Absorção Ótica Aprimorada em Células Solares Tandem Perovskita / Si com Matriz de Nanoholes

Resumo

As células solares de perovskita são usadas em células tandem à base de silício devido ao seu intervalo de banda ajustável, alto coeficiente de absorção e baixo custo de preparação. No entanto, o índice de refração óptico relativamente grande do silício inferior, em comparação com o das camadas absorventes de perovskita superiores, resulta em perdas de reflexão significativas em dispositivos de dois terminais. Portanto, o gerenciamento de luz é crucial para melhorar a absorção de fotocorrente na célula inferior de Si. Neste artigo, matriz de nanoholes preenchida com TiO ₂ é introduzido no design das células inferiores. Por métodos de domínio de tempo de diferença finita, a eficiência de absorção e densidade de fotocorrente na faixa de 300-1100 nm foram analisadas, e os parâmetros estruturais também foram otimizados. Nossos cálculos mostram a densidade da fotocorrente que tende a ficar saturada com o aumento da altura dos nanofuros. Os modos de aumento de absorção de fótons em diferentes comprimentos de onda foram analisados intuitivamente pela distribuição do campo elétrico. Esses resultados permitem uma rota viável e conveniente para o projeto de alta eficiência de células solares em tandem de perovskita / Si.

Introdução

A energia solar é um tipo de energia renovável e limpa, de grande importância para o desenvolvimento sustentável do ser humano. A eficiência da conversão fotoelétrica e o custo de preparação são as principais razões que determinam a aplicação industrial das células solares, que convertem diretamente a energia da luz em eletricidade. Atualmente, as células solares à base de silício são o principal produto das células solares, respondendo por 90% do mercado fotovoltaico global. A eficiência das células solares à base de silício atingiu 25,6%, próximo ao limite de eficiência de Shockley – Queisser (33,7%), mas o custo de fabricação continua alto [1, 2]. O desenvolvimento de células solares à base de silício precisa reduzir os custos de fabricação e melhorar a eficiência das células.

Por causa da ampla distribuição de energia do espectro solar, qualquer material semicondutor só pode absorver fótons cujo valor de energia seja maior do que sua largura de banda. Portanto, uma abordagem comprovada para fazer melhor uso do espectro solar é formar uma célula solar tandem de junção dupla [3, 4]. Em princípio, as células solares em tandem de Si são capazes de absorver seletivamente diferentes partes do espectro solar e ultrapassar o Shockley-Queisser de junção única. O limite teórico de eficiência da célula solar tandem de silício de duas junções ideal foi relatado em 46% [5,6,7].

As células solares de perovskita são de grande potencial fotovoltaico e seu desempenho melhorou significativamente em apenas alguns anos. A eficiência da conversão fotoelétrica é de 3,7% em 2009, e a eficiência tem sido de até 25,2% até agora [8,9,10]. A perovskita também é considerada o material absorvente de luz mais promissor para a próxima geração de células solares de baixo custo. Quando a largura do bandgap da perovskita é 1,55 eV, ela pode absorver fótons com comprimento de onda menor que 800 nm, enquanto o silício com bandgap de 1,12 eV pode absorver fótons com comprimento de onda maior que 800 nm no espectro solar. Quando os dois formam uma célula tandem de cima para baixo, seus espectros de absorção se complementam, o que melhora muito a utilização do espectro solar e reduz o custo de preparação [11,12,13,14].

Entre todos os tipos de células solares tandem de perovskita / silício, o tandem monolítico de dois terminais tem o maior potencial porque pode ser fabricado através da deposição direta de filme de perovskita em uma célula de fundo de silício para obter uma integrada. Bush et al. alcançou uma eficiência de 23,6% em uma célula inferior SHJ de emissor traseiro com uma célula superior de perovskita p-i-n com E _g =1,63ev desde a redução na absorção parasitária na camada seletiva de elétrons da frente. Além disso, Oxford PV atingiu uma eficiência de conversão de energia de 28% em 2018, o que validou ainda mais que o conjunto perovskita / silício tem grande potencial para revolucionar as tecnologias de células solares [15,16,17]. No entanto, em comparação com as células solares à base de silício, que podem atingir 85% do limite de eficiência, as células tandem à base de perovskita / silício ainda têm muito espaço para melhorias de eficiência. A maioria dos estudos em células tandem de perovskita / silício enfoca o design da célula superior e a junção de tunelamento, enquanto a célula inferior adota principalmente a superfície texturizada ou o SiN _x camada para melhorar a absorção óptica [18, 19]. É importante notar que uma forma eficaz de aumentar a absorção seletiva é incorporar a luz incidente ao modo guiado por ondas [20]. Para os propósitos acima, introduzimos a matriz de nanoholes no design da subcélula inferior. Ao mesmo tempo, em comparação com a superfície normalmente texturizada, a superfície da matriz de nanoholes de silício é mais lisa, o que é mais propício para o casamento de corrente entre as células superior e inferior [21, 22].

Métodos

Nesta carta, estudamos numericamente as propriedades de absorção de luz do dispositivo tandem de perovskita / silício com matriz de nanoholes de silício como células de fundo, empregando o método de domínio de tempo de diferença finita (FDTD). As Figuras 1 e 2 mostram o esquema das células tandem de perovskita / silício estruturadas em nanoholes propostas e a vista lateral de um período individual, respectivamente.

Esquema de células tandem de perovskita / silício estruturadas em nanoholes usadas no modelo

a Esquema da matriz de nanoholes usada no modelo. b Vista lateral 2D de um período individual

Em nosso modelo, a matriz de nanoholes é preenchida com TiO ₂ como camada de tunelamento entre duas junções. Para focar o estudo nas propriedades ópticas de subcélulas nanoestruturadas, a espessura de ITO, Spiro-OMeTAD, CH ₃ NH ₃ PbI ₃ , SiO ₂ e TiO ₂ são fixados como 50 nm, 10 nm, 300 nm, 20 nm, 40 nm, respectivamente. Conforme mostrado na Fig. 2, a matriz pode ser caracterizada pela periodicidade ( P ), o diâmetro dos nanofuros ( D ), a altura dos nanoholes ( h ) e altura total do substrato de silício ( H ) A taxa de enchimento é definida como \ (\ eta =D / P \). A altura total do substrato de silício H é fixado em 1 μm. Além disso, as constantes ópticas de silício e outros materiais usados no projeto de células são da pesquisa de F Miha [23]. Condições de contorno periódicas são adotadas nas direções xey e aplicadas condições de contorno de camada perfeitamente correspondentes na direção z. A fonte de luz é considerada uma fonte de onda plana variando de 300 a 1100 nm, perpendicular à matriz de nanoholes ao longo do z direção.

Um monitor plano acima da superfície da célula superior é aplicado para registrar a refletância ( R ), e um segundo monitor na parte inferior do substrato de silício registra a transmitância ( T ); a absorção ( A ) de tandens de perovskita / silício é determinado por \ (A (\ lambda) =1 - R (\ lambda) - T (\ lambda) \). O desempenho de absorção será avaliado pela densidade de corrente de curto-circuito \ (J _ {{{\ text {sc}}}} \), que é definida como [14]:
$$ J _ {{{\ text {sc}}}} =\ frac {e} {hc} \ int _ {{\ lambda _ {{\ min}}}} ^ {{\ lambda _ {{\ max}}}} {\ lambda A (\ lambda) \ Phi (\ lambda) {\ text {d}} _ {\ lambda}} $$ (1)
onde \ (\ Phi (\ lambda) \) é o espectro de densidade de energia solar de AM1.5G, e é a carga elementar, h é a constante de Planck e c é a velocidade da luz no vácuo. O cálculo é assumido que todos os portadores fotogerados são coletados por eletrodos, uma vez que o comprimento de difusão dos portadores minoritários é longo o suficiente em CH ₃ NH ₃ PbI ₃ e silício cristalino.

Resultados e discussão

Com o propósito de esclarecer os papéis que a matriz de nanoholes desempenha na absorção de luz nas células solares em tandem e para orientar adequadamente o design das propriedades ópticas, calculamos a curva de absorção da matriz de nanoholes sob diferentes taxas de preenchimento. Na simulação do processo de experimento, um CH ₃ de 300 nm NH ₃ PbI ₃ camada e um substrato de silício de 1 μm foram aplicados para capturar fótons. Conforme mostrado na Fig. 3a, b, a altura dos nano-furos do fundo permaneceu imóvel na figura de 600 nm contra os diferentes períodos de tempo, respectivamente. Com o valor crescente da taxa de enchimento de 0,1 a 0,9, a curva de absorção pode ser dividida em três partes. No início, a absorção apresentou desempenho decrescente na faixa de comprimento de onda curta de 300–600 nm. Em seguida, observou-se que a absorção da camada de perovskita forma uma diminuição na faixa de 600-850 nm, enquanto a ressonância, ao contrário, atinge seu ponto inicial de 600 nm. As terceiras partes estão na faixa de 850–1100 nm e contém três picos de ressonância de absorção no total. Considerando que a limitação da dominância da camada de perovskita sobre a absorção de comprimentos de onda pode atingir até 850 nm, esse valor também pode ser considerado como o comprimento de onda limite de CH ₃ NH ₃ PbI ₃ em nosso modelo.

Caracterização óptica de células solares em tandem com matriz de nanoholes. a Espectros de absorção versus taxas de enchimento em P fixos =400 nm e h =600 nm. b Espectros de absorção versus taxas de enchimento em P fixos =500 nm e h =600 nm. c Densidade de fotocorrente versus taxas de enchimento em diferentes períodos. d Aumento da densidade da fotocorrente versus as taxas de enchimento sob a condição de P =500 nm

Da Fig. 3c, pode-se observar que a densidade da fotocorrente e η apresentam correlação positiva, o que significa que aumentará com o aumento de η. Quanto ao parâmetro de período fixo, o aumento na densidade de corrente primeiro parece estar em um estágio de rápido crescimento, e o \ (J_ {i} \) gradualmente entra na faixa de saturação onde a taxa de enchimento é maior que 0,5 devido ao distribuição desigual de comprimentos de onda longos e curtos em AM1.5G. Com o aumento do valor da taxa de enchimento, a eficiência de absorção do substrato de silício também foi melhorada em conformidade; no entanto, o material de silício parece ter diminuído em um único período. Portanto, a taxa de preenchimento da matriz de nanoholes de silício deve apresentar um valor ideal. O pico de absorção da ressonância atinge o valor próximo a 1000 nm no espectro, e o pico pode ser considerado como o atingimento de seu máximo quando o período é de 500 nm em comparação com o das outras duas condições. A Figura 3d mostra a curva de aumento da densidade da fotocorrente junto com o aumento da taxa de enchimento sob a condição quando P =500 nm. Além disso, a linha vermelha pode ser obtida através do ajuste polinomial. Pode-se concluir que quando a taxa de preenchimento atinge exatamente 0,5, um ponto de inflexão aparecerá no crescimento da densidade da fotocorrente.

De acordo com a análise acima, os parâmetros de absorção otimizados das células em tandem com base na matriz de nanoholes devem ser encontrados no período de 500 nm e a razão de enchimento é na figura exata de 0,5. A fim de esclarecer ainda mais o mecanismo de emissão da absorção de luz, os espectros de absorção contra as diferentes alturas dos nanoholes são comparados na condição mencionada. A Figura 3a, b mostra a mudança da tendência de variação da absorção espectral e da densidade da fotocorrente juntamente com o aumento das alturas dos nanoholes, respectivamente. Pode ser resumido que o pico de absorção no comprimento de onda de 1000 nm mostra alta dependência com a altura dos nanoholes, enquanto a dependência dos outros dois picos de absorção mostrados na Fig. 4b na altura dos nanoholes é muito fraca. Tal resultado indica que a ressonância de Mie domina a excitação. Da Fig. 4c, d, o aumento significativo da densidade de corrente pode ser observado subindo de 14,53 para 15,68 mA / cm ² quando a profundidade é menor que 300 nm, e quando os valores de h são maiores que 300 nm, o valor atingirá um valor quase saturado. Essa fraca dependência da altura dos nanoholes pode ser útil em termos de projeto, bem como na fabricação de matrizes de nanoholes na prática.

Caracterização óptica de células solares em tandem com matriz de nanoholes. a Espectro de absorção versus altura em P fixo =500 nm e η =0,5. b A visão ampliada dos espectros de absorção varia de 800 a 1100 nm. c Densidade atual versus altura em P fixo =500 nm e η =0,5

Como princípio geral, quando a onda de luz entra na estrutura de interface das células solares em tandem, os efeitos de espalhamento e emissão aparecerão. O espalhamento da onda de luz causado pela estrutura da matriz de nanoholes irá alongar o caminho de propagação dos fótons. A fim de analisar melhor a absorção de luz de células solares em tandem de perovskita / Si com matriz de nanoholes, os experimentos simulados escolheram a distribuição de intensidade de campo elétrico em seção transversal \ ((| E | ^ {2}) \) a 500 nm, 600 nm , 700 nm, 800 nm, 900 nm e 1000 nm de comprimento de onda, enquanto a altura é designada para ser fixada como o valor de h permanece em 900 nm, que também é mostrado na Fig. 5. O perfil espacial de absorção óptica por unidade de volume em x - z plano pode ser dividido em três partes, que são perovskita, matriz de nanoholes e substrato de silício. Na parte da matriz de nanoholes, o silício estruturado é espaçado com o TiO ₂ nanoholes preenchidos, que são marcados por linha tracejada na Fig. 5a.

Distribuição da intensidade do campo elétrico de células solares em tandem em altura fixa de 900 nm a comprimento de onda a 500 nm, b comprimento de onda a 600 nm, c comprimento de onda a 700 nm, d comprimento de onda a 800 nm, e comprimento de onda em 900 nm e f comprimento de onda em 1000 nm

A Figura 5a, b sugere que a célula superior pode dominar a absorção de comprimentos de onda curtos (<600 nm); no entanto, o efeito anti-reflexo produzido pelo arranjo de nanoholes sob o comprimento de onda de 600 nm parece ser melhor comparado do que sob o comprimento de onda de 500 nm. No entanto, devido ao menor coeficiente de absorção do silício, sua absorção no comprimento de onda médio (500–600 nm) é menor do que a da estrutura plana. Também graças à existência de nanoholes periódicos, um óbvio efeito de interferência na camada superior de perovskita também pode ser observado, o que significa que a reflexão da luz em 700 nm e 800 nm poderia voltar para as células superiores e aumentar sua absorção.

Desde que a perovskita tenha uma borda de absorção afiada em 850 nm, e então, o comprimento de onda em 900 nm e 1000 nm será transmitido e principalmente absorvido pelas células do fundo, como mostrado na Fig. 5e, f. Com o enchimento de TiO ₂ na matriz de nanoholes de silício, a diferença de distribuição periódica do índice de refração leva às células inferiores destina-se a apoiar os modos de condução que estão localizados no campo eletromagnético perto dos tandens, e o acoplamento de luz incidente com esses modos de condução leva a um aumento proeminente em absorção. Para ilustrar a viabilidade dessa abordagem, quatro casos diferentes foram simulados para conduzir análises sob diferentes alturas de arranjo de nanoholes. Todas essas absorções têm os mesmos parâmetros de matriz de nanoholes como η =0,5 e P =500 nm, e sua luz de comprimento de onda incidente é fixada em 900 nm, como mostrado na Fig. 6. A interação da interação dos modos guiados suportados é significativamente aumentada ao longo com o aumento da altura dos nanoholes.

Distribuição da intensidade do campo elétrico a 900 nm de células solares em tandem com matriz de nanoholes versus altura a h =100 nm, b h =300 nm, c h =600 nm, d h =900 nm

Conclusões

Em resumo, este artigo estudou a combinação de células solares em tandem de perovskita / silício com a matriz de nanoholes como uma maneira prática de um dispositivo alcançar um dispositivo em tandem de alta eficiência. Descobrimos que se um conjunto otimizado de nanoholes array η =0,5 e P =500 nm aumenta a partir do valor de 14,53 mA / cm ² a 15,68 mA / cm ² quando a profundidade da matriz é inferior a 300 nm, tal dispositivo pode servir como uma premissa para alta eficiência. Em seguida, através da introdução da matriz de nanoholes preenchida com TiO ₂ , provamos ainda que o modo de absorção de luz das células em tandem mudaria para um modo misto com vários modos de absorção de luz. A redução seletiva no comprimento de onda curto leva à diminuição na absorção de fótons de comprimento de onda curto; no entanto, a interferência que gerou a captura de luz na célula superior e a captura de luz guiada por índice na célula inferior podem funcionar como aumentar significativamente a absorção seletiva do tandem. Os resultados experimentais acima provaram que é uma forma promissora de melhorar a absorção de células solares tandem perovskita / silício.

Disponibilidade de dados e materiais

As conclusões feitas neste manuscrito são baseadas nos dados (texto principal e figuras) apresentados e mostrados neste artigo.

Abreviações

FDTD:: Domínio do tempo de diferença finita

Nanocompósitos de poli (N-isopropilacrilamida) -pirrol com luz quase infravermelha disparada termicamente para terapia quimio-fototérmica do câncer Dispositivo LVTSCR robusto e imune a travamento com um PMOSFET incorporado para proteção ESD em um processo CMOS de 28 nm

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias