Absorção de luz efetiva usando grades de pirâmide dupla-face para célula solar de silício de filme fino

Resumo

O projeto da estrutura de grade em pirâmide de dupla face pode ser usado para aumentar a absorção de luz de banda larga. A grade frontal pode reduzir bastante a reflexão da luz, especialmente na região de comprimento de onda curto, e a grade traseira também pode obter o mesmo efeito na região de comprimento de onda mais longo. No artigo, para a estrutura de grade da pirâmide de dupla face, a distribuição de absorção de fótons de cada parte é estudada e comparada com o silício cristalino puro. Os resultados teóricos mostram que, ao ajustar razoavelmente os parâmetros da estrutura da grade de dupla face, a reflexão da luz de toda a banda pode ser reduzida consideravelmente, o que é benéfico para a formação de silício preto e a absorção total da luz também é aumentada. No entanto, outros estudos mostraram que o uso da grade traseira não melhora a absorção de luz efetiva do silício cristalino.

Histórico

Com o progresso na tecnologia de microfabricação, a morfologia da superfície nanométrica e o projeto da estrutura se tornaram mais comuns e realmente importantes [1, 2]. O projeto de otimização de parâmetros tornou-se mais urgente e necessário, especialmente para células solares de película fina de silício cristalino (CS) [3,4,5,6]. Existem alguns relatórios sobre o projeto de grade dupla-face aplicado a células solares de filme fino CS, e todos eles expressaram opiniões semelhantes de que tal estrutura pode alcançar aumento de absorção de luz de banda larga que é capaz de atingir o limite de Yablonovitch [7,8 , 9,10]. Não há dúvida de que o design da grade de dupla face pode melhorar a capacidade geral de captura de luz das células solares CS. Afinal, a geração e separação dos pares elétron-buraco ocorre dentro do CS, e considerando cada fóton absorvido com energia maior que o band gap produz um e apenas um par elétron-buraco, assim como a absorção do fóton é distribuída entre as várias partes da célula solar CS é o foco deste artigo. Além disso, aumentar a absorção de fótons do próprio CS ao máximo ajustando os parâmetros é nosso objetivo.

Neste artigo, as distribuições de absorção de fótons da grade da pirâmide frontal (FPG), da grade da pirâmide traseira (RPG) e da grade da pirâmide de dupla face (DSPG) são estudadas. A absorção total de fótons A é ainda dividido em três partes diferentes, como mostrado na Fig. 1, a absorção de fótons das grades da superfície frontal, a parte CS e as grades da superfície traseira e rotulados como A _F , A _Si e A _R , respectivamente. O reflexo da luz R , transmissão T , e absorção total A satisfazer R + T + A =1. A _Si não é calculado da mesma forma para diferentes modelos de estrutura.

Diferentes estruturas de células solares de película fina de silício cristalino (CS) com ou sem grades piramidais. a O silício de cristal puro (BCS). b A grade da pirâmide frontal (FPG). c A grade da pirâmide traseira (RPG). d A grade de pirâmide de dupla face (DSPG). ( A _F , A _Si e A _R representam a absorção de luz das grades da superfície frontal, a parte CS e as grades da superfície traseira, respectivamente. H é a espessura da camada CS; P ₁ , D ₁ , H ₁ e P ₂ , D ₂ , H ₂ representam o período, o diâmetro inferior e a altura da pirâmide de silício da superfície frontal ou traseira, respectivamente)

Métodos

Em nossos cálculos teóricos, o método da radiação líquida e a aproximação do meio efetivo são usados juntos por causa da boa correspondência entre os resultados da simulação e experimentais [4, 11]. Como mostrado na Fig. 2, um sistema de meio multicamadas de N camadas, N _i é o índice de refração complexo do i o meio e as interfaces são rotulados como i =1,…, N - 1, onde i é o número total de interfaces. Subscritos a , d e b , c representam a radiação eletromagnética de entrada e saída, respectivamente. As relações entre os fluxos de energia de saída e entrada ( Q ) em cada interface pode ser expressa em termos da reflexão na interface e da transmissão que passa pelo meio. Para cada interface i , existem quatro equações,

Estrutura esquemática do meio multicamadas das grades da pirâmide de silício, com convenção de numeração das interfaces (1, ..., i ,…, N - 1), índice de refração complexo ( N ₁ ,…, N _i ,…, N _N ), e fluxos de radiação eletromagnética ( Q _{i , a} , Q _{i , b} , Q _{i + 1, c ,} Q _{i + 1, d} , ...)
$$ \ left \ {\ begin {array} {l} {Q} _ {i, a} ={\ tau} _i {Q} _ {i, c} \\ {} {Q} _ {i, b } ={{r_i} _ {,}} _ {i + 1} {Q} _ {i, a} + {t} _ {i + 1, i} {Q} _ {i + 1, d} \ \ {} {Q} _ {i + 1, c} ={t} _ {i, i + 1} {Q} _ {i, a} + {r} _ {i + 1, i} {Q} _ {i + 1, d} \\ {} {Q} _ {i + 1, d} ={\ tau} _ {i + 1} {Q} _ {i + 1, b} \ end {array} \direito. $$ (1)
r _{i , eu + 1} e t _{i , eu + 1} ( r _{i , eu + 1} + t _{i , eu + 1} =1) são a refletividade e transmissividade, respectivamente, que são determinadas usando as leis de Fresnel em cada uma das interfaces. Os subscritos indicam fluxos de energia transferidos da camada i para a camada i + 1 e vice-versa. τ _i é a taxa de atenuação de absorção da camada i , definido por
$$ {\ tau} _i =\ exp \ left [- {\ alpha} _i \ {d} _i / \ cos \ left ({\ varphi} _i \ right) \ right] $$ (2)
onde α _i =4π k _i / λ é o coeficiente de absorção da camada i e d _i / cos ( φ _i ) é a distância percorrida através da camada de espessura d _i com ângulo de propagação φ _i . k _i é a parte imaginária do índice de refração complexo N _i = n _i - ik _i . Tanto o índice de refração real n _i e o coeficiente de extinção k _i são funções de λ . Assumindo o fluxo de energia incidente perpendicular Q _{1, a} =1 e Q _{N , d} =0, então, para cada camada i , o coeficiente de absorção de energia A _i = Q _{i , a} - Q _{i , c} + Q _{i , d} - Q _{i, b} pode ser resolvido.

A estrutura de multicamadas eficaz da pirâmide de silício também é mostrada na Fig. 2, e os índices de refração complexos de diferentes camadas podem ser resolvidos pela fórmula de aproximação do meio eficaz,
$$ \ frac {f_1 \ left ({N} _ {Si} ^ 2- {N} _ {Eff} ^ 2 \ right)} {\ left ({N} _ {Si} ^ 2 + 2 {N} _ {Eff} ^ 2 \ right)} + \ frac {f_2 \ left ({N} _ {Air} ^ 2- {N} _ {Eff} ^ 2 \ right)} {\ left ({N} _ { Ar} ^ 2 + 2 {N} _ {Eff} ^ 2 \ right)} =0 $$ (3)
onde f ₁ e f ₂ são a proporção do volume de enchimento das grades da pirâmide de silício e do ar, respectivamente, e f ₁ + f ₂ =1. N _Si , N _Ar , e N _Eff são os índices de refração complexos de CS, ar e a intercamada de grades de pirâmide de silício, respectivamente.

Combinando as fórmulas acima, o fluxo de fótons absorvido de cada camada pode ser calculado pela seguinte fórmula,
$$ {\ varPhi} _i =\ int {A} _iF \ left (\ lambda \ right) \ lambda / \ left ({h} _0 {c} _0 \ right) d \ lambda $$ (4)
A _i é o coeficiente de absorção de energia de cada camada; F ( λ ) é a distribuição da intensidade espectral da radiação solar na superfície da Terra sob o espectro AM1.5. λ é o comprimento de onda da luz incidente, h ₀ e c ₀ são a constante de Planck e a velocidade da luz no vácuo, respectivamente. O número total de fótons absorvidos pode ser expresso como Φ =∑ Φ _i .

Resultados e discussão

Para as diferentes estruturas de grade em pirâmide e para fins de comparação, os parâmetros relacionados são selecionados como segue. Em primeiro lugar, a espessura da camada CS H =10 μm; a altura e o diâmetro inferior da pirâmide de silício são ajustados H ₁ = H ₂ =200 nm e D ₁ = D ₂ =100 nm, respectivamente. Para FPG, a proporção do período para o diâmetro do fundo é definida como P ₁ / D ₁ =1, e para RPG, duas razões P ₂ / D ₂ =1 e P ₂ / D ₂ =10 são considerados. Finalmente, para DSPG, as diferentes combinações dos parâmetros acima são comparadas.

Os desempenhos ópticos de diferentes estruturas de grade de pirâmide sob os parâmetros dados são mostrados na Fig. 3. Como pode ser visto na Fig. 3 (a) e (b), as grades de superfície frontal podem reduzir significativamente a reflexão de luz de toda a banda e melhorar a absorção total de luz, especialmente nas regiões I e II. Enquanto isso, na região II, a absorção de luz infravermelha pode ser melhorada pelas grades da superfície traseira sob os parâmetros de razão adequados ( P ₂ / D ₂ =10). Portanto, usando-os juntos, para o DSPG, ajustando os parâmetros corretos, eles não só podem maximizar a absorção de luz até o limite de Yablonovitch [7], mas também atingir a reflexão de luz nula de toda a banda que pode formar o verdadeiro silício preto. Além disso, as grades da pirâmide da superfície traseira podem aumentar a transmissão da luz visível e infravermelha próxima vista na Fig. 3 (c), o que é benéfico para ser usado em fotodetectores infravermelhos próximos e outros campos [9, 10].

Propriedades ópticas de diferentes estruturas de grade de pirâmide de silício sob os parâmetros dados em comparação com o BCS de mesma espessura (BCS ( H =10 μm), FPG ( P ₁ / D ₁ =1, H ₁ =200 nm), RPG ( P ₂ / D ₂ =1 ou P ₂ / D ₂ =10, H ₂ =200 nm), DSPG ( P ₁ / D ₁ =1, P ₂ / D ₂ =1 ou P ₂ / D ₂ =10, H ₁ = H ₂ =200 nm)). ( a ), ( b ), e ( c ) são a refletividade, absortividade e transmissividade total da luz, respectivamente

Para as células solares CS, aumentar muito a absorção de luz, especialmente no corpo CS, é o objetivo final. Portanto, é necessário estudar mais a distribuição dos fótons absorvidos entre as várias partes. Para a estrutura FPG e a estrutura RPG, mapas de contorno tridimensionais de absorção de fótons em cada parte são mostrados na Fig. 4 e na Fig. 5, respectivamente.

Mapas de contorno da distribuição de absorção de fótons em diferentes partes da estrutura FPG. ( a ) A absorção total de fótons A . ( b ) A absorção de fótons das grades da superfície frontal A _F . ( c ) A absorção de fótons da parte CS A _Si . (A linha pontilhada na ilustração representa a absorção de BCS)

Mapas de contorno da distribuição de absorção de fótons em diferentes partes da estrutura de RPG. ( a ) A absorção total de fótons A . ( b ) A absorção de fótons da parte CS A _Si . ( c ) A absorção de fótons das grades da superfície posterior A _R . (A linha pontilhada na ilustração representa a absorção de BCS)

Para a estrutura FPG, alterando os parâmetros geométricos de arranjos de pirâmide, a distribuição geral de absorção de fótons em comparação com a distribuição de absorção de fótons de cada parte é mostrada na Fig. 4. Pode ser visto na Fig. 4 (a) que o total de fótons absorvidos aumenta com a altura mais alta da pirâmide, ao passo que a proporção maior entre o período e o diâmetro não é eficaz para a absorção de fótons. Então, isso significa que a altura mais alta e junto com o gap menor irão colher mais fótons de alta frequência e o mesmo parece verdadeiro para a absorção de FPG mostrada na Fig. 4 (b). No entanto, se a altura do FPG continuar a aumentar, isso reduz a absorção de fótons do CS localizado abaixo, conforme mostrado na Fig. 4 (c). Obviamente, há uma configuração de parâmetro ideal onde P ₁ / D ₁ =1,05, H ₁ =53 nm. Além disso, se for assumido que os fótons absorvidos pela pirâmide de silício não estão envolvidos na conversão dos pares elétron-buraco no CS, com base nesses cálculos, as faixas adequadas dos parâmetros geométricos FPG também são obtidos e comparados com os silício mostrado na Fig. 4 (c). Em suma, quanto maior a altura do FPG, menor a refletividade, mas isso não significa que haja uma absorção de luz mais eficaz.

Da mesma forma, para a estrutura RPG, as distribuições de absorção de fótons do todo e de cada parte são mostradas na Fig. 5. Para a absorção total mostrada na Fig. 5 (a), em comparação com a estrutura FPG, mostra uma significativa A diferença na absorção de fótons é aumentada com a maior proporção do período para o diâmetro do fundo e a altura da pirâmide inferior. Isso significa que, por um lado, a maior proporção de P ₂ / D ₂ e menor H ₂ reduza a transmissão de fótons de baixa frequência e os fótons voltam, aumentando assim a reflexão. Mas, por outro lado, os fótons são promovidos para serem absorvidos no processo. Obviamente, a configuração do parâmetro que resulta em menor absorção é P ₂ / D ₂ =1,01, H ₂ =168 nm, e as faixas adequadas dos parâmetros geométricos de RPG também são obtidas em comparação com o silício puro mostrado na Fig. 5 (a). No entanto, na parte CS mostrada na Fig. 5 (b), não há nenhuma melhora óbvia na absorção de luz efetiva porque um grande número de fótons é refletido. A Figura 5 (c) mostra que os fótons absorvidos pela grade de superfície posterior são duas ordens de magnitude menores do que aqueles absorvidos por CS, e há uma tendência semelhante que se parece com a absorção total mostrada na Fig. 5 (a). Aqui também, a configuração dos parâmetros são P ₂ / D ₂ =1.03 e H ₂ =170 nm e quase o mesmo que acima.

Como visto a partir da distribuição de absorção de FPG e RPG, o primeiro obviamente desempenha um papel importante na melhoria da absorção de fótons mostrada na Fig. 4 (c), enquanto o último implica que a absorção de fótons na parte CS é enfraquecida por causa do existência das grades de superfície traseira mostradas na Fig. 5 (b). Combinando as descobertas acima, as propriedades ópticas dos quatro conjuntos de parâmetros diferentes que são representativos do DSPG são estudadas e mostradas na Fig. 6.

Propriedades ópticas de quatro conjuntos de parâmetros diferentes para o DSPG ( P ₁ / D ₁ =10, H ₁ =10 nm e P ₂ / D ₂ =1,03, H ₂ =170 nm ou P ₂ / D ₂ =10, H ₂ =10 nm; P ₁ / D ₁ =1,05, H ₁ =53 nm e P ₂ / D ₂ =1,03, H ₂ =170 nm ou P ₂ / D ₂ =10, H ₂ =10 nm) em comparação com o BCS ( H =10 μm) e FPG ( P ₁ / D ₁ =1,05, H ₁ =53 nm e P ₁ / D ₁ =10, H ₁ =10 nm). ( a ), ( b ), ( c ), e ( d ) são a refletividade de luz total, transmissividade, absortividade e a absortividade da parte CS, respectivamente

Devido à fraca capacidade de transmissão dos fótons de alta frequência mostrada na Fig. 6 (b), se a razão do período para o diâmetro do fundo não for apropriada ( P ₁ / D ₁ =10 e H ₁ =10 nm), não apenas não reduz a refletividade, mas também faz com que a reflexão aumente e a absorção diminua, conforme mostrado na Fig. 6. Somente parâmetros adequados ( P ₁ / D ₁ =1,05 e H ₁ =53 nm) pode alcançar um aumento significativo da absorção de luz. Para o CS, por causa de sua própria incapacidade de absorver os fótons de frequência mais baixa, conforme mostrado na região III, a modulação das grades da superfície frontal e traseira afeta apenas a distribuição da luz entre o reflexo e a transmissão. Torna-se óbvio que as grades traseiras estão desempenhando um papel importante na região II e região III, e com a correspondência adequada dos parâmetros das grades da superfície frontal ( P ₁ / D ₁ =1,05, H ₁ =53 nm, e P ₂ / D ₂ =1,03, H ₂ =170 nm), quase zero reflexão da banda de onda completa pode ser realizada. Em comparação com o FPG dos mesmos parâmetros, para a absorção total mostrada na Fig. 6 (c), na região II, a presença das grades da superfície traseira com parâmetros apropriados pode realmente melhorar a absorção de luz infravermelha ( P ₂ / D ₂ =10, H ₂ =10 nm), o que confirma conclusões anteriores de que o design de grade dupla incompatível pode permitir melhorias significativas no desempenho do dispositivo [10]. No entanto, para a absorção da parte CS mostrada na Fig. 6 (d), o uso do desenho de grades de superfície traseira tem pouco efeito em melhorar a absorção de luz de CS. Portanto, neste sentido, embora o RPG possa refletir a luz e redirecioná-la de volta para as regiões fotoativas da célula solar [12], ele não fornece nenhum benefício adicional para a absorção efetiva da luz. Alguns projetos novos para ajustar o espectro de absorção para uma integração otimizada precisam ser desenvolvidos [1, 13].

Conclusões

O projeto da estrutura de grade de pirâmide de dupla face é adotado para promover a absorção geral de luz da célula solar de silício, e também pode realizar a reflexão zero ajustando os parâmetros. No entanto, para a absorção de luz efetiva da parte CS, ela não aumenta com o aumento da absorção de luz geral. Para as grades da pirâmide da superfície frontal, a proporção sugerida de P ₁ / D ₁ é menor que 1,4 e H ₁ está entre 10 e 600 nm, e para as grades da pirâmide da superfície traseira, há pouco efeito no aumento efetivo da absorção de luz, portanto, não são necessárias grades traseiras. Portanto, a inovação e o design otimizado da textura da superfície frontal é uma grande tendência para a melhoria da eficiência da célula solar.

Abreviações

CS:

Silício cristalino

DSPG:

Grade de pirâmide de dupla face

FPG:

Grade da pirâmide frontal

RPG:

Grade da pirâmide traseira

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