Rendimiento fotovoltaico de células solares de matriz de nanoconos de unión de clavijas con absorción óptica eficaz mejorada

Resumen

Se investiga el rendimiento fotovoltaico de las células solares de matriz de nanoconos de GaAs con unión de clavija axial y radial. En comparación con las matrices de nanocables de cilindro, las matrices de nanoconos no solo mejoran la absorción óptica completa, sino que, lo que es más importante, mejoran la absorción efectiva (absorción en la región de agotamiento). La absorción eficaz mejorada se atribuye al desplazamiento hacia abajo y la extensión de la región de absorción inducida por la parte superior que se contrae, que suprime drásticamente la pérdida de absorción en la región superior altamente dopada y mejora la absorción en la región de agotamiento. Las eficiencias de conversión más altas para las células solares de nanoconos de GaAs axiales y radiales son del 20,1% y el 17,4%, obtenidas en un ángulo de pendiente de 5 ° y 6 °, respectivamente, ambos mucho más altos que sus homólogos de nanocables cilíndricos. Las estructuras nanocónicas son candidatos prometedores para células solares de alta eficiencia.

Antecedentes

Los materiales de baja dimensión, incluidos los puntos cuánticos (QD), los nanocables (NW) y los materiales en capas bidimensionales, son prometedores para las aplicaciones fotovoltaicas debido a sus propiedades únicas [1, 2, 3, 4, 5]. En comparación con sus contrapartes planas, las matrices de nanocables (NW) III-V tienen excelentes propiedades ópticas, como antirreflejos y atrapamiento de luz, mostrando un gran potencial en células solares de alto rendimiento [6,7,8]. Además, el área de huella ultrapequeña de los NW reduce suficientemente el consumo de material y aumenta la tolerancia al desajuste de celosía, lo que permite la realización de células solares de bajo costo con menos material y sustrato más barato [9,10,11,12,13]. La unión de clavijas es la parte clave de una celda solar NW, que absorbe la luz y convierte los fotones en pares de electrones y huecos. De acuerdo con la geometría de la unión de clavijas, las células solares de matriz NW se pueden dividir en células solares de clavija axiales y radiales (o núcleo-carcasa), las cuales han sido ampliamente investigadas. Sin embargo, hasta la fecha, las mejores eficiencias para las células solares de matriz axial y radial III-V NW son 15,3% y 7,43%, respectivamente, todavía mucho más bajas que sus contrapartes planas [14, 15].

Hasta ahora, se han realizado muchos esfuerzos para mejorar el rendimiento de las células solares de matriz NW, incluida principalmente la optimización del diámetro / período ( D / P ) relación, diámetro y longitud, para obtener una mejor absorción óptica de todas las matrices NW [16,17,18,19,20]. Sin embargo, la mejora de la absorción de todas las matrices de NW no conduce necesariamente a un aumento de la eficiencia de conversión final. En cuanto a los arreglos prácticos de pines NW, los fotoportadores generados en la región p (on) se recombinan rápidamente debido a la falta de campo eléctrico incorporado. Por lo tanto, hasta cierto punto, la absorción en la región de agotamiento, o la absorción óptica efectiva, determina directamente la eficiencia final. Sin embargo, para las matrices NW de cilindros típicos, la mayor parte de la luz es absorbida por la parte superior de los NW [16], mientras que la absorción de la región de agotamiento, que generalmente se ubica en el medio, no es suficiente. Particularmente, para arreglos axiales de pines NW, la luz incidente debe pasar a través de la región p (n) antes de ser absorbida por la región de agotamiento, lo que lleva a una gran pérdida de luz.

Una forma posible de mejorar la absorción óptica efectiva de las matrices de NW es modular la geometría de NW. Por ejemplo, se ha informado que la célula solar de matriz NW axial con pasador inclinado mejora la absorción de la región de agotamiento al reducir la absorción de la región p (on) superior [21]. Sin embargo, en la práctica, la D / P La relación debe ser mucho más baja que las matrices verticales NW para evitar el cruce de NW adyacentes, lo que limita la eficiencia de conversión. Se espera que los NW ahusados, o nanoconas, mejoren la absorción óptica efectiva ya que la luz incidente puede ser absorbida directamente por la región de agotamiento sin pasar por la región superior. Hasta la fecha, las nanoconas con diferentes ángulos de pendiente y relaciones de aspecto se han fabricado mediante métodos sin catalizador de vapor-líquido-sólido y autoensamblados catalizados con Au [22,23,24,25], y las propiedades de absorción óptica también se han simulado [26, 27]. En las células solares prácticas, la influencia del dopaje en el transporte y las propiedades ópticas no puede ignorarse, y la recombinación radiativa, Auger y Shockley-Read-Hall (SRH) también juega un papel importante en la conversión fotoeléctrica. Sin embargo, hasta donde sabemos, el rendimiento fotovoltaico de las células solares nanocone p (i) n teniendo en cuenta los factores antes mencionados aún no se ha estudiado en detalle.

En este artículo, se presenta una simulación optoelectrónica tridimensional (3D) acoplada para investigar el rendimiento fotovoltaico de las células solares nanocónicas de GaAs de unión de clavija axial y radial. Las propiedades de absorción óptica se investigaron utilizando el dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD). Los perfiles de fotogeneración se incorporaron luego a las simulaciones eléctricas para realizar el cálculo de las características de densidad de corriente versus voltaje (J-V) utilizando el método de elementos finitos (FEM). La movilidad dependiente del dopaje, el estrechamiento de la banda prohibida y la recombinación radiativa, Auger y SRH se tomaron en consideración en las simulaciones eléctricas. Las eficiencias más altas para las células solares nanocónicas de unión de clavijas axiales y radiales son del 20,1% y el 17,4%, respectivamente, mucho más altas que sus homólogas de cilindro NW. Se discute el mecanismo de mejora de la eficiencia.

Métodos

El modelo de matriz de nanoconos de GaAs de clavija axial se muestra en la Fig.1, que consta de nanoconos de GaAs de clavija axial periódica con un diámetro D =180 nm, punto P =360 nm y longitud L =2 μm. Tanto las regiones p como las n tienen una longitud de 200 nm y están dopadas uniformemente a 3 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ y 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , respectivamente. El sustrato de GaAs está dopado en n con una concentración de portador de 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ . El diámetro del nanocone se define como el promedio de los diámetros superior e inferior. El ángulo de la pendiente ( θ ) es el ángulo entre la pared lateral y la dirección normal de la superficie inferior (sustrato). En la simulación, el ángulo de la pendiente se cambia de 0 a 5 ° variando los diámetros superior e inferior mientras se mantiene constante el diámetro medio.

El diagrama esquemático de las matrices de nanoconos GaAs de unión de pines axiales

Las propiedades ópticas de la estructura se investigan a través del paquete del módulo Solver Sentaurus Electromagnetic Wave (EMW) [28,29,30]. El tamaño mínimo de celda de la malla FDTD se establece en 5 nm y el número de nodos por longitud de onda es de 20 en todas las direcciones. Al colocar condiciones de contorno periódicas, las simulaciones se pueden realizar en una sola celda unitaria para modelar la estructura de la matriz periódica. Para ahorrar los recursos y el tiempo necesarios para el cálculo, el espesor del sustrato de GaAs se limita a 0,4 μm [21]. Sin embargo, al utilizar una capa de adaptación perfecta (PML) adyacente al sustrato de GaAs, la luz de transmisión se absorbe totalmente, lo que nos permite modelar un sustrato de GaAs semiinfinito [31]. El índice de refracción complejo dependiente de la longitud de onda utilizado para describir las propiedades de dispersión del material de GaAs puede obtenerse del estudio de Levinshtein et al. [32]. La luz incidente desde la parte superior se establece en paralelo al eje NW como se indica en la Fig. 1. Usamos una onda plana definida con valores de intensidad de potencia y longitud de onda de un espectro solar discretizado AM 1.5G con una longitud de onda que varía de 290 a 900 nm (región de absorción típica de GaAs) para modelar la luz solar [33]. La generación óptica total con iluminación AM 1,5G puede modelarse superponiendo las tasas de generación óptica de longitud de onda única ponderadas en potencia [20]. La tasa de generación óptica G _ph se obtiene del vector 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)

donde ħ es la constante de Planck reducida, ω es la frecuencia angular de la luz incidente, E es la intensidad del campo eléctrico en cada punto de la cuadrícula, y ε ″ Es la parte imaginaria de la permitividad. El monitor de reflexión está ubicado sobre la superficie superior del NWA y el monitor de transmisión está ubicado en la superficie inferior del sustrato para calcular la luz absorbida. La cantidad de energía transmitida a través de los monitores de energía se normaliza a la energía de la fuente en cada longitud de onda. La reflectancia R ( λ ) y transmisión T ( λ ) se calculan mediante la siguiente ecuación:

$$ R \ left (\ lambda \ right), T \ left (\ lambda \ right) =0.5 \ int \ mathrm {real} \ left \ {p {\ left (\ lambda \ right)} _ {\ mathrm { monitor}} \ right \} dS / {P} _ {\ mathrm {in}} \ left (\ lambda \ right) $$ (2)

donde P ( λ ) es el vector de Poynting, dS es la superficie normal y P _en ( λ ) es la fuente de energía incidente en cada longitud de onda. El espectro de absorción A ( λ ) de los GaAs NWA viene dado por la siguiente ecuación:

$$ A \ left (\ lambda \ right) =1-R \ left (\ lambda \ right) -T \ left (\ lambda \ right) $$ (3)

Para el modelado eléctrico, los perfiles de generación óptica 3D se incorporan en la malla de elementos finitos de los NW en la herramienta eléctrica, que resuelve las ecuaciones de continuidad del portador junto con la ecuación de Poisson de manera autoconsistente en 3D. La movilidad dependiente del dopaje, el estrechamiento de la banda prohibida y la recombinación radiativa, Auger y SRH se tienen en cuenta en las simulaciones eléctricas del dispositivo. Los parámetros de materiales críticos para las simulaciones de dispositivos se obtienen principalmente del modelo de Levinshtein [32], que se muestra en la Tabla 1.

Resultados y discusión

Células solares de matriz de nanoconos GaAs de unión de pines axiales

La Figura 2a-c muestra la absortancia, reflectancia y transmitancia dependientes de la longitud de onda de las matrices axiales de nanoconos de GaAs con diferentes ángulos de pendiente. En comparación con las matrices de cilindros NW ( θ =0 °), las matrices de nanoconos muestran una reflectancia más baja en todo el rango de longitud de onda, y el fenómeno se vuelve más obvio con el aumento del ángulo de pendiente. La capacidad antirreflectante de las matrices NW se puede atribuir a la baja relación de llenado, que reduce el índice de refracción efectivo y ofrece una buena adaptación de impedancia entre GaAs y aire [7]. Para las matrices de nanoconos con un gran ángulo de pendiente, la proporción de llenado en la parte superior de las matrices es extremadamente baja, lo que lleva a una impedancia casi perfecta con el aire y a una reflexión casi nula. En el rango de longitud de onda corta de 300 a 700 nm, la absortancia aumenta con el aumento del ángulo de pendiente debido a la reflexión suprimida. Sin embargo, la absortancia de la luz de longitud de onda larga cerca de la banda prohibida de GaAs disminuye en pendientes grandes debido a la parte superior de nanoconos muy delgada que no es capaz de soportar modos ópticos. La Figura 2d muestra la integral ponderada AM 1.5G de los espectros de absortancia, reflectancia y transmitancia para diferentes ángulos de pendiente. En ángulos pequeños, la absortancia aumenta al aumentar el ángulo de pendiente debido a la disminución de la reflectancia. Cuando el ángulo de la pendiente supera los 3 °, la absortancia disminuye ligeramente. Esto probablemente se atribuya a la ruta de absorción reducida, ya que la parte superior de nanoconos muy delgada no es capaz de soportar modos de longitud de onda larga. Sin embargo, la absorción total de nanoconas en diferentes ángulos de pendiente (1 ~ 5 °) tiene muy poca diferencia (en el rango de 92 ~ 93,5%), lo que sugiere que el ángulo de pendiente tiene poca influencia en la absorción total de nanoconos. Alternativamente, se cree que el ángulo de pendiente tiene un fuerte impacto sobre la absorción en la región intrínseca, que domina la eficiencia de conversión fotoeléctrica. Esto se discutirá en detalle en la siguiente parte.

un Absorción, b reflectancia y c transmitancia de las matrices de nanoconos GaAs de unión de pines axiales con D / P =0.5 y D =0,18 µm. d La integral ponderada en AM1.5G de la absortancia, reflectancia y transmitancia de las matrices de nanoconos axiales con diferentes ángulos de pendiente

Los perfiles de generación óptica total de las matrices axiales de nanoconos GaAs bajo iluminación AM 1,5G se muestran en la Fig. 3a. Se puede ver que en θ =0 °, la mayoría de los fotones absorbidos se concentran en la parte superior del cilindro NW. Debido a la alta concentración de dopaje y la falta de campo eléctrico incorporado para la separación de pares de agujeros de electrones [34,35,36,37], la recombinación de fotoportadores en la región p superior es muy alta, lo que resulta en una gran pérdida de luz incidente. Para las matrices de nanoconos, la posición de absorción de fotones se desplaza hacia abajo con el aumento del ángulo de pendiente, lo que conduce a una mejora de la absorción en la i-región. Como se ha informado, la absorción de luz de NW está dominada por los modos resonantes, que están estrechamente relacionados con el diámetro NW [37]. Debido a la geometría única de las nanoconas, se pueden admitir pocos modos de longitud de onda larga en la región superior con un diámetro pequeño. Esto está respaldado por la Fig. 3b – g, que presenta los perfiles de generación óptica de nanoconos dependientes de la longitud de onda con un ángulo de pendiente de 0 ~ 5 °. Puede verse que en los cilindros NW, la mayor parte de la absorción se concentra en la región superior para todas las longitudes de onda. Sin embargo, a medida que aumenta el ángulo de pendiente, los modos ópticos, en particular los modos de longitud de onda más larga, se desplazan hacia abajo a una región más gruesa. Por lo tanto, el aumento del ángulo de pendiente no solo conduce a una mejora de la absorción en la región i media, sino que también da como resultado una reducción de la absorción en la región superior. Esto puede explicar por qué la matriz de nanoconos con un ángulo de pendiente media de 3 ° tiene la absorción total alta como se muestra en la Fig. 3e, ya que la absorción tanto en la región p superior como en las regiones intrínsecas medias es relativamente fuerte en ese ángulo. Se cree que el cambio hacia abajo de la absorción juega un papel crítico en la mejora del rendimiento del dispositivo, ya que no solo suprime la pérdida de absorción en la región p superior, sino que también mejora la absorción en la región i media.

un Los perfiles de generación óptica total de los nanoconos de pines axiales. b - g Perfiles de generación óptica dependientes de la longitud de onda de matrices de nanoconos en θ =0 ~ 5 °

Los espectros de absorción de la región i se representan en la Fig. 4a. En la región de longitud de onda corta, a medida que el diámetro de la región p se contrae con el aumento del ángulo de pendiente, tanto el volumen de la región p como la potencia lumínica que puede confinarse en el nanocone disminuyen, lo que conduce a una absorción insuficiente en la región p y a una alta absortancia. en la i-región. En la región de longitud de onda larga, la región de absorción se extiende hacia la región n inferior en nanoconas en un ángulo de inclinación grande, lo que resulta en una absortancia disminuida en la región i. La Figura 4b muestra la integral de los espectros de absorción en la región i. La absortancia de cada longitud de onda está ponderada por el espectro AM 1.5G. Se puede ver que la absorción en la i-región aumenta drásticamente al aumentar el ángulo de pendiente, lo que indica una absorción efectiva mejorada que se espera que mejore la eficiencia de conversión.

un Espectros de absorción dependientes de la longitud de onda de la i-región. b Integral ponderada en AM1.5G de los espectros de absorción de la i-región en a

Los perfiles de fotogeneración se incorporan a la herramienta eléctrica [35] para estudiar el rendimiento fotovoltaico de la célula solar de matriz de nanoconos de unión de clavija axial. La Figura 5a muestra las características de corriente-voltaje en diferentes ángulos de pendiente. En comparación con las matrices de cilindros NW, una densidad de corriente de cortocircuito mucho mayor ( J _sc ) se obtiene en células solares de matriz de nanoconos. En θ =5 °, el dispositivo produce una J _sc de 30,1 mA / cm ² (7,3 mA / cm ² más alto que el cilindro uno) y V _oc de 0,885 V, lo que da como resultado una alta eficiencia de conversión fotoeléctrica ( η ) de 20,1% (4,8% superior a la del cilindro). La Figura 5b traza la dependencia de la eficiencia de conversión del ángulo de pendiente. A medida que el ángulo de pendiente aumenta de 0 a 5 °, la eficiencia de conversión aumenta monótonamente de 15,3 a 20,1%. Como se mencionó anteriormente, la absorción de todas las matrices de nanoconas se satura en θ =2 °, lo que sugiere que la mejora de la eficiencia en un gran ángulo de pendiente no se debe a la mejora de la absorción de todas las matrices de nanoconos. En cambio, la tendencia de la eficiencia de conversión está muy de acuerdo con la absorción en la i-región que se muestra en la Fig. 4b, lo que demuestra que la eficiencia de conversión está dominada por la absorción óptica efectiva en la i-región.

un Curvas de corriente-voltaje de células solares de matriz de nanoconos de unión axial p (i) n con diferentes ángulos de pendiente. b Eficiencia de conversión fotoeléctrica de células solares de matriz de nanoconos de unión axial p (i) n con diferentes ángulos de pendiente

Células solares de matriz de nanoconos GaAs de unión de clavija radial

El modelo de matriz de nanoconos GaAs de unión de pasador radial se muestra en la Fig.6, que consta de nanoconos de GaAs de pasador radial periódicos con un diámetro D =360 nm, punto P =720 nm y longitud L =2 μm. El grosor de la i-región es de 10 nm y el radio del núcleo es igual al grosor de la carcasa. Las concentraciones de dopaje del núcleo de tipo ny la carcasa de tipo p se establecen para que sean las mismas que las de las nanocononas axiales. El ángulo de la pendiente se cambia de 0 a 10 ° variando el diámetro inferior y superior mientras se mantiene constante el diámetro promedio.

El diagrama esquemático de las matrices de nanoconos GaAs de unión de clavija radial

La absorbancia, reflectancia y transmitancia dependientes de la longitud de onda de las matrices de nanoconos de GaAs radiales con diferentes ángulos de pendiente se muestran en la figura 7a-c. Al igual que las estructuras axiales, los nanocons radiales muestran una menor reflectancia en todo el rango de longitud de onda en comparación con los NW del cilindro radial ( θ =0 °), y este fenómeno se vuelve más obvio con el aumento del ángulo de pendiente. En la Fig. 7a, se puede ver que en el rango de longitud de onda corta de 300 a 700 nm, la absortancia aumenta con el aumento del ángulo de pendiente debido a la supresión de la reflectancia. Mientras que en ángulos de pendiente grandes, la parte superior del nanocone es demasiado delgada para soportar modos de longitud de onda larga, lo que resulta en una disminución de la absortancia. La Figura 7d muestra la integral ponderada AM 1.5G de los espectros de absortancia, reflectancia y transmitancia para diferentes ángulos de pendiente. Se puede ver que a medida que aumenta el ángulo de la pendiente, la absorción muestra una tendencia general ascendente con ligeras fluctuaciones, lo que sugiere excelentes propiedades de absorción para las estructuras nanocónicas.

un Absorción, b reflectancia y c transmitancia de la matriz de nanoconos GaAs de unión de clavija radial con D / P =0.5 y D =0,36 µm. d La integral ponderada en AM1.5G de la absortancia, reflectancia y transmitancia de la matriz de nanoconos radiales con diferentes ángulos de pendiente

La Figura 8 muestra los perfiles de generación óptica total de las matrices de nanoconos radiales de GaAs bajo iluminación AM 1.5G. Al igual que en las matrices axiales, la mayoría de los fotones se concentran en la parte superior de los cilindros NW. A medida que el ángulo de la pendiente aumenta gradualmente, la absorción se desplaza hacia abajo. Como el tubo de la i-región en la unión radial penetra en todo el NO, el desplazamiento hacia abajo de la absorción no puede conducir directamente a una mejora de la absorción como la de la unión del pasador axial. Sin embargo, junto con el desplazamiento hacia abajo de la absorción, la longitud de absorción también se extiende, dando como resultado una superposición mejorada entre la absorción de luz y la i-región. Por lo tanto, también se cree que se mejora la absorción efectiva.

Los perfiles de generación óptica de las matrices de nanoconos de clavija radial con diferentes ángulos de pendiente

Las características de corriente-voltaje de las células solares nanocónicas radiales se muestran en la Fig. 9a. En comparación con la celda solar de matriz NW del cilindro, mucho más J _sc se logra en células solares de matriz de nanoconos. En θ ≥ 6 °, todas las J _sc supere los 25 mA / cm ² , por el contrario, el J _sc es 17,4 mA / cm ² en θ =0 °. La figura 9 (b) muestra la dependencia de la eficiencia de conversión del ángulo de pendiente. En ángulos de pendiente pequeños, la eficiencia aumenta monótonamente con el ángulo de pendiente y alcanza un valor máximo de 17,4% en θ =6 °, 6.4% más alto que la contraparte del cilindro. Cuando el ángulo aumenta aún más, la eficiencia se satura e incluso disminuye ligeramente. Esto probablemente se atribuya a la competencia entre la absorción de las i-regiones superior e intermedia. En un ángulo de pendiente grande, la parte superior de los nanoconos es demasiado delgada para soportar modos de longitud de onda larga. Aunque la absorción de la parte de la i-región media aumenta debido al cambio hacia abajo de la absorción, la absorción en la parte de la i-región superior disminuye, compensando el incremento de absorción en la i-región media.

un Curvas de corriente-voltaje de células solares de matriz de nanoconos de unión de clavija radial con diferentes ángulos de pendiente. b Dependencia de la eficiencia de conversión del ángulo de pendiente

Conclusiones

En resumen, hemos estudiado el rendimiento fotovoltaico de células solares de matriz de nanoconos GaAs de unión de clavija axial y radial mediante una simulación optoelectrónica 3D acoplada. Los resultados muestran que la absorción en la matriz de nanocones se desplaza hacia abajo debido a la contracción del diámetro superior, lo que suprime drásticamente la pérdida de absorción en la región superior altamente dopada y mejora la absorción en la región de agotamiento. Las eficiencias de conversión más altas para las células solares nanocónicas de GaAs axiales y radiales son del 20,1% y el 17,4%, obtenidas en un ángulo de pendiente de 5 ° y 6 °, respectivamente, las cuales son mucho más altas que sus homólogas cilíndricas NW. Las estructuras nanocónicas son candidatos prometedores para células solares de alta eficiencia.

Abreviaturas

3D:: Tridimensional
D / P :: Diámetro / período
EMW:: Onda electromagnética de Sentaurus
FDTD:: Dominio del tiempo de diferencia finita
FEM:: Método de elementos finitos
NW:: Nanocable
PML:: Capa de combinación perfecta
SRH:: Shockley-Read-Hall

Una capa intermedia funcional PPy / ZnO para mejorar el rendimiento electroquímico de las baterías de litio / azufre Una bomba de agua nanométrica inducida por el movimiento browniano y no browniano de una hoja de grafeno en una superficie de membrana

Nanomateriales

Materiales poliméricos

Biologicos

Teñir

Especias