Otimização da Absorção de Luz de Amplo Espectro em Células Solares de Silício de Filme Fino com Gratings de Pirâmide Dupla Face

Resumo

O emprego de um grating de pirâmide dupla face em filmes finos de silício cristalino (CS) pode ampliar substancialmente o desempenho de absorção de luz. Um grating frontal suprime efetivamente a reflexão no regime de curto comprimento de onda, enquanto um grating traseiro alcança efeito semelhante em comprimentos de onda mais longos. Este estudo analisa a distribuição de absorção de fótons para cada componente da estrutura dupla face e a compara com CS puro. Simulações teóricas mostram que o ajuste criterioso dos parâmetros do grating reduz drasticamente a reflexão de amplo espectro, facilitando a criação de silício negro e aumentando a captura geral de luz. No entanto, nossos resultados indicam que a adição de um grating traseiro não se traduz em maior absorção efetiva no volume do silício.

Contexto

Avanços na microfabricação tornaram texturas de superfície na escala nanométrica e morfologias projetadas uma pedra angular da fotovoltaica de próxima geração. Para células solares de filme fino de CS, a otimização de parâmetros estruturais é crítica para empurrar eficiências em direção ao limite teórico de Yablonovitch. Como cada fóton absorvido com energia acima da banda proibida gera um único par elétron-buraco, a distribuição da absorção de fótons pelas camadas da célula determina a eficiência de conversão final. Este artigo foca em como gratings de pirâmide frontal (FPG), traseiros (RPG) e sua combinação (DSPG) influenciam a absorção de fótons na camada de CS.

Decompondo a absorção total de fótons A em três contribuições: absorção nos gratings frontais (A_F), no volume de silício (A_Si) e nos gratings traseiros (A_R), como ilustrado na Fig. 1. Estas satisfazem a relação de conservação R + T + A = 1. Importante, A_Si é calculado diferentemente para cada variante estrutural.

Métodos

Nossas simulações combinam o método de radiação líquida com aproximação de meio efetivo, um emparelhamento que consistentemente corresponde a dados experimentais para gratings de silício. A Figura 2 mostra o sistema multicamadas: uma pilha de N camadas com índices de refração complexos N_i em cada interface (i = 1…N−1). Fluxos de energia entrantes e saíntes são denotados Q_i,a, Q_i,b, Q_i+1,c e Q_i+1,d.

O balanço de energia em cada interface segue:

{ Q_{i,a}=τ_i Q_{i,c} Q_{i,b}=r_{i,i+1}Q_{i,a}+t_{i+1,i}Q_{i+1,d} Q_{i+1,c}=t_{i,i+1}Q_{i,a}+r_{i+1,i}Q_{i+1,d} Q_{i+1,d}=τ_{i+1}Q_{i+1,b} }

onde r_i,i+1 e t_i,i+1 são a refletividade e transmissividade de Fresnel. A atenuação de absorção da camada i é:

τ_i = exp[−α_i d_i / cos φ_i]

com α_i = 4πk_i/λ e k_i a parte imaginária de N_i. Assumindo incidência normal Q_1,a=1 e fluxo de saída zero na traseira Q_N,d=0, o coeficiente de absorção da camada i é A_i=Q_i,a−Q_i,c+Q_i,d−Q_i,b.

Índices de refração efetivos para as camadas de pirâmide são obtidos via a fórmula de Bruggeman:

\frac{f_1(N_{Si}^2-N_{Eff}^2)}{N_{Si}^2+2N_{Eff}^2}+ \frac{f_2(N_{Air}^2-N_{Eff}^2)}{N_{Air}^2+2N_{Eff}^2}=0

onde f₁ e f₂=1−f₁ são as frações volumétricas de silício e ar. O fluxo total de fótons absorvidos na camada i é então:

Φ_i = ∫ A_i F(λ) λ/(h₀c₀) dλ

com F(λ) o espectro solar AM1.5. O fluxo absorvido agregado é Φ = Σᵢ Φᵢ.

Resultados e Discussão

Para comparação justa, definimos a espessura da camada de CS como H = 10 µm. A altura e diâmetro da base da pirâmide são fixados em H₁=H₂=200 nm e D₁=D₂=100 nm, respectivamente. A razão período-diâmetro do grating frontal é P₁/D₁=1. Para o grating traseiro, exploramos P₂/D₂=1 e 10. A configuração dupla face combina esses conjuntos de parâmetros.

A Figura 3 resume o desempenho óptico de cada estrutura. Os gratings frontais reduzem drasticamente a reflexão de amplo espectro e aumentam a absorção total, especialmente na região de curto comprimento de onda (regiões I e II). Os gratings traseiros suprimem ainda mais a reflexão no infravermelho (região II) quando P₂/D₂=10. Juntos, o DSPG pode se aproximar do limite de Yablonovitch e alcançar reflexão próxima de zero em todo o espectro, uma marca registrada do silício negro. Curiosamente, os gratings traseiros aumentam a transmissão no visível e infravermelho próximo, o que pode beneficiar fotodetectores.

Para dissecar onde os fótons são absorvidos, apresentamos mapas de contorno tridimensionais para as estruturas FPG e RPG nas Fig. 4 e 5. Estes mapas revelam que, para o FPG, o aumento da altura da pirâmide melhora a absorção total, mas eventualmente reduz a absorção no volume de silício quando a camada frontal se torna muito alta. A geometria ótima do grating frontal aparece em P₁/D₁=1,05 e H₁=53 nm.

Para o RPG, uma razão período-diâmetro maior (P₂/D₂=10) acoplada a uma altura de pirâmide menor aumenta a absorção no infravermelho redirecionando a luz de volta para a camada ativa. No entanto, a absorção no volume de silício permanece praticamente inalterada porque os gratings traseiros refletem muitos fótons em vez de capturá-los. Consequentemente, embora os gratings traseiros melhorem a absorção total, eles não aumentam a absorção efetiva no corpo de CS.

A Figura 6 consolida o desempenho de quatro conjuntos representativos de parâmetros DSPG. Quando a razão do grating frontal é muito grande (ex.: P₁/D₁=10 com H₁=10 nm), a reflexão aumenta e a absorção cai. Apenas a configuração P₁/D₁=1,05, H₁=53 nm, combinada com P₂/D₂=1,03 e H₂=170 nm entrega reflexão próxima de zero e absorção máxima em todo o espectro. Ainda assim, mesmo neste DSPG ótimo, a fração de fótons absorvidos pelo volume de silício não supera a do melhor FPG isolado, sublinhando que gratings traseiros oferecem benefício limitado para absorção no volume.

Em resumo, embora o grating traseiro possa adaptar a resposta espectral e reduzir reflexão, ele oferece melhoria insignificante na absorção efetiva do volume de silício. A geometria do grating frontal permanece a alavanca crítica para maximizar a absorção no volume e alcançar células solares de silício de alta eficiência e baixa reflexão.

Conclusões

A estratégia de grating de pirâmide dupla face aumenta a absorção total de luz e pode suprimir reflexão em todo o espectro. No entanto, não melhora a absorção efetiva dentro do volume de silício. Para desempenho ótimo, recomendamos uma razão período-diâmetro do grating frontal abaixo de 1,4 e altura entre 10 nm e 600 nm. Gratings traseiros oferecem benefício mínimo para absorção no volume e podem ser omitidos em favor de um design simplificado e econômico que foque na textura do lado frontal.

Abreviações

CS

Silício cristalino

DSPG

Grating de pirâmide dupla face

FPG

Grating de pirâmide frontal

RPG

Grating de pirâmide traseiro