QD nos filmes finos é muito menor do que na matriz NW, o aumento da absorção de luz induzido pelas camadas QD é quase desprezível na faixa de comprimento de onda além do intervalo de banda de GaAs. Enquanto na faixa de comprimento de onda abaixo do intervalo de banda GaAs, devido à falta de capacidade de captura de luz, a absorção de camadas QD no filme fino é muito menor do que na matriz NW.

Os espectros de absorção da matriz de nanoestrutura híbrida NW / QD e sua contraparte de filme fino com e sem camadas QD. O comprimento NW em a - d é 500, 1000, 2000 e 3000 nm, respectivamente

Os perfis de geração óptica das estruturas consideradas são mostrados na Fig. 4. NWs com comprimentos de 500 e 3000 nm são considerados nesta parte (doravante referidos como NW curto e NW longo, respectivamente). É óbvio que a geração de portadores em meio efetivo é muito maior do que em GaAs, demonstrando o aumento de absorção induzido por QDs. Em células solares híbridas NW / QD, menos portadores são gerados na região do núcleo NW, uma vez que alguns portadores estão concentrados nas regiões QD. Espera-se que esse fenômeno beneficie o desempenho do dispositivo, uma vez que a região do núcleo altamente dopada freqüentemente sofre sérias perdas de recombinação. Em NWs curtos, os portadores óticos gerados se distribuem em todo o NW, enquanto em NWs longos, os portadores estão principalmente concentrados no topo, indicando que a absorção de luz em NWs longos é suficiente, embora a matriz NW considerada não contenha quaisquer substratos. Pode-se observar que, em NWs longos, uma região de alta geração de portadores nas camadas QD se estende mais do que no núcleo NW, e os portadores estão concentrados em vários lobos ao longo do eixo NW. Isso é induzido pelos modos de ressonância em uma região de comprimento de onda longo no NW. A luz de comprimento de onda longo tem maior comprimento de absorção e é absorvida principalmente em regiões QD, especialmente a luz em uma faixa de comprimento de onda abaixo do intervalo de banda GaAs. As distribuições do campo elétrico sob iluminação de luz não polarizada em GaAs NWs em 876 e 916 nm são mostradas na Fig. 4c, a partir da qual podemos ver que o campo elétrico se sobrepõe fortemente com as regiões QD, o que explica ainda mais o efeito de intensificação das estruturas NW no Absorção de QD neste comprimento de onda. O perfil de geração óptica de uma célula solar de filme fino de 500 nm é mostrado na Fig. 4d, e pode ser visto que a absorção em estruturas de filme fino é muito mais fraca do que em NWs. Para estruturas de filme fino, os portadores gerados em QDs têm pouco efeito no perfil geral de geração. Enquanto em NWs, QDs com o mesmo volume podem contribuir significativamente para a absorção graças aos modos de ressonância guiada em NWs [21].

a A seção transversal vertical de perfis de geração óptica em células solares híbridas curtas NW e NW / QD. b A seção transversal vertical de perfis de geração óptica em células solares híbridas longas NW e NW / QD. c As distribuições do campo elétrico na seção transversal NW em 876 e 916 nm, em que a localização das camadas QD é marcada com linhas brancas. d A seção transversal vertical de perfis de geração óptica em células solares híbridas de filme fino e filme fino / QD

Novos estudos focam na investigação do potencial aumento nos ganhos de eficiência fotovoltaica decorrentes do aumento de absorção induzido por QDs. Perfis de fotogeração previamente simulados são incorporados ao pacote de software do dispositivo para calcular o I - V características dos dispositivos considerados. Espera-se que a geração de portadoras aumente nas regiões QD; no entanto, os portadores nas regiões QD sofrem de maior taxa de recombinação. Como resultado, um aumento das correntes de curto-circuito ( J _sc ) em células solares aprimoradas com QD é frequentemente acompanhada por uma deterioração da tensão de circuito aberto ( V _oc ) [38]. O efeito dos QDs na eficiência do dispositivo depende de uma compensação entre J _sc aumentar e V _oc redução. O eu - V as características das células solares NW são mostradas na Fig. 5a, b, e a corporação de QDs em curto NWs leva a um J _sc aprimoramento de 1,09 mA / cm ² e um V _oc redução de 0,017 V. Enquanto em NWs longos, um J _sc aumento de 1,22 mA / cm ² e um V _oc redução de 0,021 V são observadas. O aumento geral da eficiência é de 0,67% em NWs curtos e 0,45% em NWs longos. Ao aumentar o comprimento NW, o J _sc o aprimoramento é aumentado, assim como o V _oc redução devido ao aumento do volume QD. A Figura 5c ilustra os perfis de recombinação radiativa em NWs perto de V _oc; em comparação com GaAs NWs puro, as taxas de recombinação radiativa aumentam em mais de 3 ordens de magnitude nas camadas QD, o que explica o V _oc degeneração. As eficiências de conversão de células solares de filme fino com e sem QDs também são calculadas. O aumento de eficiência induzido por QDs é de apenas 0,11%, muito menor do que nas células solares NWs, embora os volumes de QD em NWs e estruturas de filme fino sejam os mesmos. O resultado indica que a matriz NW é vantajosa para aumentar a eficiência das células solares de pontos quânticos. O aumento de eficiência induzido por QDs não é tão impressionante neste trabalho devido à degeneração de V _oc; no entanto, várias abordagens demonstraram manter V _oc em células solares aprimoradas com QD [5, 39]. Espera-se que um aumento de eficiência mais satisfatório seja obtido se o V _oc a degeneração poderia ser evitada em células solares híbridas NW / QD. Além disso, o espectro de absorção óptica de QDs depende fortemente da distribuição do tamanho do ponto [40, 41, 42]. Acreditamos que, ao modificar o tamanho e a densidade do QD, é possível obter um coeficiente de absorção maior, o que pode levar a um aumento de absorção mais significativo e maior eficiência de conversão.

a O eu - V características de células solares híbridas curtas NW e NW / QD. b O eu - V características de células solares híbridas longas NW e NW / QD. c Metade da seção transversal vertical das taxas de recombinação radiativa de células solares híbridas curtas NW e NW / QD. d O eu - V características de células solares híbridas de filme fino e filme fino / QD

Conclusões

Em resumo, estudamos o desempenho fotovoltaico de uma célula solar híbrida GaAs / InAs NW / QD. Os resultados mostram que os espectros de absorção de GaAs NWs podem ser estendidos para 950 nm, incorporando QDs InAs multicamadas nas paredes laterais NW. A absorção de QDs também é dramaticamente melhorada devido ao efeito de captura de luz do arranjo NW. eu - V características mostram que J _sc em células solares NW pode ser aumentada devido ao aumento da absorção de luz, enquanto V _oc é degenerado por causa de recombinação mais séria induzida por QDs. O aumento de eficiência geral induzido por QDs em células solares NW é muito maior do que em células solares de película fina, indicando que a estrutura híbrida GaAs / InAs NW / QD é promissora para células solares QD.

Abreviações

3D-FDTD:: Domínio de tempo de diferença finita tridimensional
AsH ₃ :: Arsine
CCS:: Chuveiro acoplado próximo
I - V :: Densidade de corrente versus voltagem
J _sc :: Corrente de curto-circuito
MOCVD:: Deposição de vapor químico orgânico de metal
NWs:: Nanofios
QDs:: Pontos quânticos
S-K:: Stranski-Krastanov
SRH:: Shockley-Read-Hall
TE:: Transversal elétrico
TM:: Magnético transversal
TMGa:: Trimetilgálio
TMIn:: Trimetilíndio
V _oc :: Voltagem de circuito aberto
WLs:: Camadas de umedecimento

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