Absorvedor Solar de Nanoantena GaAs: Armadilha de Luz Ultra-Larga para Células Finas de Alta Eficiência

Resumo

Armadilha de luz é um desempenho importante de células solares ultra-finas porque não apenas pode aumentar a absorção óptica na região fotoativa, mas também permite absorção eficiente com muito pouco material. Nanoantena semicondutora tem a capacidade de melhorar a armadilha de luz e aumentar a eficiência de transferência de energia solar. Neste trabalho, apresentamos um absorvedor solar baseado em nanoantenas de arseneto de gálio (GaAs). Absorção de luz quase perfeita (acima de 90%) é alcançada no comprimento de onda que varia de 468 a 2870 nm, mostrando armadilha de luz ultra-larga e quase unidade para radiação solar. Uma alta densidade de corrente de curto-circuito até 61,947 mA/cm² é obtida. Além disso, o absorvedor solar tem boa estabilidade estrutural e alta tolerância a temperatura. Estes oferecem novas perspectivas para alcançar células fotovoltaicas ultra-compactas eficientes e emissores térmicos.

Introdução

Energia solar, como energia renovável, limpa e amplamente disponível, é amplamente estudada porque pode ser transformada em outras energias para amplas aplicações como células solares [1,2,3], dispositivos fotovoltaicos [4, 5] e emissores foto-térmicos [6, 7]. Desde que Landy et al. relataram absorvedores perfeitos baseados em meta-materiais triplo-camada metal-isolante-metal [8], uma abundância de nanoestruturas fascinantes foram projetadas para coleta e utilização de energia solar [9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]. Vale notar que a captura eficiente de energia solar é chave para estas aplicações. Portanto, a resposta de absorção solar dos absorvedores é geralmente estudada para avaliar o desempenho de coleta de energia solar. O absorvedor ideal possui absorção quase unidade em uma ampla faixa de comprimento de onda.

Em princípio, o absorvedor perfeito significa um bom emissor térmico na mesma faixa de comprimento de onda. Para uma dada temperatura, a energia de radiação pode ser bem descrita e detectada pela absorção da estrutura [7]. Além disso, a razão de absorção para radiação térmica é sempre igual à emissividade sob condições de equilíbrio térmico. Nanoestruturas metálicas nobres são geralmente utilizadas para obter absorvedores perfeitos, transmissão extraordinária de luz ou ressonâncias Fano via forte acoplamento de luz com plasmons de superfície [22,23,24,25,26,27,28,29,30]. No entanto, a energia solar absorvida levaria ao aumento de temperatura (ou seja, instabilidade térmica), resultando no dano de nanoestruturas metálicas nobres com baixo ponto de fusão [7]. Note que a estabilidade estrutural e alta tolerância a temperatura podem ser garantidas quando metais refratários são usados para substituir metais nobres nos absorvedores [6, 9, 11, 12]. Embora fenômenos de absorção de luz de banda larga fossem demonstrados nestas plataformas, estes métodos podem sofrer de problemas como geometrias sofisticadas [6, 18], larguras de banda de absorção relativamente finitas (< 750 nm) [9, 11, 12], ou grande requerimento de metais nobres [8, 10, 11, 18].

Materiais semicondutores também atraíram interesse intensivo devido ao seu baixo custo e alta eficiência de conversão para energia solar comparados com dispositivos de filme fino convencionais [31,32,33,34,35,36,37,38,39]. A maioria dos absorvedores solares é baseada em silício (Si) devido à sua abundância natural e lacuna de banda de energia quase ideal [31, 34]. No entanto, a eficiência de células solares é limitada quando a espessura de camadas Si reduz. Portanto, armadilha de luz tornou-se agora um dos principais tópicos em células solares de filme fino [38]. Recentemente, arseneto de gálio (GaAs) tornou-se um bom competidor devido à sua propriedade óptica única e alta eficiência de conversão [36,37,38,39], que foram demonstradas experimentalmente na colheita solar. Por exemplo, Massiot et al. apresentaram nanogrelha metálica para colheita de luz multi-ressonante de banda larga em camadas ultra-finas de GaAs com largura de banda de absorção de 380 nm (de 450 a 830 nm) [40]. Li et al. propuseram uma célula solar combinando nanopartículas de ouro e arranjos de nanofios GaAs para realizar banda de absorção ampla na região visível (300–850 nm) [39]. No entanto, suas bandas de absorção estão quase dentro da faixa de 300–1100 nm. Recentemente, colocando grade GaAs em estrutura de filme bi-camada GaAs-tungstênio (W), obtivemos um absorvedor perfeito [40]. No entanto, a largura de banda de absorção (> 90%) atinge apenas 1300 nm. Além disso, apenas polarização transverse-magnética (TM) é considerada nesta estrutura.

Neste trabalho, propomos um absorvedor solar viável baseado no semicondutor GaAs e metais refratários W e Ti. Um arranjo periódico de nanoantena GaAs unidimensional (1D), revestido por nanoantenas de óxido de índio-estanho (ITO) antirreflexo (AR), é colocado sobre estrutura de filme triplo fino W-GaAs-Ti. Este absorvedor solar apresenta banda de absorção ultra-larga abrangendo regiões visível e infravermelho médio devido à sinergia de ressonâncias de modo guiado (GMRs) e modos de ressonância de cavidade junto com plasmons de polaritons de superfície (SPPs). A largura de banda com absorção acima de 90% é maior que 2400 nm. O absorvedor também mostra boa tolerância ao ângulo e polarização da luz incidente. Além disso, alta densidade de corrente de curto-circuito até 61,947 mA/cm² é alcançada sob iluminação solar AM1.5. Estes oferecem novas perspectivas para alcançar células fotovoltaicas de filme fino ultra-compactas eficientes e emissores térmicos.

Materiais e Método

O esquema do absorvedor proposto é mostrado na Fig. 1a. Um arranjo periódico de nanoantena GaAs 1D é intercalado por um arranjo AR de camada única feito de nanoantenas ITO e uma estrutura de filme triplo metal-semicondutor-metal (MSM) fino. Embora metais nobres sejam indispensáveis na criação de estruturas de absorção de banda larga, eles sofrem de baixos pontos de fusão [41]. Além disso, devido ao efeito de tamanho pequeno, os pontos de fusão de nanoestruturas metálicas nobres padronizadas são grandemente reduzidos [42]. Estes levam a nanoestruturas metálicas nobres não atenderem à temperatura de trabalho de fotovoltaicos solares. Portanto, materiais com ultra-alta estabilidade térmica e capacidade de absorção de luz são altamente desejados para manter a estabilidade de absorvedores solares. W metálico, titânio (Ti) [6, 17] e semicondutor GaAs [36, 37, 39] todos têm altos pontos de fusão (3422 °C, 1668 °C e 1238 °C à temperatura ambiente, respectivamente) e assim são empregados para obter bandas de absorção ultra-largas neste trabalho. O período e largura das nanoantenas são denotados como P e d, respectivamente. A espessura do filme W inferior é 100 nm. As espessuras dos filmes Ti e GaAs são respectivamente marcadas com h₁ e h₂. As espessuras das nanoantenas ITO e GaAs são marcadas com t₁ e t₂, respectivamente. Os parâmetros otimizados deste absorvedor são definidos como P = 500 nm, d = 400 nm, t₁ = 80 nm, t₂ = 120 nm, h₁ = 70 nm e h₂ = 30 nm.

Figura 1. a Esquema do absorvedor solar proposto. b Espectros de absorção do absorvedor solar (linha preta), estrutura MSM (linha vermelha) e estrutura MSM revestida apenas com nanoantenas GaAs (linha azul).

Os desempenhos ópticos e distribuições de campo eletromagnético deste absorvedor são calculados pelo método de diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD) [43]. Condições de contorno periódicas são empregadas nas direções x e camadas de correspondência perfeita são usadas nas direções z. As constantes dielétricas de Ti, W e GaAs são tomadas de Palik [44], e o índice de ITO é 2,0 [35]. Se não especificado de outra forma, uma onda plana de ampla frequência com polarização linear ao longo do eixo x é irradiada do topo da metasuperfície de nanoantena (ou seja, polarização TM) com distância de 540 nm entre eles. A transmissão (T) neste absorvedor é igual a zero devido ao filme metálico opaco usado na base. A absorção (A) deste absorvedor pode ser calculada por A = 1 − R, onde R denota a reflexão. Uma região finita com comprimento de 20 nm, largura de 500 nm e altura de 500 nm e malha refinada de 1,6 nm são escolhidas para calcular a densidade de corrente de curto-circuito (outros parâmetros são os mesmos definidos no cálculo de reflexão). Uma malha não uniforme com passo mínimo de malha de 0,25 nm e onda plana com três regiões de comprimento de onda (280–400 nm, 401–1702 nm e 1705–4400 nm) são usadas para calcular o espectro solar padrão usando uma simulação bidimensional simples. O absorvedor proposto pode ser fabricado nas seguintes etapas: (1) depositando ordenadamente filmes W, GaAs e Ti com certa espessura no substrato de sílica via método de deposição [45, 46]; (2) depositando uma camada de fotorresistência na estrutura fabricada acima e gravando-a por litografia de feixe de elétrons [47] para formar um arranjo periódico de nanoantena unidimensional; (3) depositando consecutivamente materiais GaAs e ITO com certa espessura na estrutura fabricada na segunda etapa; e (4) removendo as nanoantenas de fotorresistência revestidas com materiais GaAs e ITO pelo método lift-off.

Resultados e Discussão

A Figura 1b mostra o espectro de absorção do absorvedor otimizado em incidência normal (marcado com "Absorvedor", linha preta). Para comparação, os espectros de absorção da estrutura MSM (marcado com "MSM", linha vermelha) e a estrutura MSM revestida apenas por nanoantenas GaAs (marcado com "A estrutura sem a camada ITO", linha azul) também são mostrados na Fig. 1b. Para a estrutura com estrutura simples de filme triplo MSM, a absorção é menor que 70%. Quando o arranjo periódico de nanoantena GaAs é colocado na estrutura MSM, uma banda de absorção ultra-larga com absorção fortalecida de 657 a 2679 nm é alcançada. Isso indica que o arranjo periódico de nanoantena GaAs aqui é responsável pela forte absorção na ampla faixa de comprimento de onda. Note que as intensidades de absorção nas faixas de 991–1455 nm e 2004–2388 nm ainda são menores que 90%. Para o absorvedor proposto, o arranjo periódico de nanoantena ITO de 80 nm de espessura introduzido fortalece ainda mais a absorção e alarga a banda de absorção. Considerando A > 90%, um fenômeno de absorção ultra-larga é encontrado com largura de banda de absorção até 2402 nm abrangendo regiões visível, infravermelho próximo e médio (468–2870 nm). A absorção média é aumentada até 95,5%. É porque a camada ITO de 80 nm de espessura desempenha papel antirreflexo, que pode fortalecer ainda mais o efeito antirreflexo das nanoantenas GaAs. Além disso, a camada ITO de 80 nm de espessura é alta o suficiente para permitir baixa resistência de folha, então baixas perdas de transporte lateral dos portadores sobre centenas de mícrons para contatos metálicos laterais [35]. Consequentemente, a grande melhoria na largura de banda de absorção e eficiência de absorção é alcançada, maior que aqueles absorvedores baseados em sistemas compostos metal nobre-semicondutor [32,33,34,35,36,37]. O aumento grandemente ampliado da absorção origina-se principalmente da excitação de GMRs e modos de cavidade e seus efeitos de acoplamento hibridizado [18].

As distribuições de campo eletromagnético (|E| e |H|) e densidade de corrente (J) deste absorvedor em diferentes comprimentos de onda (ou seja, 594 nm, 1430 nm e 2586 nm) são investigadas. A 594 nm, a energia de campo elétrico é principalmente concentrada na interface nanoantena-ar, e a forte energia de campo magnético está localizada na nanoantena GaAs e camada ITO (Fig. 2a, b). Estes indicam GMRs e modos de cavidade sendo excitados [18, 26]. A corrente elétrica nas nanoantenas GaAs (Fig. 2c) confirma a eficácia das nanoantenas GaAs para este aumento de absorção [48, 49]. A 1430 nm, o forte campo elétrico existe principalmente nos espaços de ar próximos às nanoantenas (Fig. 2d) o que implica modos de cavidade excitados [18, 26]. Na Fig. 2e, a energia de campo magnético está localizada nas interfaces nanoantena GaAs-filme Ti, indicando que GMRs excitados e modos de cavidade ambos contribuem para a luz acoplada na estrutura e excitam ainda mais SPPs próximas às interfaces de filme GaAs-filme Ti [9, 18, 20, 39]. A corrente elétrica distribuída no filme Ti mostrada na Fig. 2f fornece forte evidência de que a luz incidente é totalmente acoplada na estrutura. A 2586 nm, as energias eletromagnéticas localizam principalmente nos espaços entre nanoantenas e nas interfaces de nanoantena GaAs-filme Ti e filme GaAs-filme W (Fig. 2g, h), e a corrente elétrica distribui principalmente na superfície superior do filme W (Fig 2i). Estes novamente demonstram a luz acoplada nas camadas subjacentes da estrutura pelos GMRs, SPPs e modos de cavidade. Portanto, conclui-se que os GMRs, SPPs, cavidade excitados e sua sinergia resultam na absorção de banda larga e quase perfeita [18].

Figura 2. Campo elétrico |E|, campo magnético |H| distribuições e densidade de corrente J a 594 nm (a–c), 1430 nm (b–f) e 2586 nm (g–i), respectivamente.

Nas aplicações práticas dos absorvedores solares, a absorção de luz deve ser menos sensível aos ângulos de incidência e polarização [2, 3, 6, 18, 20]. No entanto, a maioria dos absorvedores baseados em material GaAs raramente envolve exploração de ângulo de polarização e ângulo de incidência [36, 39]. A Figura 3a mostra a evolução da absorção para o absorvedor solar proposto sob polarização TM com irradiação oblíqua. Obviamente, o efeito de absorção é quase robusto na faixa de 468–3000 nm com ângulo de incidência até 55° e apenas uma leve diminuição no comprimento de onda na região infravermelho médio. A banda de absorção reduzirá extremamente conforme o ângulo de incidência for superior a 55°. A Figura 3b mostra a absorção de luz sob diferentes estados de polarização, onde 0° corresponde à polarização TM e 90° corresponde à polarização transverse-elétrica (TE). Observa-se que a absorção pode ser mantida perfeitamente nas regiões de comprimento de onda mais curto e mais longo (468–1010 nm e 1800–3000 nm) quando o ângulo de polarização aumenta de 0 a 90°. Embora a absorção diminua na região infravermelho próximo, ainda está acima de 50%. Em geral, a insensibilidade angular e polarizada da absorção deve ser atribuída ao bom acoplamento de impedância e perda intrínseca [18, 19].

Figura 3. Mapeamento de absorção do absorvedor solar sob ângulo de incidência ajustável (a) e estado de polarização (b).

Realizamos ainda investigação de absorção solar colocando o absorvedor otimizado sob iluminação de fonte AM 1.5. O absorvedor solar mostra absorção quase perfeita nas regiões visível, infravermelho próximo e médio, abrangendo as principais regiões de distribuição de energia de irradiação solar (Fig. 4a). Como múltiplos estados de ressonância ocorrem simultaneamente, quase energia solar de unidade quase unidade é capturada pelo absorvedor. Estas demonstram a alta eficiência de absorção de energia solar em tal estrutura. Além disso, os materiais refratários usados neste absorvedor contribuem para manter a estabilidade térmica desta estrutura quando a temperatura aumenta em certa faixa. Portanto, pode-se concluir que nosso absorvedor proposto tem aplicação mais ampla em dispositivos fotoelétricos [50].

Figura 4. a Espectro padrão de radiância solar AM 1.5 e espectro de absorção de energia solar do absorvedor solar sob AM 1.5. b Energia absorvida e perdida do absorvedor solar na faixa espectral completa de radiância solar.

Conforme relatado em [36], a densidade de corrente de curto-circuito J_sc para iluminação solar AM1.5 é descrita por \( {J}_{\mathrm{sc}}={\int}_{400\ \mathrm{nm}}^{3000\ \mathrm{nm}}\frac{e\lambda}{hc}{\Phi}_{\mathrm{AM}1.5}\left(\lambda \right)\mathrm{A}\left(\lambda \right), \) onde e é a carga do elétron, h é a constante de Planck, λ é o comprimento de onda da luz, Φ_AM1.5(λ) é a radiância solar a AM 1.5, A(λ) é a absorção, e c é a velocidade da luz. Aqui, investigamos a densidade de corrente de curto-circuito alterando a espessura das nanoantenas GaAs com outros parâmetros invariáveis. Quando t₂ é ajustado de 30 a 210 nm com passo de 30 nm, a fotocorrente coletada é derivada como mostrado na Fig. 5. Uma forte regularidade com a espessura t₂ é obtida porque J_sc depende principalmente do número de modos ressonantes na faixa de 300–3000 nm. O máximo J_sc igual a 61,947 mA/cm² é obtido quando t₂ = 120 nm, que é muito maior que o relatado por Meng et al. (30,3 mA/cm²) [35].

Figura 5. Densidade de corrente de curto-circuito com a espessura da nanoantena GaAs sob luz polarizada TM.

Conclusão

Apresentamos um absorvedor solar baseado em nanoantenas GaAs cobertas por uma única camada ITO em estrutura de empilhamento triplo fino W-GaAs-Ti. Um absorvedor perfeito ultra-banda larga é alcançado na faixa de comprimento de onda de 468–2870 nm com absorção média acima de 95%. A propriedade de absorção ultra-banda larga origina-se da sinergia de GMRs, modos de cavidade e SPPs. O absorvedor perfeito solar ultra-banda larga também tem grande tolerância para temperatura, insensibilidade ao ângulo e polarização da luz incidente, e melhor densidade de corrente de curto-circuito até 61,947 mA/cm². Estes oferecem novas perspectivas para alcançar células solares de filme fino, colheita de energia solar e emissores térmicos.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Todos os dados gerados ou analisados durante este estudo estão incluídos neste artigo.

Abreviações

TM:

Transverse-magnetic

1D:

Unidimensional

AR:

Antirreflexo

GMRs:

Ressonâncias de modo guiado

SPPs:

Plasmons de polaritons de superfície

MSM:

Metal-semicondutor-metal

FDTD:

Diferenças finitas no domínio do tempo

TE:

Transverse-elétrica