Desempenho fotovoltaico de células solares de nanocone de junção de pinos com absorção ótica efetiva aprimorada

Resumo

O desempenho fotovoltaico de células solares de matriz de nanocones de GaAs de junção de pino axial e radial é investigado. Em comparação com as matrizes de nanofios de cilindro, as matrizes de nanocone não apenas melhoram a absorção óptica inteira, mas também aumentam a absorção efetiva (absorção na região de depleção). A absorção efetiva aprimorada é atribuída ao deslocamento para baixo e à extensão da região de absorção induzida pelo encolhimento do topo, que suprime dramaticamente a perda de absorção na região do topo com dopagem elevada e aumenta a absorção na região de depleção. As maiores eficiências de conversão para células solares de nanocone GaAs axial e radial são 20,1% e 17,4%, obtidas em um ângulo de inclinação de 5 ° e 6 °, respectivamente, sendo que ambos são muito maiores do que seus correspondentes de nanofios cilíndricos. As estruturas nanocônicas são candidatas promissoras para células solares de alta eficiência.

Histórico

Materiais de baixa dimensão, incluindo pontos quânticos (QDs), nanofios (NWs) e materiais em camadas bidimensionais, são promissores para aplicações fotovoltaicas devido às suas propriedades únicas [1,2,3,4,5]. Em comparação com suas contrapartes planas, os arranjos de nanofios III-V (NW) têm excelentes propriedades ópticas, como anti-reflexão e captura de luz, mostrando grande potencial em células solares de alto desempenho [6,7,8]. Além disso, a área de pegada ultrapequena de NWs reduz suficientemente o consumo de material e aumenta a tolerância de incompatibilidade de rede, permitindo a realização de células solares de baixo custo com menos material e substrato mais barato [9,10,11,12,13]. A junção do pino é a parte principal de uma célula solar NW, que absorve luz e converte fótons em pares de elétrons-buraco. De acordo com a geometria da junção do pino, as células solares de matriz NW podem ser divididas em células solares de pino axial e radial (ou núcleo-casca), ambas as quais foram amplamente investigadas. No entanto, até o momento, as melhores eficiências para células solares de matriz III-V NW axial e radial são 15,3% e 7,43%, respectivamente, ainda muito mais baixas do que suas contrapartes planas [14, 15].

Até o momento, muitos esforços têm sido feitos para melhorar o desempenho de células solares de matriz NW, incluindo principalmente a otimização do diâmetro / período ( D / P ) relação, diâmetro e comprimento, para obter uma melhor absorção óptica de todas as matrizes NW [16,17,18,19,20]. No entanto, o aumento da absorção de todas as matrizes NW não leva necessariamente a um aumento da eficiência de conversão final. Quanto aos arranjos de pinos NW práticos, os fototransportadores gerados na região p (ou n) se recombinam rapidamente devido à falta de campo elétrico embutido. Portanto, em certa medida, a absorção na região de depleção, ou a absorção óptica efetiva, determina diretamente a eficiência final. No entanto, para arranjos NW de cilindros típicos, a maior parte da luz é absorvida pela parte superior dos NWs [16], enquanto a absorção da região de depleção, que geralmente fica no meio, não é suficiente. Particularmente, para arranjos NW de pino axial, a luz incidente deve passar pela região p (n) antes de ser absorvida pela região de depleção, levando a grande perda de luz.

Uma maneira possível de aumentar a absorção óptica efetiva de matrizes NW é modular a geometria de NW. Por exemplo, foi relatado que células solares de matriz NW com inclinação de pino axial aumentam a absorção da região de depleção, reduzindo a absorção da região p (ou n) superior [21]. No entanto, na prática, o D / P razão deve ser muito menor do que as matrizes NW verticais para evitar o cruzamento de NWs adjacentes, o que limita a eficiência de conversão. Espera-se que NWs afilados, ou nanocones, aumentem a absorção óptica efetiva, uma vez que a luz incidente pode ser absorvida diretamente pela região de depleção sem passar pela região superior. Até o momento, nanocones com diferentes ângulos de inclinação e relações de aspecto foram fabricados por métodos de vapor-líquido-sólido-sólido catalisados por Au e auto-montados sem catalisador [22,23,24,25], e as propriedades de absorção óptica também foram simulado [26, 27]. Em células solares práticas, a influência do doping nas propriedades óticas e de transporte não pode ser ignorada, e a recombinação radiativa Auger e Shockley-Read-Hall (SRH) também desempenha um papel importante na conversão fotoelétrica. No entanto, até onde sabemos, o desempenho fotovoltaico das células solares nanocone p (i) n considerando os fatores acima mencionados ainda não foi estudado em detalhes.

Neste artigo, uma simulação optoeletrônica tridimensional (3D) acoplada é apresentada para investigar o desempenho fotovoltaico de células solares nanocônicas de GaAs de junção de pino axial e radial. As propriedades de absorção óptica foram investigadas usando o domínio de tempo de diferença finita (FDTD). Os perfis de fotogeração foram então incorporados às simulações elétricas para realizar o cálculo das características de densidade de corrente versus tensão (J-V) usando o método dos elementos finitos (FEM). A mobilidade dependente de dopagem, estreitamento do bandgap e recombinação radiativa, Auger e SRH foram todos levados em consideração nas simulações elétricas. As eficiências mais altas para células solares de nanocone de junção de pino axial e radial são 20,1% e 17,4%, respectivamente, muito mais altas do que suas contrapartes de cilindro NW. O mecanismo de aumento da eficiência é discutido.

Métodos

O modelo de arranjo de nanocons de GaAs de pino axial é mostrado na Fig. 1, que consiste em nanocones de GaAs de pino axial periódico com diâmetro D =180 nm, período P =360 nm e comprimento L =2 μm. Ambas as regiões p e n têm um comprimento de 200 nm e são uniformemente dopadas para 3 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ e 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , respectivamente. O substrato GaAs é n-dopado com uma concentração de portador de 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ . O diâmetro do nanocone é definido como a média dos diâmetros superior e inferior. O ângulo de inclinação ( θ ) é o ângulo entre a parede lateral e a direção normal da superfície inferior (substrato). Na simulação, o ângulo de inclinação é alterado de 0 a 5 °, variando os diâmetros inferior e superior, enquanto mantém o diâmetro médio constante.

O diagrama esquemático das matrizes de nanocone de GaAs de junção de pino axial

As propriedades ópticas da estrutura são investigadas através do pacote do módulo Solver Sentaurus Electromagnetic Wave (EMW) [28,29,30]. O tamanho mínimo da célula da malha FDTD é definido como 5 nm e o número de nós por comprimento de onda é 20 em todas as direções. Ao colocar as condições de contorno periódicas, as simulações podem ser realizadas em uma única célula unitária para modelar a estrutura da matriz periódica. A fim de economizar recursos e tempo necessários para o cálculo, a espessura do substrato GaAs é limitada a 0,4 μm [21]. No entanto, ao usar uma camada de correspondência perfeita (PML) adjacente ao substrato GaAs, a luz de transmissão é totalmente absorvida, o que nos permite modelar um substrato GaAs semi-infinito [31]. O índice de refração complexo dependente do comprimento de onda usado para descrever as propriedades de dispersão do material de GaAs pode ser obtido a partir do estudo de Levinshtein et al. [32]. A luz incidente do topo é definida em paralelo ao eixo NW, conforme indicado na Fig. 1. Usamos uma onda plana definida com intensidade de energia e valores de comprimento de onda de um espectro solar AM 1.5G discretizado com um comprimento de onda variando de 290 a 900 nm (região de absorção típica de GaAs) para modelar a luz solar [33]. A geração óptica total sob iluminação AM 1.5G pode ser modelada sobrepondo as taxas de geração óptica de comprimento de onda único ponderado em potência [20]. A taxa de geração óptica G _ph é obtido a partir do vetor de Poynting S:
$$ {G} _ {ph} =\ frac {\ left | \ overrightarrow {\ nabla} \ cdot \ overrightarrow {S} \ right |} {2 \ mathrm {\ hslash} \ omega} =\ frac {\ varepsilon ^ {{\ prime \ prime}} {\ left | \ overrightarrow {E} \ right |} ^ 2} {2 \ mathrm {\ hslash}} $$ (1)
onde ħ é a constante de Planck reduzida, ω é a frequência angular da luz incidente, E é a intensidade do campo elétrico em cada ponto da grade, e ε ″ É a parte imaginária da permissividade. O monitor de reflexão está localizado acima da superfície superior do NWA e o monitor de transmissão está localizado na superfície inferior do substrato para calcular a luz absorvida. A quantidade de energia transmitida pelos monitores de energia é normalizada para a energia da fonte em cada comprimento de onda. A refletância R ( λ ) e transmissão T ( λ ) são calculados pela seguinte equação:
$$ R \ left (\ lambda \ right), T \ left (\ lambda \ right) =0,5 \ int \ mathrm {real} \ left \ {p {\ left (\ lambda \ right)} _ {\ mathrm { monitor}} \ right \} dS / {P} _ {\ mathrm {in}} \ left (\ lambda \ right) $$ (2)
onde P ( λ ) é o vetor de Poynting, dS é a superfície normal, e P _em ( λ ) é a potência da fonte incidente em cada comprimento de onda. O espectro de absorção A ( λ ) dos GaAs NWAs é dado pela seguinte equação:
$$ A \ left (\ lambda \ right) =1-R \ left (\ lambda \ right) -T \ left (\ lambda \ right) $$ (3)
Para a modelagem elétrica, os perfis de geração ótica 3D são incorporados à malha de elementos finitos dos NWs na ferramenta elétrica, que resolve as equações de continuidade da portadora acopladas à equação de Poisson de forma autoconsistente em 3D. A mobilidade dependente de dopagem, estreitamento do bandgap e recombinação radiativa, Auger e SRH são levados em consideração nas simulações elétricas do dispositivo. Os parâmetros de materiais críticos para simulações de dispositivos são principalmente obtidos a partir do modelo de Levinshtein [32], que é mostrado na Tabela 1.

Resultados e discussão

Células solares de matriz nanocone GaAs de junção de pino axial

A Figura 2a-c mostra a absortância dependente do comprimento de onda, refletância e transmitância das matrizes de nanocone GaAs axiais com diferentes ângulos de inclinação. Comparado com as matrizes de cilindro NW ( θ =0 °), as matrizes de nanocone mostram menor refletância em toda a faixa de comprimento de onda, e o fenômeno se torna mais óbvio com o aumento do ângulo de inclinação. A capacidade anti-reflexo dos arranjos NW pode ser atribuída à baixa taxa de enchimento, que reduz o índice de refração efetivo e oferece uma boa combinação de impedância entre GaAs e ar [7]. Para as matrizes de nanocons com um grande ângulo de inclinação, a taxa de preenchimento na parte superior das matrizes é extremamente baixa, levando a uma combinação de impedância quase perfeita com o ar e reflexão quase nula. Na faixa de comprimento de onda curta de 300–700 nm, a absortância aumenta com o aumento do ângulo de inclinação devido à reflexão suprimida. No entanto, a absortância da luz de comprimento de onda longo perto do intervalo de banda de GaAs diminui em grande inclinação devido ao topo de nanocone muito fino que não é capaz de suportar modos ópticos. A Figura 2d mostra a integral ponderada AM 1.5G dos espectros de absortância, refletância e transmitância para diferentes ângulos de inclinação. Em ângulos pequenos, a absortância aumenta com o aumento do ângulo de inclinação devido à refletância diminuída. Quando o ângulo de inclinação excede 3 °, a absortância diminui ligeiramente. Isso é provavelmente atribuído ao caminho de absorção reduzido, já que o topo muito fino do nanocone não é capaz de suportar modos de comprimento de onda longo. No entanto, a absorção total de nanocones em diferentes ângulos de inclinação (1 ~ 5 °) tem muito pouca diferença (na faixa de 92 ~ 93,5%), sugerindo que o ângulo de inclinação tem pouca influência na absorção total de nanocones. Alternativamente, acredita-se que o ângulo de inclinação tenha um forte impacto na absorção na região intrínseca, que domina a eficiência de conversão fotoelétrica. Isso será discutido em detalhes na próxima parte.

a Absorção, b refletância e c transmitância dos arranjos de nanocone de GaAs de junção de pino axial com D / P =0,5 e D =0,18 μm. d A integral ponderada AM1.5G da absortância, refletância e transmitância das matrizes de nanocone axial com diferentes ângulos de inclinação

Os perfis de geração óptica total dos arranjos de nanocone de GaAs axiais sob iluminação AM 1.5G são mostrados na Fig. 3a. Pode ser visto que em θ =0 °, a maioria dos fótons absorvidos concentra-se no topo dos cilindros NWs. Devido à alta concentração de dopagem e falta de campo elétrico embutido para a separação de pares elétron-buraco [34,35,36,37], a recombinação de fototransportadores na região p superior é muito alta, resultando em grande perda de luz incidente. Para matrizes de nanocone, a posição de absorção de fótons muda para baixo com o aumento do ângulo de inclinação, levando a um aumento de absorção na região i. Como foi relatado, a absorção de luz de NWs é dominada pelos modos ressonantes, que estão intimamente relacionados ao diâmetro NW [37]. Devido à geometria única dos nanocones, poucos modos de comprimento de onda longo podem ser suportados na região superior com um diâmetro pequeno. Isso é apoiado pela Fig. 3b – g, que apresenta os perfis de geração ótica dependentes do comprimento de onda de nanocones com um ângulo de inclinação de 0 ~ 5 °. Pode-se observar que nos cilindros NWs, a maior parte da absorção concentra-se na região superior para todos os comprimentos de onda. No entanto, conforme o ângulo de inclinação aumenta, os modos ópticos, particularmente os modos de comprimento de onda mais longo, mudam para baixo para uma região mais espessa. Conseqüentemente, o aumento do ângulo de inclinação não só leva a um aumento da absorção na região i média, mas também resulta em uma redução da absorção na região superior. Isso pode explicar por que a matriz de nanocons com um ângulo de inclinação mediato de 3 ° tem a alta absorção total, conforme mostrado na Fig. 3e, uma vez que a absorção tanto na região p superior quanto nas regiões intrínsecas médias é relativamente forte nesse ângulo. Acredita-se que o deslocamento para baixo da absorção desempenha um papel crítico na melhoria do desempenho do dispositivo, uma vez que não apenas suprime a perda de absorção na região p superior, mas também aumenta a absorção na região i média.

a Os perfis de geração óptica total dos nanocones de pino axial. b - g Perfis de geração ótica dependentes do comprimento de onda de matrizes de nanocone em θ =0 ~ 5 °

Os espectros de absorção da região i são representados graficamente na Fig. 4a. Na região de comprimento de onda curto, conforme o diâmetro da região p encolhe com o aumento do ângulo de inclinação, tanto o volume da região p quanto a potência da luz que pode ser confinada no nanocone diminuem, levando à absorção insuficiente na região p e alta absortância na região i. Na região de comprimento de onda longo, a região de absorção se estende para a região n inferior em nanocones em grande ângulo de inclinação, resultando em uma absorção diminuída na região i. A Figura 4b mostra a integral dos espectros de absorção na região i. A absortância de cada comprimento de onda é ponderada pelo espectro AM 1.5G. Pode ser visto que a absorção na região i aumenta dramaticamente com o aumento do ângulo de inclinação, indicando uma absorção efetiva aumentada que se espera que melhore a eficiência de conversão.

a Espectros de absorção dependentes do comprimento de onda da região i. b Integral ponderado AM1.5G dos espectros de absorção da região i em a

Os perfis de fotogeração são então incorporados à ferramenta elétrica [35] para estudar o desempenho fotovoltaico da célula solar do arranjo de nanocons de junção de pino axial. A Figura 5a mostra as características de corrente-tensão em diferentes ângulos de inclinação. Em comparação com as matrizes de cilindro NW, densidade de corrente de curto-circuito muito maior ( J _sc ) é obtido em células solares de matriz de nanocons. Em θ =5 °, o dispositivo produz um J _sc de 30,1 mA / cm ² (7,3 mA / cm ² maior do que o cilindro) e V _oc de 0,885 V, resultando em uma alta eficiência de conversão fotoelétrica ( η ) de 20,1% (4,8% superior ao do cilindro). A Figura 5b representa a dependência da eficiência de conversão no ângulo de inclinação. Conforme o ângulo de inclinação aumenta de 0 a 5 °, a eficiência de conversão aumenta monotonicamente de 15,3 para 20,1%. Como mencionado anteriormente, a absorção de todas as matrizes de nanocone satura em θ =2 °, sugerindo que o aumento da eficiência em um grande ângulo de inclinação não é causado pelo aumento da absorção de todas as matrizes de nanocone. Em vez disso, a tendência da eficiência de conversão é altamente de acordo com a absorção na região i mostrada na Fig. 4b, demonstrando que a eficiência de conversão é dominada pela absorção óptica efetiva na região i.

a Curvas de corrente-tensão de células solares de arranjo de nanocons de junção p (i) n axial com diferentes ângulos de inclinação. b Eficiência de conversão fotoelétrica de células solares de matriz de nanocons de junção p (i) n axial com diferentes ângulos de inclinação

Células solares de matriz nanocone de GaAs de junção de pino radial

O modelo de arranjo de nanocones de GaAs de junção de pino radial é mostrado na Fig. 6, que consiste em nanocones de GaAs de pino radial periódico com diâmetro D =360 nm, período P =720 nm e comprimento L =2 μm. A espessura da região i é de 10 nm e o raio do núcleo é igual à espessura da casca. As concentrações de dopagem do núcleo do tipo n e da casca do tipo p são definidas para serem as mesmas das nanoconas axiais. O ângulo de inclinação é alterado de 0 a 10 ° variando os diâmetros inferior e superior, enquanto mantém o diâmetro médio constante.

O diagrama esquemático das matrizes de nanocone de GaAs de junção de pino radial

A absortância dependente do comprimento de onda, refletância e transmitância de matrizes de nanocones de GaAs radiais com diferentes ângulos de inclinação são mostradas na Fig. 7a-c. Semelhante às estruturas axiais, os nanocons radiais mostram menor refletância ao longo de toda a faixa de comprimento de onda em comparação com os NWs do cilindro radial ( θ =0 °), e este fenômeno se torna mais evidente com o aumento do ângulo de inclinação. Na Fig. 7a, pode ser visto que na faixa de comprimento de onda curta de 300–700 nm, a absortância aumenta com o aumento do ângulo de inclinação devido à supressão da refletância. Embora em grandes ângulos de inclinação, o topo do nanocone é muito fino para suportar modos de comprimento de onda longo, resultando em uma diminuição da absortância. A Figura 7d mostra a integral ponderada AM 1.5G dos espectros de absortância, refletância e transmitância para diferentes ângulos de inclinação. Pode ser visto que conforme o ângulo de inclinação aumenta, a absorção exibe uma tendência geral para cima com pequenas flutuações, sugerindo excelentes propriedades de absorção para estruturas de nanocone.

a Absorção, b refletância e c transmitância da matriz de nanocones de GaAs de junção de pino radial com D / P =0,5 e D =0,36 μm. d A integral ponderada de AM1.5G da absortância, refletância e transmitância da matriz de nanocones radiais com diferentes ângulos de inclinação

A Figura 8 mostra os perfis de geração óptica total das matrizes de nanocones de GaAs radiais sob iluminação AM 1.5G. Semelhante ao que ocorre em arranjos axiais, a maioria dos fótons se concentra no topo dos NWs do cilindro. À medida que o ângulo de inclinação aumenta gradualmente, a absorção se desloca para baixo. Como o tubo da região i na junção radial penetra todo o NW, o deslocamento para baixo de absorção não pode levar diretamente a um aumento de absorção como aquele na junção de pino axial. No entanto, junto com o deslocamento para baixo de absorção, o comprimento de absorção também se estende, resultando em uma sobreposição aprimorada entre a absorção de luz e a região i. Conseqüentemente, acredita-se que a absorção efetiva também seja aumentada.

Os perfis de geração óptica das matrizes de nanocone de pino radial com diferentes ângulos de inclinação

As características de corrente-tensão das células solares de nanocone radial são mostradas na Fig. 9a. Em comparação com a célula solar de matriz de cilindro NW, muito maior J _sc é alcançado em células solares de matriz de nanocone. Em θ ≥ 6 °, todos os J _sc exceder 25 mA / cm ² , em contraste, o J _sc é 17,4 mA / cm ² em θ =0 °. A Figura 9 (b) mostra a dependência da eficiência de conversão no ângulo de inclinação. Em ângulos de inclinação pequenos, a eficiência aumenta monotonicamente com o ângulo de inclinação e atinge um valor máximo de 17,4% em θ =6 °, 6,4% maior do que a contraparte do cilindro. Quando o ângulo aumenta ainda mais, a eficiência satura e até mesmo diminui ligeiramente. Isso provavelmente é atribuído à competição entre a absorção das regiões i superior e intermediária. Em um grande ângulo de inclinação, o topo do nanocone é muito fino para suportar modos de comprimento de onda longo. Embora a absorção da parte média da região i aumente devido ao deslocamento para baixo da absorção, a absorção na parte superior da região i diminui, compensando o incremento de absorção na região média i.

a Curvas de tensão de corrente de células solares de arranjo de nanocons com junção de pino radial com diferentes ângulos de inclinação. b Dependência da eficiência de conversão no ângulo de inclinação

Conclusões

Em resumo, estudamos o desempenho fotovoltaico de células solares de arranjo de nanocons de GaAs de junção de pinos axial e radial por uma simulação optoeletrônica 3D acoplada. Os resultados mostram que a absorção na matriz de nanocones muda para baixo devido ao diâmetro superior encolhendo, o que suprime dramaticamente a perda de absorção na região superior dopada e aumenta a absorção na região de depleção. As maiores eficiências de conversão para células solares de nanocone GaAs axial e radial são 20,1% e 17,4%, obtidas em um ângulo de inclinação de 5 ° e 6 °, respectivamente, sendo que ambos são muito mais altos do que suas contrapartes de cilindro NW. As estruturas nanocônicas são candidatas promissoras para células solares de alta eficiência.

Abreviações

3D:: Tridimensional
D / P :: Diâmetro / período
EMW:: Onda Eletromagnética Sentaurus
FDTD:: Domínio do tempo de diferença finita
FEM:: Método do elemento finito
NW:: Nanowire
PML:: Camada de combinação perfeita
SRH:: Shockley-Read-Hall

Uma camada intermediária funcional PPy / ZnO para melhorar o desempenho eletroquímico das baterias de lítio / enxofre Uma bomba d'água nanométrica induzida pelo movimento browniano e não browniano de uma folha de grafeno em uma superfície de membrana

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias