Eficiência Fotovoltaica Aprimorada de Células Solares GaAs Nanocone Pin-Junction via Absorção Ótica Otimizada

Introdução

Materiais de baixa dimensionalidade, incluindo pontos quânticos (QDs), nanofios (NWs) e materiais bidimensionais, são promissores para aplicações fotovoltaicas devido a propriedades únicas [1,2,3,4,5]. Em comparação com contrapartes planares, arrays de nanofios (NW) III-V 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, área de footprint ultrapequena de NWs reduz suficientemente consumo de material e aumenta tolerância a mismatch de rede, permitindo células solares de baixo custo com menos material e substrato mais barato [9,10,11,12,13]. Junção pin é parte chave de célula solar NW, que absorve luz e converte fótons em pares elétron-lacuna. Segundo geometria da junção pin, células solares de array NW podem ser divididas em pin axial e radial (ou core-shell), ambas amplamente investigadas. No entanto, até o momento, melhores eficiências para células solares de array NW pin axial e radial III-V são 15,3% e 7,43%, respectivamente, ainda muito inferiores a contrapartes planares [14, 15].

Até agora, muitos esforços foram feitos para melhorar desempenho de células solares de array NW, principalmente incluindo otimização de razão diâmetro/período (D/P), diâmetro e comprimento, para obter melhor absorção óptica de todo array NW [16,17,18,19,20]. No entanto, aumento de absorção de todo array NW não necessariamente leva a aumento de eficiência de conversão final. Para arrays NW pin práticos, fotoportadores gerados na região p (ou n) recombinam rapidamente devido à falta de campo elétrico embutido. Portanto, em certa medida, absorção na região de depleção, ou absorção óptica efetiva, determina diretamente eficiência final. No entanto, para arrays NW cilíndricos típicos, maior parte da luz é absorvida pela parte superior dos NWs [16], enquanto absorção da região de depleção, que usualmente localiza-se no meio, não é suficiente. Particularmente, para arrays NW pin axial, luz incidente deve passar pela região p(n) antes de ser absorvida pela região de depleção, levando a grande perda de luz.

Uma forma possível de melhorar absorção óptica efetiva de arrays NW é modular geometria do NW. Por exemplo, célula solar de array NW pin inclinado axial foi relatada para aumentar absorção da região de depleção reduzindo absorção da região p (ou n) superior [21]. No entanto, na prática, razão D/P deve ser muito menor que arrays NW verticais para evitar cruzamento de NWs adjacentes, limitando eficiência de conversão. NWs afilados, ou nanocones, são esperados para aumentar absorção óptica efetiva pois 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 razões de aspecto foram fabricados por métodos vapor-líquido-sólido catalisado por Au e auto-montagem livre de catalisador [22,23,24,25], e propriedades de absorção óptica também simuladas [26, 27]. Em células solares práticas, influência de dopagem em propriedades de transporte e ópticas não pode ser ignorada, e recombinação radiativa, Auger e Shockley-Read-Hall (SRH) também desempenha papel importante na conversão fotoelétrica. No entanto, a nosso conhecimento, desempenho fotovoltaico de células solares nanocone p(i)n considerando fatores acima não foi estudado em detalhe ainda.

Neste artigo, simulação optoeletrônica tridimensional (3D) acoplada é apresentada para investigar desempenho fotovoltaico de células solares GaAs nanocone pin-junction axial e radial. Propriedades de absorção óptica investigadas usando finite-difference time-domain (FDTD). Perfis de fotogeração então incorporados em simulações elétricas para cálculo de características densidade de corrente-tensão (J-V) usando método de elementos finitos (FEM). Mobilidade dependente de dopagem, estreitamento de banda proibida, e recombinação radiativa, Auger e SRH foram todos considerados nas simulações elétricas. Maiores eficiências para células solares nanocone pin-junction axial e radial são 20,1% e 17,4%, respectivamente, muito superiores a contrapartes de NW cilíndricos. Mecanismo de aumento de eficiência é discutido.

Métodos

Modelo de array nanocone pin GaAs axial mostrado na Fig. 1, consiste em nanocones pin GaAs axiais periódicos com diâmetro D = 180 nm, período P = 360 nm, e comprimento L = 2 µm. Ambas regiões p e n têm comprimento 200 nm e dopagem uniforme a 3 × 10¹⁸ cm⁻³ e 1 × 10¹⁷ cm⁻³, respectivamente. Substrato GaAs é n-dopado com concentração 1 × 10¹⁷ cm⁻³. Diâmetro nanocone definido como média dos diâmetros superior e inferior. Ângulo de inclinação (θ) é ângulo entre parede lateral e direção normal da superfície inferior (substrato). Na simulação, ângulo de inclinação variado de 0 a 5° variando diâmetros inferior e superior mantendo diâmetro médio constante.

Diagrama esquemático de arrays de nanocones GaAs pin-junction axial

Propriedades ópticas da estrutura investigadas através do módulo Sentaurus Electromagnetic Wave (EMW) Solver [28,29,30]. Tamanho mínimo de célula da malha FDTD definido para 5 nm, e número de nós por comprimento de onda é 20 em todas direções. Colocando condições de contorno periódicas, simulações podem ser realizadas em única célula unitária para modelar estrutura de array periódico. Para economizar recursos e tempo de cálculo, espessura do substrato GaAs limitada a 0,4 µm [21]. No entanto, usando camada perfectly matched layer (PML) adjacente ao substrato GaAs, luz transmitida é totalmente absorvida, permitindo modelar substrato GaAs semi-infinito [31]. Índice de refração complexo dependente de comprimento de onda para descrever propriedades de dispersão de material de GaAs obtido de Levinshtein et al. [32]. Luz incidente do topo definida paralela ao eixo NW como indicado na Fig. 1. Usamos onda plana definida com intensidade de potência e valores de comprimento de onda de espectro solar AM 1.5G discretizado com comprimento de onda variando 290 a 900 nm (região típica de absorção GaAs) para modelar luz solar [33]. Geração óptica total sob iluminação AM 1.5G modelada superpondo taxas de geração óptica de comprimento de onda único ponderadas por potência [20]. Taxa de geração óptica G_ph obtida do vetor Poynting S:

onde ħ é constante de Planck reduzida, ω frequência angular da luz incidente, E intensidade de campo elétrico em cada ponto da malha, e ε″ parte imaginária da permissividade. Monitor de reflexão localizado acima da superfície superior do NWA, e monitor de transmissão na superfície inferior do substrato para calcular luz absorvida. Quantidade de potência transmitida através dos monitores de potência normalizada à potência da fonte em cada comprimento de onda. Reflectância R(λ) e transmissão T(λ) calculadas pela equação:

onde P(λ) é vetor Poynting, dS normal da superfície, e P_in(λ) potência da fonte incidente em cada comprimento de onda. Espectro de absorção A(λ) de NWAs GaAs dado por:

Para modelagem elétrica, perfis 3D de geração óptica incorporados na malha de elementos finitos dos NWs na ferramenta elétrica, que resolve equações de continuidade de portadores acopladas com equação de Poisson self-consistentemente em 3D. Mobilidade dependente de dopagem, estreitamento de banda proibida, e recombinação radiativa, Auger e SRH considerados nas simulações de dispositivo elétrico. Parâmetros críticos de material para simulações de dispositivo obtidos principalmente do modelo Levinshtein [32], mostrado na Tabela 1.

Resultados e Discussão

Células Solares Axial Pin Junction GaAs Nanocone Array

Figura 2a–c mostra absortância, reflectância e transmitância dependentes de comprimento de onda de arrays GaAs nanocone axiais com diferentes ângulos de inclinação. Comparado com arrays NW cilíndricos (θ = 0°), arrays nanocone mostram reflectância menor em toda faixa de comprimento de onda, fenômeno mais óbvio com aumento do ângulo. Capacidade anti-reflexão de arrays NW atribuída a baixa razão de preenchimento, que reduz índice de refração efetivo e oferece bom casamento de impedância entre GaAs e ar [7]. Para arrays nanocone com grande ângulo de inclinação, razão de preenchimento no topo dos arrays é extremamente baixa, levando a casamento de impedância quase perfeito com ar e reflexão quase zero. Na faixa de comprimento de onda curto 300–700 nm, absortância aumenta com aumento do ângulo devido a reflexão suprimida. No entanto, absortância de luz de comprimento de onda longo próximo a banda proibida GaAs diminui em grande ângulo devido a topo nanocone muito fino que não suporta modos ópticos. Figura 2d mostra integral ponderada AM 1.5G de espectros absortância, reflectância e transmitância para diferentes ângulos. Em ângulos pequenos, absortância aumenta com aumento do ângulo devido a reflectância decrescente. Quando ângulo excede 3°, absortância diminui ligeiramente. Provavelmente atribuído a caminho de absorção reduzido pois topo nanocone muito fino não suporta modos de comprimento de onda longo. No entanto, absorção total de nanocones em diferentes ângulos (1~5°) tem pouca diferença (faixa 92~93,5%), sugerindo que ângulo tem pouca influência na absorção total. Alternativamente, ângulo acredita-se ter forte impacto na absorção na região intrínseca, que domina eficiência de conversão fotoelétrica. Isto será discutido em detalhe a seguir.

a Absortância, b reflectância, e c transmitância de arrays GaAs nanocone pin-junction axial com D/P = 0,5 e D = 0,18 µm. d Integral ponderada AM1.5G de absortância, reflectância e transmitância de arrays nanocone axial com diferentes ângulos de inclinação

Perfis de geração óptica total de arrays GaAs nanocone axiais sob iluminação AM 1.5G mostrados na Fig. 3a. Vê-se que em θ = 0°, maior parte dos fótons absorvidos concentra no topo de NWs cilíndricos. Devido a alta concentração de dopagem e falta de campo elétrico embutido para separação de pares elétron-lacuna [34,35,36,37], recombinação de fotoportadores na região p superior é muito alta, resultando em grande perda de luz incidente. Para arrays nanocone, posição de absorção de fótons desloca para baixo com aumento do ângulo, levando a aumento de absorção na região i. Como relatado, absorção de luz de NWs dominada por modos ressonantes, intimamente relacionados a diâmetro NW [37]. Devido à geometria única de nanocones, poucos modos de comprimento de onda longo podem ser suportados na região superior com diâmetro pequeno. Isto é suportado por Fig. 3b–g, que apresentam perfis de geração óptica dependentes de comprimento de onda de nanocones com ângulo 0~5°. Vê-se que em NWs cilíndricos, maior parte da absorção concentra na região superior para todos comprimentos de onda. No entanto, à medida que ângulo aumenta, modos ópticos, particularmente modos de comprimento de onda longo, deslocam para região mais espessa. Portanto, aumento do ângulo não apenas leva a aumento de absorção na região i central mas também resulta em redução de absorção na região superior. Isto explica por que array nanocone com ângulo médio de 3° tem alta absorção total como mostrado na Fig. 3e, pois absorção em ambas regiões p superior e i central é relativamente forte nesse ângulo. Acredita-se que deslocamento descendente da absorção desempenha papel crítico na melhoria de desempenho do dispositivo pois não apenas suprime perda de absorção na região p superior mas também aumenta absorção na região i central.

a Perfis de geração óptica total de nanocones pin axial. b–g Perfis de geração óptica dependentes de comprimento de onda de arrays nanocone em θ = 0~5°

Espectros de absorção da região i plotados na Fig. 4a. Em região de comprimento de onda curto, à medida que diâmetro da região p encolhe com aumento do ângulo, tanto volume da região p quanto potência de luz que pode ser confinada no nanocone diminuem, levando a absorção insuficiente na região p e alta absortância na região i. Em região de comprimento de onda longo, região de absorção estende para região n inferior em nanocones em grande ângulo, resultando em absortância decrescente na região i. Figura 4b mostra integral dos espectros de absorção na região i. Absortância de cada comprimento de onda ponderada por espectro AM 1.5G. Vê-se que absorção na região i aumenta dramaticamente com aumento do ângulo, indicando absorção efetiva aprimorada esperada para melhorar eficiência de conversão.

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

Perfis de fotogeração então incorporados na ferramenta elétrica [35] para estudar desempenho fotovoltaico de célula solar array nanocone pin-junction axial. Figura 5a mostra características corrente-tensão em diferentes ângulos. Comparado com arrays NW cilíndricos, densidade de corrente de curto-circuito (J_sc) muito maior obtida em células solares array nanocone. Em θ = 5°, dispositivo rende J_sc de 30,1 mA/cm² (7,3 mA/cm² maior que cilíndrico) e V_oc de 0,885 V, resultando em alta eficiência de conversão (η) de 20,1% (4,8% maior que cilíndrico). Figura 5b plota dependência de eficiência de conversão no ângulo. À medida que ângulo aumenta de 0 a 5°, eficiência aumenta monotonicamente de 15,3 a 20,1%. Como mencionado, absorção de todo array nanocone satura em θ = 2°, sugerindo que aumento de eficiência em grande ângulo não causado por aumento de absorção de todo array. Em vez disso, tendência de eficiência está altamente de acordo com absorção na região i mostrada na Fig. 4b, demonstrando que eficiência é dominada por absorção óptica efetiva na região i.

a Curvas corrente-tensão de células solares array nanocone pin-junction axial com diferentes ângulos. b Eficiência de conversão fotoelétrica de células solares array nanocone pin-junction axial com diferentes ângulos

Células Solares Radial Pin Junction GaAs Nanocone Array

Modelo de array nanocone pin-junction radial GaAs mostrado na Fig. 6, consiste em nanocones pin GaAs radiais periódicos com diâmetro D = 360 nm, período P = 720 nm, e comprimento L = 2 µm. Espessura região i é 10 nm, e raio do núcleo igual a espessura da casca. Concentrações de dopagem núcleo tipo-n e casca tipo-p definidas iguais às de nanocones axiais. Ângulo de inclinação variado de 0 a 10° variando diâmetros inferior e superior mantendo diâmetro médio constante.

Diagrama esquemático de arrays nanocone pin-junction radial GaAs

Absortância, reflectância e transmitância dependentes de comprimento de onda de arrays GaAs nanocone radiais com diferentes ângulos mostradas na Fig. 7a–c. Similar a estruturas axiais, nanocones radiais mostram reflectância menor em toda faixa comparado a NWs cilíndricos radiais (θ = 0°), fenômeno mais óbvio com aumento do ângulo. Na Fig. 7a, vê-se que em faixa 300–700 nm, absortância aumenta com aumento do ângulo devido a supressão de reflectância. Em grandes ângulos, topo nanocone demasiado fino para suportar modos de comprimento de onda longo, resultando em diminuição de absortância. Figura 7d mostra integral ponderada AM 1.5G de espectros para diferentes ângulos. Vê-se que à medida que ângulo aumenta, absorção exibe tendência geral ascendente com pequenas flutuações, sugerindo excelentes propriedades de absorção para estruturas nanocone.

a Absortância, b reflectância, e c transmitância de array nanocone pin-junction radial GaAs com D/P = 0,5 e D = 0,36 µm. d Integral ponderada AM1.5G de absortância, reflectância e transmitância de array nanocone radial com diferentes ângulos

Figura 8 mostra perfis de geração óptica total de arrays GaAs nanocone radiais sob iluminação AM 1.5G. Similar a arrays axiais, maior parte dos fótons concentra no topo de NWs cilíndricos. À medida que ângulo aumenta gradualmente, absorção desloca para baixo. Como tubo região i na junção radial penetra todo NW, deslocamento descendente da absorção não leva diretamente a aumento de absorção como em pin-junction axial. No entanto, junto com deslocamento descendente, comprimento de absorção também estende, resultando em sobreposição aprimorada entre absorção de luz e região i. Portanto, absorção efetiva também acreditada ser aprimorada.

Perfis de geração óptica de arrays nanocone pin radial com diferentes ângulos de inclinação

Características corrente-tensão de células solares nanocone radial mostradas na Fig. 9a. Comparado com célula solar array NW cilíndrico, J_sc muito maior alcançado em células array nanocone. Em θ ≥ 6°, todos J_sc excedem 25 mA/cm², por contraste, J_sc é 17,4 mA/cm² em θ = 0°. Figura 9b mostra dependência de eficiência de conversão no ângulo. Em ângulos pequenos, eficiência aumenta monotonicamente com ângulo e atinge máximo 17,4% em θ = 6°, 6,4% maior que contraparte cilíndrica. Quando ângulo aumenta further, eficiência satura e até diminui ligeiramente. Provavelmente atribuído a competição entre absorção das regiões i superior e central. Em grande ângulo, topo nanocone demasiado fino para suportar modos de comprimento de onda longo. Embora absorção da parte central região i aumente devido a deslocamento descendente, absorção na parte superior região i diminui, compensando incremento na região central.

a Curvas corrente-tensão de células solares nanocone pin-junction radial com diferentes ângulos. b Dependência da eficiência de conversão no ângulo de inclinação

Conclusões

Em resumo, estudamos desempenho fotovoltaico de células solares GaAs nanocone array pin-junction axial e radial por simulação optoeletrônica 3D acoplada. Resultados mostram que absorção em array nanocone desloca para baixo devido a encolhimento do diâmetro superior, que suprime dramaticamente perda de absorção na região superior altamente dopada e aumenta absorção na região de depleção. Maiores eficiências de conversão para células solares GaAs nanocone axial e radial são 20,1% e 17,4%, obtidas em ângulo de inclinação 5° e 6°, respectivamente, ambas muito superiores a contrapartes NW cilíndricos. Estruturas nanocone são candidatos promissores para células solares de alta eficiência.

Abreviações

3D:

Tridimensional

D/P :

Diâmetro/período

EMW:

Sentaurus Electromagnetic Wave

FDTD:

Diferenças finitas no domínio do tempo

FEM:

Método de elementos finitos

NW:

Nanofio

PML:

Camada perfeitamente casada

SRH:

Shockley-Read-Hall