Excelente confinamento de luz de arranjos de nanofios semicondutores modificados por hemielipsoide invertido e hemielipsoide

Resumo

Neste artigo, apresentamos estruturas ópticas de nanofios semicondutores modificados por hemielipsoide e hemielipsoide invertido (NW) e apresentamos uma investigação sistemática sobre o gerenciamento de luz dos arranjos correspondentes com base em GaAs. Verificou-se que a modificação permite uma boa utilização do espalhamento de luz e anti-reflexo, levando a um excelente confinamento de luz com espessura efetiva limitada. Por exemplo, 90% e 95% dos fótons incidentes com a energia maior do que a energia do bandgap podem ser capturados pelos arranjos NW modificados por hemielipsoide invertido com as espessuras efetivas de apenas ~ 180 e 270 nm, respectivamente. Além disso, um excelente confinamento de luz pode ser alcançado em uma ampla faixa de altura de modificação. Em comparação com a matriz correspondente sem modificação superior, a distribuição espacial dos portadores fotogerados é expandida, facilitando a coleta de portadores especialmente para o pn planar configuração de junção. Outras investigações indicam que essas nanoestruturas compostas possuem excelente confinamento de luz omnidirecional, o que é esperado para absorvedores solares avançados.

Histórico

A eletricidade solar baseada no efeito fotovoltaico (PV) teve um progresso notável nas últimas décadas e está mudando gradualmente a estrutura energética global [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]. Para atender à demanda continuamente crescente de eletricidade FV, a implantação em grande escala de módulos FV é urgente e, entretanto, restringida pelo preço relativamente alto, que está principalmente relacionado aos altos custos de material dos produtos FV dominados pelo mercado com base em pastilhas de silício cristalino [ 11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]. Embora os dispositivos fotovoltaicos baseados em filme fino tenham um grande potencial para redução de custo de material, a baixa absorção de luz devido à espessura óptica limitada é uma grande preocupação e precisa ser tratada pela introdução de estruturas de gerenciamento de luz, como revestimentos anti-reflexo e / ou texturização de substrato, o que resultaria no custo extra [21,22,23,24,25,26,27].

Diferente das estruturas planas tradicionais, os absorvedores solares semicondutores nanoestruturados possuem propriedades superiores no gerenciamento de luz e coleção de portadores fotogerados e, portanto, exibem um enorme potencial na aplicação de dispositivos optoeletrônicos de alto desempenho e custo, incluindo células solares e fotodetectores [28,29,30 , 31,32,33,34,35,36]. Graças aos extensos esforços dedicados pelos pesquisadores relacionados, várias nanoestruturas semicondutoras, como nanofios (NW) [37,38,39,40,41,42,43,44,45], nanocone [46,47,48,49, 50], nanopit [51,52,53] e nanohemisphere [54, 55] arranjos foram introduzidos e investigados a partir de aspectos teóricos e experimentais. Os efeitos dos modos de gerenciamento de luz, incluindo a modificação do índice de refração espacial para anti-reflexo, modo de vazamento, ressonância longitudinal guiada, espalhamento de luz e ressonância de plasmon de superfície na captura de luz, foram compreendidos e enfatizados com diferentes pesos para diferentes nanoestruturas [56,57,58,59 , 60,61]. No entanto, cada modo de gerenciamento de luz individual não pode cumprir o confinamento de luz eficiente em uma ampla faixa espectral, especialmente para aplicações de células solares. Consequentemente, a combinação de diferentes modos de gerenciamento de luz é necessária para o aprimoramento total da absorção espectral. Enquanto isso, considerando as preocupações relacionadas a questões de fabricação, por exemplo, alta reprodutibilidade a baixo custo, é necessária uma estrutura simples para absorvedores de luz.

Para realizar um confinamento de luz mais eficiente com espessura efetiva limitada para matrizes de semicondutores NW, a modificação de topo usando estruturas hemielipsoide e hemielipsoide invertida é introduzida e sistematicamente investigada nos comportamentos de gerenciamento de luz neste artigo. Devido ao efeito sinérgico de antirreflexo eficaz e dispersão de luz, o confinamento de luz é significativamente reforçado com espessura eficaz reduzida em comparação com os arranjos NW sem modificação. Para o caso de arranjos GaAs NW, 90% e 95% dos fótons incidentes com a energia maior do que a energia do bandgap podem ser capturados pelos arranjos NW modificados por hemielipsoide invertido com a espessura efetiva de ~ 180 e 270 nm. Além disso, estudos adicionais indicam que as estruturas relacionadas fornecem excelente confinamento de luz sob incidência oblíqua.

Métodos

Neste estudo, matrizes NW dispostas em quadratura (ver Fig. 1a) com um período otimizado de 600 nm [56, 62] são investigadas sob diferentes parâmetros estruturais do diâmetro do nanofio ( D ), altura total ( H ) e altura de modificação ( h ), conforme rotulado na Fig. 1b. Para calcular as equações de Maxwell e, portanto, a distribuição do fluxo de energia dos sistemas ópticos, um método de domínio de tempo de diferença finita é empregado. As condições de contorno periódicas são aplicadas nas paredes laterais de uma unidade para construir as matrizes relacionadas e, enquanto isso, beneficiam a economia da fonte de cálculo e do tempo. Nos limites superior e inferior da unidade, o limite da camada de correspondência perfeita é usado para absorver todos os fótons de saída e, assim, determinar a reflexão da luz ( R ) e transmissão ( T ) Em seguida, a absorção de luz ( A ) é obtido seguindo a relação de A =1– R - T .

a Esquema de uma matriz NW modificada por hemielipsoide, e b uma unidade de uma matriz NW modificada por hemielipsoide invertido para simulações ópticas. Os parâmetros estruturais investigados neste estudo são o diâmetro do nanofio ( D ), altura total ( H ) e altura de modificação ( h ) como rotulado

Neste artigo, o material optoeletrônico semicondutor representativo, GaAs, é adotado para investigação. Considerando a energia do bandgap de 1,42 eV e a principal região de energia da irradiação solar, comportamentos ópticos em uma faixa espectral de 300-1000 nm são investigados. Para comparar mais quantitativamente a captura de luz dos sistemas ópticos, densidade de fotocorrente teórica normalizada, ^N J _ph , é adotado [27, 63], que é definido como a razão da densidade de fotocorrente teórica da estrutura investigada para isso (~ 32,0 mA / cm ² em AM 1.5G [64] iluminação para GaAs) de um absorvedor ideal com a mesma energia do bandgap ambos com uma eficiência quântica interna de 100%.

Resultados e discussão

A Figura 2 resume ^N J _ph como uma função de h para os arranjos de GaAs NW modificados por hemielopsoide e hemielipsoide invertido com H de (a) 1000, (b) 2000 e (c) 3000 nm; e D de 100, 300 e 500 nm. Nota-se que ^N J _ph para todas as matrizes com D de 100 nm diminui monotonamente com o aumento de h . No entanto, para tais matrizes com D maiores de 300 e 500 nm, o confinamento de luz melhorado pode ser geralmente observado após a introdução da modificação superior com tamanhos apropriados, exceto para o caso de D =300 nm e H =1000 nm. Além disso, quanto mais espessos forem os NWs, mais notável será o aumento do confinamento da luz. É notável que, conforme exibido na Fig. 2a, ^N J _ph de 0,90 e 0,95 pode ser alcançado para a modificação hemielipsoide invertida com as espessuras efetivas de apenas ~ 180 e 270 nm para a matriz com D =500 nm, H = h =1000 nm e a matriz com D =500 nm, H =1000 nm e h =750 nm, respectivamente.

Densidade de fotocorrente teórica normalizada (^N J _ph ) para os arranjos de GaAs NW modificados por hemielipsoide e hemielipsoide invertido em função da altura do hemielipsoide ( h ) em diferentes alturas totais de a 1000, b 2000 e c 3000 nm. Os diâmetros do fio ( D ) são 100, 300 e 500 nm. A linha pontilhada vermelha e a linha tracejada vermelha em cada figura denotam os valores de ^N J _ph de 0,90 e 0,95, respectivamente

É bem conhecido que o anti-reflexo é uma função inerente aos arranjos NW devido à diferença reduzida entre os índices de refração do ambiente circundante (normalmente o ar) e a estrutura óptica em comparação com suas contrapartes de wafer / filme plano [27, 52]. No entanto, a antirreflexão não resulta, conseqüentemente, em absorção de luz eficaz, devido ao possível aumento da transmissão de luz através dos absorvedores. Neste estudo, as matrizes com D de 100 nm possuem a menor taxa de enchimento e, portanto, o menor índice de refração eficaz. Embora essas matrizes exibam excelente anti-reflexo, a transmissão de luz é significativamente forte, especialmente no regime de comprimento de onda longo (ver Fig. 3a), isto é, a região de alta densidade de fótons. Além disso, conforme indicado na Fig. 3a, a modificação superior tem pouca contribuição para a anti-reflexo, mas leva a uma transmissão de luz melhorada, tornando assim pior a absorção de luz (ver Fig. 3b) e resultando na diminuição de ^N J _ph para as matrizes de diâmetro de 100 nm NW. Além disso, pode-se observar que o principal mecanismo de confinamento de luz é o HE ₁₁ modo com vazamento (veja a inserção da Fig. 3b) para as matrizes NW de D =100 nm [65].

a Reflexão / transmissão e b absorção das matrizes de H =2000 nm e D =100 nm. c Reflexão, d transmissão e e absorção das matrizes de H =2000 nm e D =500 nm. f Absorção de matrizes NW puras com D de 100, 300 e 500 nm e H =2000 nm. A inserção de b mostra a distribuição da força do campo elétrico do HE ₁₁ modo, e o círculo pontilhado branco delineia a periferia do fio. A inserção de f exibe a distribuição da intensidade do campo elétrico da matriz NW pura com H =2000 nm e D =500 nm no comprimento de onda de 810 nm

Para as matrizes NW com D maior de 300 e 500 nm, a taxa de enchimento e, portanto, o índice de refração efetivo aumentam e a reflexão da luz torna-se evidente, como mostrado na Fig. 3c. Para essas matrizes, a modificação apropriada usando hemielipsoide e hemielipsoide invertido pode reduzir notavelmente a reflexão da luz, aumentando assim a absorção de luz (ver Fig. 3c e e). Além disso, é evidente que um excelente confinamento de luz pode ser alcançado em uma ampla faixa de altura de modificação, proporcionando assim conveniência para a fabricação dos dispositivos de alto desempenho relacionados. Por exemplo, conforme exibido na Fig. 2b, ^N J _ph de 0,95 pode ser alcançado para um arranjo NW de 500 nm de diâmetro com hemielipsoide invertido no intervalo de 350–2000 nm ou com hemielipsoide no intervalo de 600–2000 nm. No entanto, modificação excessiva (ou seja, h é muito grande) especialmente para o caso de usar hemielipsoides invertidos levaria a uma transmissão de luz significativamente melhorada e a uma absorção de luz reduzida em torno da energia do bandgap, como mostrado nas Figuras 3d e e. Consequentemente, o primeiro aumento e a diminuição seguinte de ^N J _ph é observada para as matrizes NW relacionadas (ver Fig. 2).

A Figura 3f mostra os espectros de absorção das matrizes NW puras com D de 100, 300 e 500 nm, e H de 2000 nm. É evidente que a borda de absorção de luz muda para um comprimento de onda longo e, enquanto isso, o mecanismo de gerenciamento de luz principal muda de modo de vazamento para espalhamento de luz como D aumenta. Além disso, para NWs com D de 500 nm, algumas oscilações de absorção em torno de 800 nm podem ser observadas, as quais são atribuídas às ressonâncias longitudinais guiadas, conforme exibido no detalhe da Fig. 3f. É conhecido que como D aumenta, o limite / comprimento de onda mais longo que pode formar um modo longitudinal guiado também aumenta [56, 57]. Para luz de comprimento de onda longo, a queda de amplitude ao se propagar ao longo do eixo do fio é relativamente mais fraca do que a luz de comprimento de onda curto por causa do coeficiente de absorção menor. Se o comprimento do fio não for muito longo, a onda refletida do fundo NW pode interferir com a onda de entrada para formar as ressonâncias longitudinais guiadas.

Para entender melhor a influência da modificação superior no gerenciamento de luz, distribuição espacial da taxa de geração de portadoras para as matrizes ( H =2000 nm e D =500 nm) modificado por hemielipsoides ( h =500 nm) e hemielliopsoides invertidos ( h =500 nm) na iluminação AM 1.5G é mostrada na Fig. 4. A distribuição correspondente na matriz NW pura com H e D de 2000 e 500 nm também é apresentado para comparação. É óbvio que a região de distribuição de transportadores fotogerados é expandida devido ao efeito sinérgico de anti-reflexo e dispersão de luz aumentados após a introdução da modificação de topo apropriada. É consistente com o ^N aumentado J _ph / confinamento de luz aprimorado para as matrizes modificadas, como exibido na Fig. 2b. Além disso, a expansão da distribuição de portadores gerados por foto é benéfica para a coleção de portadores, especialmente para o pn planar configuração de junção e, entretanto, torna as estruturas mais toleráveis a defeitos de massa / má qualidade do material. É importante notar que, em comparação com a matriz NW pura, a modificação superior também leva ao aumento notável da densidade de portadores na superfície, e a passivação da superfície é necessária para reduzir as perdas de recombinação de superfície de portadores fotogerados para tais matrizes [66, 67].

Distribuição espacial da taxa de geração de portadora fotogerada na iluminação AM 1.5G para as matrizes ( H =2000 nm e D =500 nm) modificado no topo por hemielipsoides (à esquerda) ( h =500 nm) e hemielipsoides invertidos (intermediários) ( h =500 nm). A taxa de geração (direita) na matriz NW pura de H =2000 nm e D =500 nm é apresentado para comparação

Como um excelente absorvedor de luz, é necessária uma captura de luz eficaz sob incidência oblíqua. A Figura 5 exibe os espectros de absorção no ângulo incidente, α =0, 30 e 60 graus (°) para os arranjos (a) hemielipsoide- e (b) hemielipsoide invertido modificado GaAs NW com os mesmos parâmetros estruturais para os arranjos mostrados na Fig. 4. É notável que mesmo em α =60 °, apenas degradação limitada é observável, indicando excelente confinamento de luz omnidirecional por ambas as modificações. A densidade de fotocorrente calculada, J _ph para essas duas matrizes está resumido na inserção da Fig. 5a e b. Observa-se que em comparação com J _ph de ~ 27,7 e 16,0 mA / cm ² para um absorvedor de GaAs ideal em α =30 ° e 60 °, respectivamente, o valor correspondente para ambas as matrizes NW modificadas mostra apenas uma redução limitada.

Espectro de absorção de a hemielipsoide- e b arranjos de GaAs NW modificados por hemielipsoide invertido ( H =2000 nm, D =500 nm e h =500 nm) no ângulo incidente ( α ) de 0, 30 e 60 °. As tabelas inseridas resumem a densidade de fotocorrente teórica ( J _ph ) para essas duas matrizes NW modificadas no topo nos ângulos incidentes correspondentes, respectivamente

Sabe-se que para NWs fabricados experimentalmente, as superfícies normalmente não são tão lisas como as adotadas nas simulações. Para verificar a validade dos resultados da simulação para orientar o estudo experimental, as características ópticas dos arranjos GaAs NW com seção transversal de fio ortohexagonal foram simuladas e comparadas com as dos arranjos NW correspondentes com seção transversal de fio circular. A Figura 6 compara os espectros de absorção desses dois tipos de matrizes com o mesmo volume (caracterizado pelo diâmetro (100, 300 e 500 nm) do círculo NWs) e comprimento do fio de 2 μm na faixa espectral de 310 nm (4 eV ) a 873,2 nm (1,42 eV, ou seja, a energia do bandgap de GaAs). Nota-se que não há diferenças evidentes dos comportamentos ópticos entre esses dois tipos de arranjos NW na faixa espectral considerada. Consequentemente, acredita-se que os resultados da simulação concluídos a partir das matrizes NW com uma seção transversal de fio circular também são aplicáveis a outras matrizes com uma seção transversal de fio diferente.

Comparação dos espectros de absorção dos arranjos NW puros de GaAs com as seções transversais do fio circular e ortohexagonal. O período da matriz e o comprimento do fio são 600 nm e 2 μm, respectivamente. Os volumes de fio para as matrizes NW correspondentes são os mesmos e caracterizados pelo diâmetro (100, 300 e 500 nm) dos NWs com uma seção transversal circular

Além disso, a partir da discussão acima, é evidenciado que a combinação da modificação superior para modulação espacial do índice de refração e dispersão de luz intensificada pela estrutura inferior com dimensão característica combinada é uma diretriz facilmente operada para orientar o projeto de absorvedores de luz de alto desempenho.

Conclusões

Neste artigo, a modificação superior de nanofios semicondutores usando hemielipsoides e hemielipsoides invertidos é introduzida para melhorar ainda mais o confinamento de luz nas matrizes correspondentes. A investigação sistemática revela que o gerenciamento de luz de alto desempenho em espessuras eficazes limitadas pode ser realizado devido ao efeito sinérgico de anti-reflexo aprimorado e dispersão de luz após a introdução da modificação apropriada. Por exemplo, o arranjo de nanofios de GaAs modificado com hemielipsoide invertido pode prender 90% e 95% dos fótons incidentes com a energia maior do que a energia do bandgap na espessura efetiva de apenas ~ 180 e 270 nm. Verificou-se que as matrizes NW modificadas no topo exibem excelente capacidade de captura de luz em uma ampla faixa de altura de modificação. Enquanto isso, a distribuição espacial dos portadores fotogerados é expandida para os arranjos de nanofios modificados em comparação com o correspondente sem modificação superior, indicando ainda o gerenciamento de luz melhorado. Isso facilitaria a coleta de portadores, especialmente para o plano pn configuração de junção. Além disso, um estudo adicional indica que as estruturas ópticas modificadas exibem excelente confinamento de luz omnidirecional, como esperado para absorvedores de luz avançados.

Abreviações

J _ph :: densidade de fotocorrente
^N J _ph :: densidade de fotocorrente teórica normalizada
NW:: nanofio
PV:: fotovoltaico

Resistência de contato reduzida entre metal e n-Ge por inserção de ZnO com tratamento de plasma de argônio Detecção altamente seletiva e sensível de Hg2 + com base na transferência de energia de ressonância de Förster entre pontos quânticos CdSe e nanofolhas g-C3N4

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias