Absorción de luz mejorada con plasmón en (p-i-n) células solares de nanocables GaAs de unión:un estudio de método de simulación FDTD

Resultados y discusión

La elección óptima de la geometría NW o la relación entre el diámetro del relleno y la periodicidad ( D / P ratio) permite una absorción altamente eficiente de la célula solar. Por lo tanto, optimizamos la D / P relación del NW mediante simulación óptica para lograr las mejores características de absorción óptica en una celda solar de matriz de nanocables de GaAs con p - yo - n unión. La Figura 2 muestra la potencia absorbida total de un nanoalambre de GaAs desnudo con una longitud ( L =1 µm) y diámetro ( D =100 nm), con diferente periodicidad entre 165 y 500 nm y relación de aspecto entre 0,6 y 0,2. En la Fig. 2, se puede ver que para longitudes de onda de 300 a 600 nm, la eficiencia de absorción de los NW se mantiene por encima del 90% en todas las simulaciones independientemente del NW D / P relación, que es mucho más alta que la de las películas delgadas de material. Para el NW D / P relación de 0,2 (línea continua), se produce una fuerte disminución en la absorción para las energías de los fotones más pequeñas que la banda prohibida correspondiente para los GaAs NW desnudos. Por encima de 600 nm hasta la longitud de onda cercana a la banda prohibida, la Fig. 2 muestra que la absorción del NW está fuertemente influenciada por el aumento de D / P proporción. El mejor espectro de absorción se obtuvo a D / P relación de 0,6 (círculos huecos). A medida que la periodicidad NW disminuye con el aumento de D / P relación, la Fig.2 muestra que el efecto de captura de luz de los NW disminuye drásticamente en la longitud de onda cercana a la banda prohibida para NW D más bajos / P ratios. Se ha demostrado en la literatura que la D / P ratio juega un papel importante en la absorción de GaAs NWs [34, 35]. Los cálculos de FDTD revelan que la absorción óptica de NW es sensible a parámetros geométricos como el diámetro NW, la longitud y D más grande / P proporción. Sin embargo, en combinación con NP de metal, la absorción de NW con una D más baja / P La relación en la longitud de onda cercana a la banda prohibida mejora más significativamente que con un NW D más alto / P proporción. Motivados por esta observación, realizamos simulaciones ópticas para nuestras estructuras de GaAs NW incorporadas con diferentes tamaños de NP en D más pequeños / P proporciones de 0,2 y 0,3, respectivamente. Como ejemplo típico, la Fig. 3 muestra la potencia de absorción total calculada para GaAs NW a D / P relación de 0,2 incorporada con diferentes diámetros de Au-NP de 30 nm (puntos rellenos), 40 nm (cuadrados rellenos), 50 nm (triángulos rellenos) y 60 nm (círculos huecos), respectivamente. A modo de comparación, también se traza la absorción del NW desnudo (línea continua). De la Fig. 3, se puede deducir que cuando se introducen las NP de Au, una mejora del campo NP dependiente del tamaño dentro del NW está bien establecida. Esto probablemente se deba al acoplamiento resonante de los electrones de conducción libre, denominados plasmones, que conduce a una absorción mejorada dentro del NW. Descubrimos que a medida que aumenta el tamaño de los NP incorporados, la absorción de NW se mejora de manera efectiva, más significativamente en la longitud de onda de la luz por encima del borde de corte desde 650 nm hasta la longitud de onda cercana a la banda prohibida de 800 nm. La mejor absorción dentro del NW se logra cuando se incorpora un diámetro de NP de Au de 60 nm. Por otro lado, a longitudes de onda cortas de 300 a 400 nm, la simulación muestra una caída modesta en el rendimiento de absorción de casi el 20 al 30% después de la incorporación del rango de tamaño completo de NP de Au. Además, se produce una fuerte disminución en el poder de absorción en las longitudes de onda correspondientes a la resonancia del plasmón de las NP de Au incorporadas (longitudes de onda de 440 a 470 nm). Es probable que esto se deba a las resonancias de plasmones superficiales localizados (LSPR) confinadas dentro de los NP. A continuación, investigamos la distribución del campo dentro del NW en la longitud de onda cercana a la banda prohibida de 800 nm, donde la absorción óptica del NW es efectivamente mejorada por los plasmones de superficie. Comparamos la distribución de luz dentro de la estructura NW antes y después de decorar los NW con los Au NP, como se muestra en la Fig. 4. Esta última muestra una vista superior de la distribución de intensidad 2D en la x - y plano sobre la sección transversal de un GaAs NW obtenido de los monitores superiores de simulación para el campo eléctrico | E | (a) y la potencia absorbida total (b), a la longitud de onda de 800 nm antes y después de la decoración con NP de Au con diámetros de 30, 40, 50 y 60 nm, respectivamente. La barra de color indica la intensidad del campo normalizada al valor máximo. A partir de los resultados, se puede ver que para un tamaño de NP pequeño, el campo eléctrico atrapado pertenece al modo de plasmón superficial localizado de orden bajo, mientras que a medida que aumenta el diámetro de NP, se excita el modo de orden superior. En la Fig.4, se puede ver que el acoplamiento de luz de los NP de Au en el x La dirección en el vecino GaAs NW es fácilmente aparente y más obvia cuando aumenta el tamaño de los NP de Au incorporados. Por el contrario, no se encuentra ningún efecto de mejora de campo y / o acoplamiento de luz en el NW de los NP en el y -dirección. Las oscilaciones colectivas de los NP parecen concentrarse en las direcciones hacia adelante y hacia atrás de los NP más que en el acoplamiento al NO. Cuando el D / P La proporción del relleno NW aumenta a 0,3 (Fig.5) y se incorporan NP de Au con diámetros de 40 nm (círculos rellenos), 50 nm (triángulos rellenos) y 60 nm (círculos huecos), respectivamente, la eficiencia de absorción global del NW permanece por encima del 95% para los diferentes tamaños de NP incorporados. En comparación con la Fig. 3, se observa una ligera disminución en la eficiencia de absorción para las longitudes de onda correspondientes a la resonancia de plasmón de las NP incorporadas en el rango de 440 a 470 nm. A medida que aumenta el tamaño de las NP de Au incorporadas, la absorción de NW se mejora de manera efectiva y, nuevamente, de manera más significativa entre las longitudes de onda de 650 nm, hasta el borde de la banda prohibida de GaAs. Además, la mejor absorción de NW se encuentra cuando se incorpora un diámetro de NP de Au de 60 nm. Los resultados de la simulación en las Figs. 3, 4 y 5 sugieren fuertemente que la incorporación de los NP de Au dentro de los NW conduce a una absorción muy mejorada de los NW de GaAs, incluso en pequeños D / P ratios donde la absorción de los NW desnudos es menor como se esperaba. El LSPR que se produjo en la superficie de los NP de Au es probablemente la fuente principal del campo local mejorado dentro de los NW de GaAs alineados. El LSPR depende en gran medida del tamaño, la forma y las propiedades del material circundante del NP [13]. Para aclarar la absorción NW mejorada con plasmón con más detalle, investigamos la mejora del campo NW de GaAs cuando se decora con un solo NP con un diámetro de 60 nm, que resultó tener los mejores resultados. Establecimos la periodicidad NW en 0.2 y elegimos tres longitudes de onda de luz típicas de 450, 600 y 800 nm. A estas longitudes de onda de luz, la decoración NP probablemente afecta la absorción de NW. Comparamos la distribución de luz dentro de la estructura NW antes y después de la decoración con los NP, como se muestra en la Fig. 6a – h. La Figura 6a muestra una vista lateral de la intensidad del campo eléctrico 2D a una longitud de onda de 450 nm para GaAs NW desnudo calculado por FDTD. Como se puede ver, la distribución de luz del NW desnudo en la Fig. 6a muestra un buen perfil de absorción en la parte superior, media e inferior del NW. Por otro lado, la simulación del GaAs NW incorporado en Au en la Fig. 6b muestra un pequeño efecto sobre la absorción de NW, es decir, la luz incidente apenas se absorbe a lo largo de toda la longitud del NW. El débil E -La distribución de campo dentro del NW indica una absorción de luz deficiente. Además, el campo de luz se concentra más alrededor de los NP de Au que dentro del NO. Esto probablemente se deba al menor coeficiente de extinción del LSPR excitado en el campo cercano [15]. La Figura 6c muestra la distribución de luz para GaAs desnudos a una longitud de onda de 600 nm. La Figura ilustra que la mayor parte de la luz incidente se absorbe en la mitad superior del GaAs NW. Después de la decoración con las NP de Au, la Fig. 6d muestra un perfil de absorción mejorado en comparación con la Fig. 6b. Una pequeña fracción del campo E se distribuye uniformemente con mayor intensidad a lo largo de toda la longitud del NW, con una tendencia a concentrarse en la parte superior del NW. Además, la Fig. 6d muestra que la transferencia de excitación es dominante dentro de las NP. A una longitud de onda de 800 nm, la absorción del NW desnudo muestra una distribución de campo uniforme en la parte superior, media e inferior de todo el NW, como se muestra en la Fig. 6e. Por otro lado, la absorción de NW se mejora mucho después de la decoración con Au-NP, y la intensidad del campo absorbido dentro de GaAs NW permanece casi sin cambios desde la parte superior a la inferior del NW (Fig. 6f). Además, se puede ver fácilmente un campo concentrado alrededor de las NP. La Figura 6g yh muestra la vista superior de la distribución del campo E 2D dentro de GaAs NW a 800 nm, como se muestra en la Figura 6e yf, respectivamente. Dado que nuestro estudio se centra solo en decorar los NW de GaAs con NP de Au, en comparación con los resultados de la literatura publicada [34], nuestros hallazgos indican que los NP metálicos mejoran la absortancia de los NW de GaAs incluso con D más bajos / P relación, es decir, de 0,2. El avance de nuestros resultados es la posibilidad de mejorar aún más la absorción de los NW en longitudes de onda más altas, es decir, 600 y 800 nm.

El rendimiento de absorción total de GaAs NW con diferentes D / P proporciones sin incorporación de nanopartículas de metal Au

La eficiencia de absorción total de GaAs NW con D / P proporciones de 0,2 ( a ) incorporado con diferentes tamaños de Au NP de 30 a 60 nm de diámetro en comparación con el NW desnudo

Vista superior de la distribución de luz 2D; un la potencia absorbida calculada; b el nanocable de GaAs después de la incorporación de los NP de Au de 30, 40, 50 y 60 nm de diámetro calculados por FDTD a la longitud de onda de la luz de 800 nm en comparación con el GaAs NW desnudo

La eficiencia de absorción total de GaAs NW con D / P proporciones de 0,3 incorporadas con diferentes tamaños de Au NP de 40 a 60 nm de diámetro en comparación con el NW desnudo

Vista lateral de la distribución de luz 2D para el nanoalambre de GaAs desnudo en longitudes de onda a 450, c 600 y e 800 nm en comparación con los GaAs NW decorados con 60 NP de Au ( b ), ( d ) y ( f ). Figuras g y h mostrar la vista superior de las Figuras ( e ) y ( f ), respectivamente

Para completar el conjunto de análisis, la potencia absorbida total dentro del GaAs NW se calcula después de decorar el diámetro NP de Au de 60 nm en las tres longitudes de onda de luz de corte de 450, 600 y 800 nm (Fig. 7a-f). Nuevamente, la potencia absorbida total para el NW desnudo en estas tres longitudes de onda de luz se incluye para comparar. De la Fig. 7a-f, se puede concluir que se observa un aumento de la potencia absorbida dentro del NW después de la decoración de los NP de Au, especialmente en las longitudes de onda más altas de 600 y 800 nm, en comparación con el NW de GaAs desnudo. La mejor potencia absorbida se encuentra para el NW decorado con GaAs-Au a una longitud de onda de 800 nm (Fig. 7f). Para este último, la distribución de potencia absorbida se incrementa fuertemente en la mitad superior del GaAs NW, lo cual es consistente con los resultados anteriores en la Fig. 3. La Figura 7g, h muestra la vista superior del 2D E -distribución de campo dentro de GaAs NW a 800 nm, como se muestra en la Fig. 7e, f, respectivamente. Estos hallazgos de simulación indican que la concentración de luz debido a la excitación de LSPR alrededor de Au NP conduce a fotocorrentes localizadas mejoradas en el GaAs NW, lo que les permite servir como antenas de transferencia de energía a nanoescala efectivas para la luz incidente. Para obtener más información sobre la eficiencia de absorción de los nanocables, se calcularon los datos transversales de extinción (absorción + dispersión) de los NW de GaAs antes y después de la decoración con NP de Au de 60 nm. La Figura 8a, b muestra la sección transversal de extinción óptica para nanocables desnudos de GaAs (a) y nanocables decorados con Au (b) bajo iluminación perpendicular. La Figura 8a indica una absorción máxima del NW desnudo a una longitud de onda de aproximadamente 400 nm. Esto último explica bastante bien que los GaAs NW son buenos absorbentes en la región UV del espectro EM. Además, el coeficiente de extinción de la Fig. 8a está dominado por la absorción NW, mientras que la dispersión de la luz es mínima. La Figura 8b muestra la sección transversal de extinción óptica simulada de GaAs NW decorada con NP de Au de 60 nm de diámetro. Como puede verse, la capacidad de captación de luz de GaAs NW muestra dos picos de absorción como sigue:(1) En la región del infrarrojo cercano; la absorción NW ocupa ~ 8% a una longitud de onda de 650 nm. Estos son presumiblemente los LSPR confinados en la pared lateral alrededor del NW; (2) En el campo lejano, la absorción NW ocupa ~ 35% a ~ 800 nm de longitud de onda mientras mantiene un coeficiente de extinción óptica más alto. Comparando las Fig. 8a, b, se puede deducir que la sección transversal óptica aumenta efectivamente. Un aumento de orden de magnitud en la sección transversal óptica es evidente. A continuación, se investiga la eficiencia de generación óptica y fotoconversión de nuestra estructura de células solares antes y después de la decoración con NP. La Figura 9a muestra la eficiencia de la estructura de la célula solar NW con (línea roja) y sin decoración de NP de Au (línea negra) bajo iluminaciones AM 1.5G. Observamos claramente un aumento de la fotocorriente como resultado de la decoración con NP de Au. El voltaje de circuito abierto ( V _oc ) aumenta ligeramente de 0,878 (para NW desnudos) a 0,899 (para NW decorados). Además, la densidad de corriente de cortocircuito ( J _sc ) aumenta drásticamente de 18,9 (para NW desnudos) a 24,3 mA / cm ² (para NW decorados). La Figura 9b muestra una eficiencia de fotoconversión cada vez mayor con el aumento de D / P relación (máximo a 0,6). La Figura muestra que la eficiencia de la fotoconversión aumenta al aumentar D / P ratio hasta valores entre 0,5 y 0,6, por encima del cual se consigue la estabilidad de la eficiencia de fotoconversión. Esto se debe presumiblemente al hecho de que la luz incidente en una banda de longitud de onda completa puede ser absorbida por nanocables de GaAs si el D / P la proporción es lo suficientemente grande. Además, la reflexión aumenta a valores altos de D / P ratios, lo que disminuiría la eficiencia de absorción. En la figura, se puede ver que la eficiencia de la nueva estructura se mejora en un factor de 24 desde el 12,96 al 16,92% cuando el D / P la relación es 0,4. Dado que la eficiencia de la fotoconversión parece estar influenciada por muchos factores, es concebible a partir de nuestros resultados que la mejora en la densidad de la fotocorriente se deba a la incorporación de NP de Au dentro de nuestras estructuras de NW. Este último proporciona un método para mejorar la captura de luz en D inferiores / P proporciones del material de GaAs NW. Nuestro estudio que combina LSPR con matrices de nanocables, los cuales tienen efectos obvios sobre la captura de luz, proporciona información sobre investigaciones adicionales para mejorar la eficiencia solar y puede reducir el costo de las células solares si se optimizan aún más.

Vista lateral de la distribución de potencia de absorción 2D en GaAs desnudos en longitudes de onda a 450, c 600 y 800 nm e en comparación con GaAs NW decorado con NPS ( b ), ( d ) y ( f ). Imágenes g y h mostrar la vista superior de las imágenes ( e ) y ( f ), respectivamente

Las secciones transversales de absorción, dispersión y extinción (absorción + dispersión) para GaAs desnudo NW a bajo iluminación perpendicular y b para NW decorado con 60 NP de Au (máximo 26 NP), respectivamente

un Comparación de I - V características entre NW desnudos y NW con NP de Au de 60 nm; b eficiencia de fotoconversión de NW con diferentes D / P decorado con nanopartículas de Au de 60 nm

Después de la absorción de luz, presentamos tres posibles mecanismos de mejora plasmónica dentro del NW, empleando (1) dispersión de fotones incidentes, (2) transferencia de portador de carga y (3) mejora de campo cercano. Teniendo en cuenta el mecanismo (1), nuestras NP con 60 nm de diámetro tienen un volumen suficientemente grande para dispersar la luz de manera eficiente. Esto se debe a que la intensidad de la luz dispersa varía con la sexta potencia del diámetro de partícula [39]. En este sentido, los NP plasmónicos actúan como nano-reflectores para los fotones incidentes en las direcciones hacia adelante y hacia atrás a través de mecanismos de absorción y reemisión [40]. Esto último conduce a un alargamiento de la trayectoria media de los fotones, lo que da como resultado un aumento de la tasa de atrapamiento de los fotones incidentes. En cuanto al mecanismo (2), en la combinación de semiconductor plasmónico-NW, una barrera de Schottky localizada en la interfaz bloquea la transferencia de electrones del NP al NW y viceversa. Sin embargo, si la energía absorbida de los electrones calientes tras la excitación LSPR de los NP metálicos es suficiente, los electrones pueden superar la barrera y ser inyectados en la banda de conducción del NW. En esta imagen, el mecanismo (2) contribuye a la mejora plasmónica de la absorción de luz dentro del nanoalambre de GaAs alineado verticalmente. Además, la luz incidente se absorbe en un rango espectral adecuado con superposición simultánea de LSPR y la energía de banda prohibida puede activar sustancialmente la excitación de banda prohibida del semiconductor. Desde este punto de vista, se pueden lograr tasas mejoradas de generación de huecos de electrones en el semiconductor NW expuesto al campo eléctrico en el mecanismo (3). Además, la inmovilización de NP de Au en contacto con el semiconductor NW a menudo puede facilitar la separación de carga en la generación del par electrón-hueco, ya que los niveles de Fermi de las NP plasmónicas son mucho más bajos que los de los bordes de la banda de conducción de los semiconductores [41]. . Dado que el mecanismo de inyección de portador caliente requiere que los NP metálicos y el NW estén en contacto definitivo, se ha descubierto que la generación de portadores del semiconductor se ve reforzada por el LSPR del metal incluso bajo aislamiento eléctrico [42,43,44 , 45,46,47,48,49,50]. Se observa un fuerte campo eléctrico en las proximidades de las NP; cuya intensidad es varios órdenes de magnitud mayor que la del campo lejano incidente [41]. Esto último se ha demostrado claramente en un estudio de simulación óptica utilizando el método de dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD) [51].

Conclusiones

En resumen, se presenta una nueva estructura de célula solar mejorada con plasmón basada en una matriz de nanocables de GaAs decorada con nanopartículas de Au. Los resultados de la absorción de GaAs NW se evalúan para el diámetro NW ( D =100 nm), ( L =1 μm) y ( D / P =0,2-0,6). Nuestro cálculo muestra que la mejor potencia absorbida para GaAs NW ocupa ~ 35% a ~ 800 nm de longitud de onda cuando se decora con nanopartículas de Au de 60 nm, que es mucho más alta que la de las películas delgadas. Además, la generación óptica simulada en el nanoalambre de GaAs se concentra en la mitad superior del nanoalambre, dominada por la transferencia de excitación. Se cree que el LSPR que se produce en la superficie de las nanopartículas de Au es la principal fuente del campo local mejorado dentro de los nanocables de GaAs alineados. La luz incidente concentrada conduce a un aumento en la tasa de generación de pares de electrones y huecos dentro de los nanocables, mejorando así la eficiencia general de la célula solar. La estructura explica bastante bien que los nanocables de GaAs son buenos absorbentes en la región UV del espectro EM. Nuestro estudio que combina LSPR con matrices de nanocables proporciona una herramienta interesante para futuras investigaciones a fin de reducir el costo de las células solares.

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