Diseño fotónico y evaluación eléctrica de células solares de doble función para aplicaciones de visualización y conversión de energía

Resultados y discusión

En la Fig. 1 se muestra el diagrama esquemático del a-Si:H SC de color controlado propuesto. De arriba a abajo, consta de capas ARC, pila DBR, capa amortiguadora y a-Si:H SC. Aquí, el espesor de la capa activa a-Si:H es de 500 nm, que contiene una zona de dopaje de tipo n (tipo p) de 30 nm (50 nm). El material del electrodo trasero (delantero) para el transporte de electrones (huecos) es ZnO (ITO) con un espesor de 100 nm (20 nm). La capa amortiguadora está compuesta de TiO ₂ de 55 nm para reducir el reflejo de la luz [24] y mejorar la pureza del color. El DBR se compone de 6 pares de ZnS / ZnO con el espesor de un cuarto de onda para cada capa. De hecho, la reflectividad y el ancho espectral juegan un papel muy importante en la determinación de la calidad del color. La reflectividad ( R ) de DBR se puede predicar analíticamente utilizando la siguiente ecuación [25]:

donde n ₀ , n ₁ , n ₂ y n _s son los índices de refracción del aire, las dos capas DBR y el sustrato, respectivamente; N es el número de pares DBR. El ancho de banda de reflectancia (∆λ ₀ ) es [25]:

donde λ ₀ es la longitud de onda central de DBR. Se observa que al aumentar la diferencia de n ₁ y n ₂ , R está aumentando (es decir, el brillo de color aumentado), pero ∆λ ₀ y la saturación del color se reducen. En consecuencia, una diferencia relativamente pequeña de n ₁ y n ₂ junto con un N relativamente grande se utiliza para asegurar una alta saturación para presentar la alta pureza y brillo del color.

Diagrama esquemático de los a-Si:H SC con control de color propuestos (izquierda) y la configuración detallada del dispositivo (derecha)

De acuerdo con la óptica de película delgada, los espesores de DBR deben diseñarse cuidadosamente para mostrar los colores RGB localizados de manera diferente en la banda visible. Aquí, excluyendo los SC, primero examinamos la capacidad de control del espectro de reflexión DBR para la visualización RGB. La Figura 2a muestra los espectros de reflexión de los DBR en diseños RGB, con la estructura y los espesores de película correspondientes que se muestran en la Figura 2b. Se encuentra que las reflexiones tienen un pico en λ ₀ =625, 520 y 445 nm, respectivamente, que coinciden bien con los centros RGB. Además, los reflejos puntiagudos son lo suficientemente fuertes (es decir, 74,82%, 72,1% y 76,31%) para garantizar el brillo de visualización. De hecho, para DBR, existen algunas ondas laterales fuera de la banda prohibida. Estas ondas son perjudiciales para lograr la alta pureza del color [26]. La Figura 2a verifica la existencia de tales ondas laterales.

Respuestas ópticas de DBR y RGB a-Si:H SC. un Espectros de reflexión DBR dirigidos a la pantalla RGB. b Parámetros estructurales y materiales del DBR diseñado. Espectros de reflectividad ( c ) y las coordenadas de cromaticidad CIE 1931 ( d ) de los SC a-Si:H con RGB DBR encima. Espectros de reflectancia ( e ) y las coordenadas de cromaticidad CIE 1931 ( f ) de los a-Si:H SC diseñados con control de color. La gama de colores estándar sRGB se inserta en ( f ) para comparar

Por encima de RGB, los DBR ahora están integrados con los a-Si:H SC, es decir, RGB-DBR (arriba) + SC (abajo). Los espectros de reflexión de los sistemas SC combinados que apuntan a la pantalla RGB se muestran en la Fig. 2c. En primer lugar, se observa que las longitudes de onda centrales con la incorporación de SC se han desplazado ligeramente hacia el rojo (de 625, 520 y 445 nm a 633, 528 y 453 nm para las células R, G y B, respectivamente); además, los picos de reflexión también se incrementan a 87,66%, 82,52% y 79,44%, respectivamente. Esto es razonable ya que la inclusión del SC debajo del DBR cambió la configuración del sistema y modificó la situación de resonancia. A pesar de eso, el efecto anterior es relativamente débil sin afectar la calidad de visualización. Sin embargo, existe de hecho un ingrediente clave que degrada fuertemente la pureza del color, es decir, las ondas laterales mucho más intensas que surgen del aumento de reflectancias en las interfaces del SC. La Figura 2d muestra las coordenadas de cromaticidad de la Commission Internationale de L’Eclairage (CIE) de 1931 para estos sistemas SC combinados. Para las aplicaciones de visualización de patrones, cuanto mayor es el espacio de color, más elementos de color contiene y mejor se muestra [27]. Cuando los colores primarios se cierran al límite en forma de lengua, se puede obtener el espacio de color más grande. Sin embargo, la figura 2d muestra que los RGB conseguidos están relativamente lejos del límite; por lo tanto, necesitamos disminuir aún más el ancho de banda de reflexión y eliminar las ondas laterales.

Para mejorar el rendimiento RGB, presentamos aún más los ARC de doble capa (MgF ₂ y SnO ₂ ) junto con una capa amortiguadora (TiO ₂ ). Los ARC se configuran en la parte superior de DBR y la capa de amortiguación está intercalada por DBR y a-Si:H SC como se muestra en la Fig. 1. Según la óptica de película delgada, el espesor de los ARC se puede controlar mediante [28]:

donde n ₀ , n _t , n _b y n _s son los índices de refracción del aire, la capa superior, la capa inferior y el sustrato, respectivamente; d _t y d _b son los espesores de las capas superior e inferior, respectivamente. En la Fig. 2e se representan los espectros de reflexión de los a-Si:H SC diseñados con control de color con ARC, DBR y capa tampón. Es distinto que (1) las longitudes de onda máximas son 625, 515 y 445 nm, cercanas a las de los DBR independientes; (2) los anchos de banda resonantes se reducen considerablemente para la celda con colores RGB; (3) las ondas laterales se suprimen drásticamente, incluso en comparación con los resultados de los DBR solos que se muestran en la Fig. 2a. Como era de esperar, después de introducir los ARC y las capas de amortiguación, se cambiaron las diferencias de trayectoria óptica, variando la situación de resonancia. Como resultado, se mejoran las longitudes de onda centrales, el ancho de banda de reflexión y las ondas laterales del sistema. Por lo tanto, los diseños fotónicos avanzados conducen al color deseado con una calidad de color muy mejorada, como lo demuestran las coordenadas de cromaticidad CIE 1931 en la Fig. 2f. En comparación con el sRGB, las diferencias de color entre el RGB diseñado y el sRGB son las siguientes:ΔE _R =16.8 para rojo, ΔE _G =47,6 para verde y ΔE _B =41,7 para el azul. A pesar de que las diferencias de color muestran un ligero cambio entre el diseño RGB y el sRGB que percibe el observador, el espacio de color de nuestro diseño es comparable al del sRGB. Por ejemplo, los espacios de color RGB son aproximadamente iguales al 52,7% (72%) de los espacios de color de la Comisión Nacional del Sistema de Televisión (NTSC) para los sistemas diseñado y estándar, respectivamente.

Hasta ahora, hemos diseñado con éxito los a-Si:H SC con una estrategia óptica avanzada de película delgada. Sin embargo, para tal función de visualización, la respuesta eléctrica de los SC se verá afectada inevitablemente. Por lo tanto, es necesario examinar la respuesta optoelectrónica detallada de los a-Si:H SC controlados por color. En los últimos años, hemos realizado estudios exhaustivos sobre las simulaciones a nivel de dispositivo de SC basados ​​en semiconductores, incluida la simulación optoelectrónica con direccionamiento de las respuestas de transporte electromagnético y de portadora [17, 18], así como la simulación optoeléctrica térmica avanzada de SC [19]. Se han explorado los SC basados ​​en (1) varios materiales (por ejemplo, Si, GaAs y a-Si:H) y (2) varias nanoestructuras (por ejemplo, nanocables simples, nanotexturas y uniones dobles) para encontrar la formas de controlar los comportamientos multifísicos intrínsecos dentro de los SC y mejorar las eficiencias de fotoconversión [20, 21, 22]. Por lo tanto, la respuesta optoelectrónica de los a-Si:H SC especialmente diseñados que se presentan en este documento se puede obtener fácilmente realizando la correspondiente simulación optoelectrónica.

La Figura 3a-c muestra la absorción ( A ) y espectros EQE de los SC RGB con iluminación AM1.5. En primer lugar, se muestra que los espectros de absorción muestran caídas aparentes en longitudes de onda específicas correspondientes a los picos de reflexión para los colores R, G y B, respectivamente. Esto se debe a que la función de visualización de colores requiere los reflejos de luz específicos en la banda visible; por lo tanto, la absorción óptica ( A ) y la respuesta eléctrica (EQE) de los SC se verá afectada inevitablemente, lo que provocará una diferencia sustancial en EQE y A para SC rojos, verdes y azules. Además, en la banda de longitud de onda de menos de 380 nm, podemos ver que la luz es absorbida casi totalmente por la capa superior de ITO; por lo tanto, la absorción y la EQE correspondientes son cercanas a cero. A pesar de eso, la absorción general del dispositivo es lo suficientemente buena como para mostrar el pico A más del 80%. En segundo lugar, dado que en este estudio se considera a-Si:H SC, el efecto de recombinación de portadores existe casi en toda la banda espectral válida (porque la capa activa es muy delgada) de modo que el EQE es siempre menor que A . Las correspondientes características de corriente-voltaje ( J - V curvas) se trazan en la Fig. 3d, donde el recuadro muestra la densidad de corriente de cortocircuito detallada ( J _SC ), voltaje de circuito abierto ( V _OC ), factor de relleno (FF) y eficiencia de fotoconversión (Eff) para las celdas RGB. A modo de comparación, un a-Si:H SC convencional con un SiO ₂ de 100 nm Se utiliza una capa anti-reflejo y muestra una eficiencia ~ 7.59%, que es similar al informe de Anderson et al. [16, 29]. Se encuentra que el diseño RGB no afecta obviamente al V oc y FF. Se reconoce que el V _OC y FF del SC se determinan principalmente por las propiedades intrínsecas del material (por ejemplo, banda prohibida), concentración de dopaje de la capa activa y configuración del dispositivo; por lo tanto, el diseño RGB afecta la absorción, en lugar de la V _OC y FF. Como era de esperar, los SC de color muestran la disminución de la eficiencia debido al propósito de mostrar el color. Más detalladamente, el SC de color azul tiene una eficiencia máxima del 6,54%, mientras que el verde del 5,58% y el rojo del 4,88%. El glóbulo rojo muestra la mayor reducción de eficiencia ya que la luz roja reflejada tiene la energía solar más fuerte. Este es un sacrificio razonable para un SC tan multifuncional.

Espectros de absorción y EQE de los a-Si:H SC controlados por color con color a rojo, b verde y c azul. d Curvas IV de los SC a-Si:H diseñados, donde se incluye como referencia el sistema original sin diseño RGB. La tabla insertada muestra la J _SC , V _OC , FF y Eff

Cabe señalar que, si quisiéramos aumentar aún más la eficiencia de conversión de energía, se podría introducir una estructura más compleja. Ópticamente, por ejemplo, (1) se puede usar el efecto de captura de luz (por ejemplo, el TCO con superficie texturizada); (2) la superficie del TCO se puede cubrir con TiO ₂ -Las capas antirreflectantes de ZnO (por ejemplo, mejoran la eficiencia cuántica ~ 10% a 550 nm) [30]. Eléctricamente, (1) se puede utilizar una técnica de deposición química en fase vapor potenciada por plasma (PECVD) con triodo para reducir el efecto de degradación inducido por la luz [31]; (2) nuestra simulación optoelectrónica puede optimizar los comportamientos dinámicos de transporte de la portadora para reducir aún más la recombinación de la portadora y mejorar la producción de electricidad [18]. Además, este principio de diseño también es aplicable a otros tipos de SC (por ejemplo, perovskita, Si cristalino, orgánicos e híbridos) [32]. Por lo tanto, la eficiencia de conversión de energía del SC colorido diseñado podría aumentarse mediante varios medios fotónicos o eléctricos.

A continuación, demostramos la aplicación de los a-Si:H SC en la visualización de patrones y la arquitectura estética. La Figura 4 muestra el logotipo diseñado de la Universidad de Soochow (parte superior izquierda), la parte ampliada del logotipo (parte superior media), la información detallada de la estructura de los diseños RGB (derecha) y los valores RGB correspondientes de siete colores en el logotipo (parte inferior central ). (1) Hay siete elementos de color en el logotipo compuestos por los elementos RGB primarios. (2) Los cuatro círculos son rojos, los vocabularios en la parte inferior del anillo exterior son verdes y los caracteres chinos en la parte superior del anillo exterior son azules directamente de los SC controlados por colores. (3) El fondo presenta un color púrpura en gris, que consiste en contribuciones RGB iguales. El valor RGB en el logotipo representa los tres componentes de rojo, verde y azul. Por ejemplo, para el rojo, cuanto menores sean los valores de verde y azul, mayor será la saturación de color [33]. Por lo tanto, la saturación de los colores rojo y azul es mayor que la del verde, lo que lleva a un mayor número de valores R y B que G en el color de mezcla y hace que sea violeta [34]. (4) Los valores RGB no son lo suficientemente grandes en comparación con el valor máximo de 255, lo que da lugar a un brillo y un color gris bajos. Los caracteres chinos centrales son magenta, que consisten en rojo y azul iguales, como se muestra en la ilustración ampliada en la parte superior derecha de la Fig. 4. (5) La aberración cromática del magenta es más pequeña que los otros colores de mezcla debido a la mejor proporción de componentes RGB. Los “SOOCHOW” (UNIVERSIDAD) son cian (amarillo), compuestos por verde y azul (rojo y verde), respectivamente. Ambos tienen problemas de desequilibrio proporcional RGB y bajo brillo. Aunque hay espacio para mejoras adicionales, el patrón es claro y distinguible en su conjunto.

Logotipo de la Universidad de Soochow, con píxeles compuestos de RGB a-Si:H SC. El recuadro muestra la composición de píxeles microscópicos, los detalles de la estructura de los SC RGB a-Si:H y los valores RGB de los mapas de color mezclados por los tres colores primarios

En aplicaciones prácticas, a diferencia de los SC nanoestructurados, los SC RGB propuestos en configuración plana pueden fabricarse mediante procesos de fabricación comerciales muy maduros [35]. En la parte inferior, hay una celda solar representativa a-Si:H con una estructura p-i-n. En primer lugar, la capa de silicio amorfo de tipo n (na-Si:H) se deposita sobre un sustrato recubierto de TCO (vidrio o plástico) mediante PECVD, silicio amorfo intrínseco (ia-Si:H) y silicio amorfo de tipo p ( Las capas de pa-Si:H) son seguidas por el mismo método. Entonces, el electrodo superior suele ser la capa de TCO, que se deposita mediante pulverización catódica [36]. A continuación, la capa amortiguadora se deposita sobre el a-Si:H SC completo, seguido de la capa alterna de DBR mediante la pulverización catódica con magnetrón [37]. Finalmente, los SC RGB a-Si:H se completan depositando los ARC superiores de doble capa con pulverización catódica de magnetrón. En el proceso de preparación, es posible una variación del espesor del 1 al 5%. Por lo tanto, para investigar el efecto de la variación de los espesores, introducimos una variación aleatoria del espesor (por ejemplo, de - 5% a 5%) para cada capa. Los resultados de la simulación muestran que las diferencias de color (ΔE) van de 1,9 a 11,2 para el rojo, 1,3 a 15,7 para el verde y 0,5 a 2,9 para el azul. Es obvio que los SC azules tienen la mejor tolerancia al efecto de la variación de los espesores. Aunque las diferencias de color para el rojo (verde) es de hasta 11,2 (15,7), los valores medios de las mismas rondan los 4,3 (8). Además, investigamos la variación del espesor (por ejemplo, - 5% y 5%) para cada capa en el Eff de SC, el Eff correspondiente muestra una pequeña variación en el rango de - 0,1% a 0,4% para los SC RGB. Por lo tanto, podemos considerar que la eficiencia de SC es robusta contra la desviación típica de espesores de DBR y ARC en experimentos.

Finalmente, investigamos el efecto del ángulo de incidencia sobre los colores diseñados. La Figura 5a muestra cómo los colores RGB diseñados evolucionan al aumentar el ángulo de incidencia ( θ ). Obviamente, los SC azul y verde tienen mejores tolerancias frente a la incidencia inclinada, en comparación con el rojo cuyo color se ha cambiado de rojo ( θ =0 °) a verde ( θ > 70 °). A modo de comparación, la Fig. 5b muestra los lugares de los colores RGB diseñados en las coordenadas de cromaticidad CIE 1931 con θ en constante aumento . Según el diagrama CIE, la saturación de todos los colores disminuye al aumentar θ , especialmente bajo un gran θ =80 °, donde los colores están muy cerca del punto E (el punto de saturación más bajo). La Figura 5c muestra el logo de la Universidad de Soochow bajo diferentes ángulos de incidencia. El logotipo de destino se compone de siete colores estándar, y cada color tiene el tono, la saturación y el brillo más estándar. El RGB estándar se compone de colores estándar rojo, verde y azul con otros colores generados a partir de sus combinaciones. Ambos se utilizan con fines comparativos. Está claro que el logo es legible incluso bajo grandes ángulos de incidencia; sin embargo, los colores del patrón se han cambiado hasta cierto punto al aumentar el ángulo de incidencia. Esto deja espacio para una mayor optimización en el futuro.

un Las evoluciones de los colores RGB mostradas por los a-Si:H SC diseñados con el ángulo de incidencia. b Las variaciones de las posiciones RGB en CIE 1931 se coordinan con el aumento del ángulo de incidencia. c Los patrones del logotipo que muestra el a-Si:H SC bajo varios ángulos de incidencia (0 °, 30 °, 45 ° y 60 °). En c , el logotipo de destino y el logotipo de RGB estándar se incluyen para la comparación

Conclusiones

En resumen, propusimos los a-Si:H SC de película delgada para la generación de electricidad y la aplicación de visualización simultáneamente para la consideración de BIPV de nuevo tipo. La pantalla RGB básica está controlada por los DBR y el rendimiento del sistema del a-Si:H SC con control de color se optimiza aplicando ARC y capas de búfer. Las estrategias ópticas avanzadas de película fina permiten que el a-Si:H SC exhiba los colores rojo, verde y azul de alta pureza, con un espacio de color comparable al de sRGB. Examinamos más a fondo el rendimiento eléctrico basado en el modelo optoelectrónico de SC controlados por color, que muestra que las eficiencias de conversión de energía pueden ser del 4,88%, 5,58% y 6,54% para las células R, G y B, respectivamente. Las celdas RGB están diseñadas para mostrar con éxito el logotipo de la Universidad de Soochow, que se puede distinguir fácilmente incluso bajo un ángulo de incidencia muy grande. En comparación con los SC nanoestructurados, los SC a-Si:H propuestos en configuración plana pueden fabricarse mediante procesos de fabricación comerciales muy maduros. Aunque solo se invierten SC a-Si:H, como el principio de visualización en color y el sistema de evaluación eléctrica de SC controlados por color se pueden aplicar a otros tipos de SC. Además, dicho panel de color se puede aplicar en las paredes o techos de los edificios modernos para mostrar un patrón, lo que hace que la arquitectura sea estética.

Abreviaturas

A :

Absorción

ARC:

Recubrimientos antirreflejos

BIPV:

Energía fotovoltaica integrada en edificios

CAL:

Capa de ajuste de color

CIE:

Comisión Internacional de L’Eclairage

DBR:

Reflector Bragg distribuido

Ef:

Eficiencia de fotoconversión

EQE:

Eficiencia cuántica externa

FF:

Factor de relleno

F-P:

Fabry-Perot

J sc:

Densidad de corriente de cortocircuito

J - V :

Corriente-voltaje

NTSC:

Comisión del sistema de televisión nacional

PECVD:

Deposición de vapor químico mejorada con plasma

R :

Reflectividad

RCWA:

Análisis riguroso de ondas acopladas

RGB:

Rojo-verde-azul

SC:

Células solares

sRGB:

Estándar rojo-verde-azul

STCPC:

Cristal fotónico selectivamente transparente y conductor

TCO:

Óxido conductor transparente

V oc:

Voltaje de circuito abierto

Dispositivo microfluídico fabricado directamente sobre electrodos serigrafiados para detección electroquímica ultrasensible de PSA Aumento de capacidad inducido por ciclos de aerogel de grafeno / ánodo compuesto de nanomembrana de ZnO fabricado por deposición de capa atómica