Diseño de nanohilos InP para cosecha solar superior

Resumen

Las celdas solares basadas en arrays de nanohilos (NW) semiconductor de dimensiones sub-longitud de onda prometen rendimiento comparable o mejor que sus contrapartes planas al aprovechar ventajas de fuerte acoplamiento luz y trampa luz. En este artículo, presentamos un diseño analítico preciso y ahorro tiempo para parámetros geométricos óptimos de nanohilos InP alineados verticalmente para absorción máxima energía solar. Densidades corriente cortocircuito se calculan para cada array NW con diferentes dimensiones geométricas bajo iluminación solar. Dimensiones geométricas óptimas se presentan cuantitativamente para arrays NW de diámetro simple, doble y múltiple dispuestos tanto cuadrada como hexagonalmente logrando máxima densidad corriente cortocircuito de 33,13 mA/cm². Al mismo tiempo, simulaciones numéricas intensivas finite-difference time-domain (FDTD) investigan los mismos arrays NW para máxima absorción luz. Comparado con simulaciones consumidoras tiempo y resultados experimentales, las densidades corriente cortocircuito máximas predichas tienen tolerancias debajo 2,2% para todos casos. Estos resultados demuestran inequívocamente que este método analítico proporciona ruta rápida y precisa para guiar diseño celdas solares basadas en nanohilos InP de alto rendimiento.

Introducción

Para celdas solares futuras generaciones, arrays nanohilos (NW) semiconductor han develado nueva vía para reducir grandemente consumo material y costo fabricación mientras mantienen o incluso mejoran rendimiento dispositivo comparado con contrapartes película delgada o bulk [1, 2]. Esta característica fascinante se atribuye largely a propiedades ópticas notables NWs, incluyendo absorción aumentada [3, 4] y selectividad espectral [5,6,7]. Entre varios materiales III-V, arrays NW InP han atraído esfuerzo investigación intensivo para aplicación celdas solares debido a banda prohibida directa y baja velocidad recombinación superficial intrínseca [8]. A la fecha, máxima eficiencia conversión energía alcanzada 13,8% para arrays NW InP en celda 1 mm² área [9].

Dado que propiedades ópticas arrays NW pueden ajustarse distintivamente sintonizando su geometría tridimensional, para mejorarさらに rendimiento celdas solares basadas NW, gran atención se ha puesto en cómo optimizar morfología y topología arrays NW III-V para maximizar absorción luz [5, 9,10,11,12,13]. Específicamente, diámetro NWs, periodicidad y arreglo se han investigado para maximizar absorción energía solar [6, 14,15,16]. Se reporta que sintonizar diámetro NW cambiará modos ópticos existiendo dentro NW. Esto llevará a máximos absorción luz localizados para aquellas longitudes onda incidente correspondientes a modos resonantes respectivos [5, 6, 17, 18]. También, arrays NW con periodicidad optimizada o ratio llenado (FR) pueden suprimir reflexión y transmisión mientras mejoran dispersión luz incidente resultando camino óptico prolongado y así absorción luz mejorada [19,20,21]. Además, Martin Foldyna et al. concluyeron que dependencia absorción luz en arreglo arrays NW es rather pequeña ya que efecto trampa luz NWs se basa en guía onda individual cuando acoplamiento luz entre NWs vecinos se neglige [22].

Para encontrar máxima cosecha energía solar, efecto parámetros tridimensionales y arreglo arrays NW debe considerarse junto. Sin embargo, la mayoría de dimensiones geométricas óptimas y arreglo arrays NW reportados para máxima cosecha espectro solar son aún óptimos locales determinados espacio-parámetro. Además, espectro solar incidente combinado con propiedades dispersivas material añaden más dificultad resolver analíticamente este problema. Por tanto, simulaciones numéricas intensivas consumidoras tiempo como finite-difference time-domain (FDTD) se adoptan frecuentemente para abordar esta optimización multi-parámetros. Sturmberg et al. reportaron método semi-analítico para estrechar rango dimensiones óptimas arrays NW diámetro simple [13]. Aunque este método es aplicable varios materiales, simulaciones FDTD aún deberían acompañarse para encontrar valores óptimos exactos. Además, este método es menos útil para absorbedor super combinado con arrays NW multi-radio [23].

En este artículo, presentamos diseño analítico para dimensiones geométricas óptimas arrays NW InP diámetro simple, doble y múltiple para maximizar absorción energía solar. Diámetros NWs determinados por resonancia modo leaky y teoría Mie mientras periodicidades identificadas por construcción capa medio efectivo para minimizar reflexión y transmisión luz. Arrays NW distribuidos cuadrada y hexagonalmente ambos considerados. Además, simulaciones FDTD intensivas acompañan para verificar efectividad nuestro método. El buen匹配 de mayores densidades corriente cortocircuito generadas desde arrays NW con parámetros geométricos calculados y valores obtenidos simulaciones FDTD prueban efectividad método propuesto guiar diseño práctico celdas fotovoltaicas basadas NW.

Diseño para máxima cosecha luz InP NWs

Arrays InP NW alineados verticalmente se colocan sobre sustrato SiO₂ semi-infinito como esquemáticamente mostrado Fig. 1 con arreglo cuadrado o hexagonal. Celdas unitarias repetibles en Fig. 1a, b insets explican respectivas dimensiones caracterización para cada arreglo. Esta morfología y topología arrays NW concuerdan con mayoría estructuras celdas solares basadas InP NW [11, 12, 23, 24]. Dentro cada celda unitaria, NWs tienen mismo o diferentes diámetros como D_i. Periodicidad p definida como distancia centro-centro par NWs adyacentes que tiene mismo valor para NWs arreglo cuadrado mientras diferentes valores para arrays NW hexagonales. Según esto, FR arrays NW cuadrados definida como π ΣD_i²/(4p)² con valor máximo π/4 cuando NWs ocupan mayor porcentaje volumen celda unitaria [25]. Similarmente, FR para arrays NW hexagonales definida como π ΣD_i²/(4√3 p²) con valor máximo π√3/6 [22]. Longitud l NW se fija 2 μm para todos casos ya que son lo suficientemente largos para absorber >90% energía incidente con diseño adecuado [26].

Esquemas arrays InP NW alineados verticalmente. a Cuadrados y b hexagonales arrays NW con insets explicando sus respectivas celdas unitarias

Para determinar analíticamente cada parámetro geométrico arrays NW, el problema optimización multi-parámetro para máxima cosecha luz se descompone en dos procesos: (1) control modo resonante determinante diámetro NWs y (2) reflectancia y transmitancia mínima FR-afectada de energía solar incidente. Construimos relación parámetro geométrico individual con respectivo proceso determinante e identificamos cada valor óptimo conduciendo máxima absorción luz. Arrays NW doble diámetro elegidos como ejemplo diseño para ilustración método propuesto. Dimensiones geométricas óptimas arrays NW diámetro simple como caso más simple también pueden adquirirse durante derivación. Diámetro y periodicidad para arrays NW cuatro diámetros también pueden calcularse como extensión ejemplo. Para arrays NW cuadrados doble diámetro, diámetros NWs diagonales tienen mismo valor D_major y diámetros otros dos NWs nombrados D_supplementary. Para arrays NW hexagonales, diámetro NW central es D_major y diámetros NWs periféricos son D_supplementary.

Se reporta que arrays NW pueden soportar modos resonancia leaky/guiados, cada uno lleva a picos absorción fuertes. Además, naturaleza fundamental guía onda sugiere número modo crece con aumento diámetro NW. Consecuentemente, diámetro óptimo NW debería ser lo suficientemente grande para soportar más modos de modo a incluir mayor número resonancias absorción. Sin embargo, diámetros demasiado grandes NWs son menos preferibles ya que modos orden superior soportados poseen más nodos que acoplan menos eficientemente ondas planas incidente [13]. Además, propiedad material y espectro solar incidente ponen otras limitaciones selección diámetro óptimo. Solo cuando modos resonantes yacen dentro región absorción, pueden contribuir a fotocorriente. Región absorción definida por superposición rango absorción material hasta longitud onda crítica y espectro incidente AM 1.5G [27].

Como resultado, para determinar cuantitativamente D_major arrays NW, resonancia modo leaky inicialmente adoptada para calcular respectivas longitudes onda resonantes para diferentes diámetros NWs [2]. Esto da distribución modos resonantes en región absorción. Por tanto, D_major óptimo debería soportar dos modos satisfacer todos criterios arriba. Segundo, teoría Mie adoptada para calcular eficiencias absorción normalizadas aquellos NWs paso uno. Estrictamente, teoría Mie no puede aplicarse situación cuando vector onda incidente alineado perfectamente paralelo eje NWs ya que ecuación autovalor mal definida [28]. Sin embargo, esta situación puede aproximarse como incidencia rasante luz entrante (ángulo incidente θ muy pequeño respecto eje NW) ya que en interfaz arrays NW, frente onda luz incidente será perturbado por alto índice NWs que introduce componentes transversales vector onda permitiendo adopción teoría Mie [18]. Por tanto, D_major óptimos son aquellos que soportan dos modos mientras mantienen ancho mitad máximo (FWHM) modo resonante más bajo en espectro eficiencia absorción normalizada dentro región absorción. Tras adquisición D_major, D_supplementary calculado condición NWs deberían soportar solo un modo para reducir reflexión y ahorro material y su longitud onda resonante debería coincidir valle eficiencia absorción normalizada D_major.

Periodicidad arrays NW puede computarse construyendo capa medio efectivo. Esta capa artificial representa comportamiento reflexión y transmisión arrays NW que solo relacionada FR material. Como resultado, diámetro, periodicidad y arreglo NWs removidos cálculo. De esta manera, transmitancia y reflectancia arrays NW pueden evaluarse aplicando ecuaciones Fresnel en esta capa medio efectivo y por tanto FR óptimo puede analizarse. Basado en relación FR y periodicidad, periodicidades para ambos arreglos hexagonal y cuadrado arrays NW obtenidas. Descripción detallada método propuesto presentada secciones siguientes.

A. Diámetros óptimos arrays InP NW para máxima cosecha luz

Para aumentar absorción luz, número modos resonantes llevando a picos absorción fuertes debería maximizarse dentro región absorción. En extremo azul región absorción, espectro incidente AM 1.5G confina 300 nm como región alta energía. Longitud onda crítica λ_c 925 nm (banda prohibida InP 1,34 eV) limita extremo rojo región absorción. Como resultado, se prueba que NWs InP que soportan dos modos resonantes localizados dentro región absorción pueden mejor mejor absorción luz [29]. Expandimos esta conclusión y usamos teoría Mie calcular valor exacto.

Según conclusión arriba, rango D_major puede calcularse desde ecuación autovalor derivada ecuaciones Maxwell [18]. Considerando distribución campo anti-simétrica in-plane ondas planas incidente, solo modos HE₁ₘ pueden excitarse efectivamente contribuir absorción NWs alineados verticalmente [5]. Estos modos HE₁ₘ satisfacen ecuación autovalor, y longitudes onda resonantes pueden obtenerse asumiendo parte real constante propagación Re(β_z) modo junto dirección axial NW se aproxima cero como muestra Eq. (1). k_cyl y k_air son componentes transversales vector onda dentro NWs y en aire mientras ε_cyl y ε_air son permitividades respectivas. J₁ y H₁⁽¹⁾ son funciones Bessel y Hankel primer tipo primer orden. Como consecuencia, rango que diámetro primario cae puede recibirse condición correspondientes modos HE₁₁ y HE₁₂ yacen dentro región absorción.

$$ \frac{\varepsilon_{\mathrm{cyl}}{J}_1^{\prime}\left({k}_{\mathrm{cyl}}{D}_{\mathrm{major}}/2\right)}{k_{\mathrm{cyl}}{J}_1\left({k}_{\mathrm{cyl}}{D}_{\mathrm{major}}/2\right)}-\frac{\varepsilon_{\mathrm{air}}{H_1^{(1)}}^{\prime}\left({k}_{\mathrm{air}}{D}_{\mathrm{major}}/2\right)}{k_{\mathrm{air}}{H}_1^{(1)}\left({k}_{\mathrm{air}}{D}_{\mathrm{major}}/2\right)}=0. $$ (1)

Según teoría Mie, eficiencia absorción Q_abs NWs definida por ratio área recolección energía y tamaño geométrico NWs. Expresión analítica eficiencia absorción Q_abs dada abajo, y formalismo matemático exacto teoría Mie puede encontrarse referencia [30]. Aquí, \overline{n}=n+ik índice refracción complejo; como mencionado, J_i y H_i⁽¹⁾ son funciones Bessel y Hankel primer tipo orden i.

$$ {\displaystyle \begin{array}{c}{Q}_{\mathrm{abs},\mathrm{TM}}=\frac{2}{x}\operatorname{Re}\left({b}_0+2\sum \limits_{i=1}^{\infty }{b}_i\right)-\frac{2}{x}\left[{\left|{b}_0\right|}^2+2\sum \limits_{i=1}^{\infty }{\left|{b}_i\right|}^2\right]\\ {}{Q}_{\mathrm{abs},\mathrm{TM}}=\frac{2}{x}\operatorname{Re}\left({a}_0+2\sum \limits_{i=1}^{\infty }{a}_i\right)-\frac{2}{x}\left[{\left|{a}_0\right|}^2+2\sum \limits_{i=1}^{\infty }{\left|{a}_i\right|}^2\right]\end{array}} $$ (2) $$ {\displaystyle \begin{array}{c}{a}_i=\frac{\overrightarrow{n}{J}_i\left(\overrightarrow{n}x\right){J}_i^{\prime }(x)-{J}_i\left(\overrightarrow{n}x\right){J}_i^{\prime }(x)}{\overrightarrow{n}{J}_i\left(\overrightarrow{n}x\right){H_i^{(1)}}^{\prime }(x)-{J}_i^{\prime}\left(\overrightarrow{n}x\right){H}_i^{(1)}(x)}\\ {}{b}_i=\frac{J_i\left(\overrightarrow{n}x\right){J}_i^{\prime }(x)-\overrightarrow{n}{J}_i\left(\overrightarrow{n}x\right){J}_i^{\prime }(x)}{J_i\left(\overrightarrow{n}x\right){H_i^{(1)}}^{\prime }(x)-\overrightarrow{n}{J}_i^{\prime}\left(\overrightarrow{n}x\right){H}_i^{(1)}(x)}\end{array}} $$ (3)

Tras adquisición Q_abs modo HE₁₁, FWHM respectivo diámetro NWs puede encontrarse, y por tanto, diámetro óptimo para máxima cosecha luz determinado. Tras decisión diámetro mayor, diámetro suplementario confirmado condición su pico absorción normalizado longitud onda debería coincidir valle eficiencia absorción normalizada diámetro mayor. Para arrays NW cuatro diámetros, tercer y cuarto diámetros determinados forma similar. Sus picos eficiencia absorción normalizada deberían coincidir valles superposición espectro eficiencia absorción normalizada NWs primario y secundario. Cabe notar que excepto NWs mayores, segundo, tercer y cuarto NWs desean soportar solo un modo ya que tamaño diámetro pequeño puede tanto reducir reflectancia interfaz aire-NW como reducir consumo material.

B. FR óptimo arrays InP NW para máxima cosecha luz

Varios trabajos publicados han revelado que con diámetros fijos NWs; absorción NWs aumentará con FR inicialmente y luego caerá tras cierto valor óptimo [13]. Aumento absorción luz usualmente atribuido a aumento porcentaje volumen materiales semiconductores con altos coeficientes absorción. A medida FR creceさらに, índice refracción promedio arrays NW aumenta, y así, reflexión sube lo que reduce absorción luz. Por tanto, límite superior FR debería encontrarse optimizar influencia reflexión y transmisión Fresnel maximizar absorción arrays NW. Figura 2 ilustra esquemáticamente que capa medio efectivo índice refracción complejo creada para representar comportamiento refracción y transmisión arrays NW. De esta manera, periodicidades y diámetros NWs removidos cálculo. Consecuentemente, cálculo Fresnel reflexión y transmisión capa medio efectivo puede usarse reflejar propiedades arrays NW. Naturaleza exacta dentro esta capa artificial media no considerada mientras puedan representar reflexión y transmisión arrays NW. Derivaciones matemáticas detalladas dadas abajo.

Reflexión, transmisión y absorción luz NWs y capa medio efectivo. a Arrays InP NW y b correspondiente capa medio efectivo mismo espesor

Parte real índice refracción capa medio efectivo n_em_real determinadas formulación Bruggeman [31] en Eq. (4) donde Ɛ_em, Ɛ_NW permitividades capa medio efectivo e InP respectivamente. Parte imaginaria índice refracción n_em_imag calculada Teoría Promedio Volumen [32, 33] en Eq. (5) donde n_NW_real, n_NW_imag, n_air_real, n_air_imag son partes real e imaginaria índice refracción NW y aire. FR_opt óptimo definido como FR tal que absorbancia Abs(λ) = 1 − R(λ) − T(λ) maximizada usando ecuaciones Fresnel.

$$ {\displaystyle \begin{array}{l}\left(1-\mathrm{FR}\right)\frac{\varepsilon_{\mathrm{air}}^2-{\varepsilon}_{\mathrm{em}}^2}{\varepsilon_{\mathrm{air}}^2+2{\varepsilon}_{\mathrm{em}}^2}+\mathrm{FR}\frac{\varepsilon_{\mathrm{NW}}^2-{\varepsilon}_{\mathrm{em}}^2}{\varepsilon_{\mathrm{NW}}^2+2{\varepsilon}_{\mathrm{em}}^2}=0\\ {}{n}_{\mathrm{em}\_\mathrm{real}}=\operatorname{Re}\left(\sqrt{\varepsilon_{\mathrm{em}}}\right)\end{array}} $$ (4) $$ {\displaystyle \begin{array}{l}\mathrm{A}=\mathrm{FR}\left({n}_{\mathrm{NW}\_\mathrm{real}}^2-{n}_{\mathrm{NW}\_\mathrm{imag}}^2\right)+\left(1-\mathrm{FR}\right)\left({n}_{\mathrm{air}\_\mathrm{real}}^2-{n}_{\mathrm{air}\_\mathrm{imag}}^2\right)\\ {}B=2\mathrm{FR}{n}_{\mathrm{NW}\_\mathrm{real}}{n}_{\mathrm{NW}\_\mathrm{imag}}+2\left(1-\mathrm{FR}\right){n}_{\mathrm{air}\_\mathrm{real}}{n}_{\mathrm{air}\_\mathrm{imag}}\\ {}{n}_{\mathrm{em}\_\mathrm{imag}}=\sqrt{\frac{-A+\sqrt{A^2+{B}^2}}{2}}\end{array}} $$ (5)

Reemplazando arrays NW con película delgada espesor igual, reflectancia R(λ) y transmitancia T(λ) arrays NW pueden estimarse usando ecuaciones Fresnel. Primeros dos términos serie infinita reflexión y transmisión Fabry-Perot incluidos Fig. 2b. Derivaciones matemáticas detalladas también pueden encontrarse información soporte referencia [13]. En esta etapa, diámetros óptimos y FR ambos determinados y periodicidad correspondiente puede adquirirse basada definición FR. Con dimensiones geométricas óptimas, arrays NW deberían llevar máxima absorción luz. Densidad corriente cortocircuito J_sc mostly usada medir capacidad cosecha luz asumiendo cada fotón absorbido lleva a separación excitón seguida recolección portador exitosa. Definición mostrada Eq. (6) donde A(λ) absorción dentro nanohilos función longitud onda incidente, y N(λ) número fotones por unidad área por segundo para longitud onda incidente desde espectro solar estándar.

$$ {J}_{\mathrm{sc}}=q\underset{\mathrm{AM}1.5\mathrm{G}}{\int }A\left(\lambda \right)N\left(\lambda \right) d\lambda $$ (6)

Resultados y Discusión

Diámetros simple y múltiple arrays InP NW arreglos cuadrados y hexagonales demuestran validez método propuesto. Mientras tanto, simulaciones numéricas FDTD (Lumerical FDTD Solutions 8.15) también proporcionadas comparar con nuestro método. Condición frontera periódica aplicada ejes x e y mientras condición perfecta matching establecida eje z como ilustrado Fig. 1. NWs InP verticales sobre sustrato SiO₂. Constantes ópticas InP y SiO₂ de datos material Palik proporcionados Lumerical. Espacio parámetro diámetros NWs varía 50-200 nm mientras FR 0,05 a valores máximos posibles cuadrados y hexagonales NWs.

A. Máxima cosecha luz para NWs InP diámetro simple

Figura 3a muestra eficiencia absorción luz arrays InP NW diámetro simple cuando FR 0,05 con constantes ópticas en inset. Longitudes onda resonantes respectivas calculadas y marcadas en picos absorción correspondientes que coinciden bien resultados simulación FDTD. Desplazamiento rojo modo resonante HE₁₁ puede observarse fácilmente con aumento diámetro NWs. Además, tanto cálculo como simulación prueban que modo resonante evoluciona de uno a dos modos a 140 nm diámetro. Por tanto, valor óptimo para máxima absorción luz debería ser mayor 140 nm y menor 200 nm donde dos modos excitados dentro cada NW. Para encontrar valor óptimo diámetro, eficiencia absorción normalizada arrays NW proporcionada Fig. 3b mostrando arrays NW que soportan dos modos y aún mantienen FWHM dentro región absorción. Por tanto, valor mayor 184 nm diámetro elegido como óptimo sin pico adicional. Curiosamente, diseño celda solar InP NW mayor eficiencia conversión energía hasta fecha adoptó diámetro óptimo 180 nm. Sus diámetros NWs optimizados experimentalmente variando 50-300 nm con paso 10 nm [9]. Comparado con nuestra predicción 184 nm, tolerancia estrecha 4 nm demuestra precisión nuestro método.

Eficiencia absorción dependiente longitud onda InP NWs y eficiencia absorción normalizada. a Eficiencia absorción NWs con inset explicando constantes ópticas. b Eficiencia absorción calculada teoría Mie

Ratio llenado obtenido analíticamente usando capa medio efectivo sección B método descrito. Eficiencia absorción luz capa efectiva misma altura arrays InP NW mostrada Fig. 4. En general, capacidad cosecha luz sube inicialmente, alcanza valor máximo, y cae gradualmente mientras FR se acerca valores mayores. Esta tendencia atribuida a cambio luz transmitida y reflejada como índices refracción complejos cambian debido variación FR. Específicamente, cuando FR aumenta 0,05 a 0,2, debido adición material InP, más luz absorbida antes transmitida fuera arrays NW. Sin embargo, esta tendencia aumenta hasta FR alcanza 0,2, y aumentoさらに FR causa alto índice refracción complejo capa equivalente que lleva impedancia óptica entre aire y arrays NW. Como resultado, reflectancia superficie incidente sube rápidamente lo que disminuye absorción luz [13]. Por tanto, valor óptimo FR 0,2 y periodicidades para arrays NW arreglo cuadrado y hexagonal son 364,63 y 391,82 nm, respectivamente.

Eficiencia absorción capa medio efectivo arrays InP NW función FR

Densidades corriente cortocircuito para varias combinaciones diámetros y FRs mostradas Fig. 5. Claramente demuestra que arreglo NWs tiene poco efecto en mayor absorción luz. También, independientemente arreglos arrays NW, nuestro método ambos puede aplicarse y lograr resultados precisos. Máximos J_sc con dimensiones geométricas óptimas calculadas para arrays InP NW calculados para arreglo cuadrado y hexagonal, respectivamente. J_sc máximo analítico predicho 32,11 y 32,06 mA/cm² para arrays NW cuadrados y hexagonales llevando tolerancias 0,33 y 0,1%, respectivamente, comparado con resultados simulación FDTD.

Valores máximos predichos teóricamente comparados con simulaciones FDTD. a Cuadrados y b hexagonales arrays InP NW diámetro simple

B. Máxima cosecha luz para NWs InP doble diámetro

Añadir diámetro secundario arrays NW investigado por varios grupos paraさらに aumentar cosecha energía solar [22, 29] por simulaciones consumidoras tiempo [34]. De discusión arriba, nuestro método proporciona forma rápida acercarse diámetros NWs requeridos. Longitud onda resonante NWs suplementarios debería coincidir valle absorción diámetro mayor NWs que es 585 nm como mostrado Fig. 3b. También, NWs deberían soportar solo un modo resonante. Estas dos conclusiones llevan D_supplementary 119 nm. FR óptimo 0,2 aún cierto en arrays NW doble diámetro InP, y periodicidad computada 307 y 329,95 nm para arreglo cuadrado y hexagonal arrays NW. Figura 6 proporciona visión general densidades corriente cortocircuito variación función D_major, D_supplementary, y FR para dos tipos arrays NW. Generalmente, cosecha luz aumenta con FR, alcanza valor máximo, y cae. Cuando FR 0,2, insets Fig. 6 muestran mayor J_sc 32,96 y 32,95 mA/cm² para ambos cuadrados y hexagonales NWs InP. Comparado con valores máximos simulaciones 33,34 y 33,26 mA/cm², tolerancias 1,1 y 0,9% para cuadrados y hexagonales NWs. Figura 6 también muestra a medida FR crece, acoplamiento entre NWs vecinos no puede pasarse por alto. Potencia puede transferir a NWs vecinos que soportan mismo modo leaky causando competencia energía incidente [35] lo que es perjudicial absorción luz general. Cuando FR mismo para ambos arreglos, p²_square/p²_hexagonal es √3/2. Por tanto, p_hexagonal es 1,08 veces p_square que tiene menos acoplamiento modo entre NWs que arrays cuadrados. Esto explica diferencias cosecha luz dos arrays cuando FR 0,05 y 0,4.

Densidades corriente cortocircuito función diámetros mayor, suplementario, y FRs. a Cuadrados y b hexagonales arrays InP NW donde insets muestran diámetros óptimos respectivos arreglos NW

C. Máxima cosecha luz para NWs InP cuatro diámetros

Múltiples diámetros arrays NW también atraen mucho interés investigación lograr absorción near-unity across región absorción [29]. Sin embargo, solo número limitado combinaciones diámetros proporcionadas ya que adquisición masiva datos requiere gran cantidad tiempo. Este problema puede resolverse en nuestro método diseño analítico, y cuatro diámetros arrays NW cuadrados InP proporcionados como ejemplo. Tiempo total tomado terminar todos cálculos usando nuestro método iguala tiempo tomado solo una simulación FDTD usando misma computadora personal. Tras adquisición diámetros mayor y suplementario NWs, tercer y cuarto diámetros NWs pueden calcularse forma similar. Superposición eficiencia absorción normalizada diámetro mayor y suplementario NWs mostrada Fig. 7 con valles absorción localizando 486 y 704 nm. Por tanto, tercer y cuarto diámetros arrays NW pueden computarse satisfacer condiciones que cada uno soporte solo un modo, y longitudes onda resonantes coincidan dos valles absorción Fig. 7. Según esto, tercer y cuarto diámetros arrays InP NW obtenidos 92 y 148 nm. Con FR óptimo 0,2 cuya validez es irrespective arreglo NW y diámetros, periodicidad obtenida 277,41 nm para arrays InP NW.

Superposición eficiencias absorción diámetros mayor y suplementario InP NWs

Espectro absorción luz para combinación óptima cuatro NWs proporcionado Fig. 8 desde el cual absorción near-unity lograda por buena selección individual NWs. Resultados simulación FDTD con combinaciones cuatro diámetros para arrays NW cuadrados mostrados Fig. 9. Para ganar visión general este problema optimización multi-parámetro, dos conjuntos coordenadas empleados. Internos ejes x e y denotan diámetros mayor y suplementario mientras externos ejes x e y representan tercer y cuarto diámetros. Debido enorme número combinaciones diámetros, tercer y cuarto diámetros limitados deliberadamente seleccionados representar tendencia absorción total. De Fig. 3, 80 nm elegido resonancia modo simple dentro NWs; 140 nm refleja evolución simple a doble modos existencia NWs; 170 nm indica límite superior doble modos existencia mientras FWHM yace dentro región absorción. Cada intersección líneas punteadas indica diferente combinación tercer y cuarto diámetros mientras diámetros mayor y suplementario corren 50-200 nm. Cuando diámetros tienen valores mayores 140 nm Fig. 9, mayoría combinaciones diámetros llevarán J_sc arriba 30 mA/cm². Cuando todos diámetros alcanzan arriba 170 nm, promedio J_sc puede ser 32 mA/cm². Estos resultados también reflejados Figs. 5a y 6a. Comparado con arrays NW diámetro simple o doble, arrays NW cuatro diámetros optimizados indeed llevan a mayor J_sc. El mayor J_sc para arrays InP NW cuatro diámetros con nuestras dimensiones geométricas calculadas es 33,13 mA/cm² con tolerancia 2,2%.

Absorción luz cuatro diámetros arrays InP NW

Densidades corriente cortocircuito cambian con diámetros mayor, suplementario, tercer, cuarto InP NWs

Conclusiones

En este estudio, presentamos modelo para diseño efectivo y rápido ambos arrays InP NW cuadrados y hexagonales para lograr mayor cosecha luz para aplicación fotovoltaica. Dimensiones geométricas para arrays NW alineados verticalmente diámetro simple, doble y múltiple investigadas. Comparado con simulaciones FDTD consumidoras tiempo, nuestras densidades corriente cortocircuito máximas predichas con arrays NW tridimensionales calculados permanecen tolerancias debajo 2,2% para todos casos. Para arrays NW diámetro simple, diámetro óptimo 184 nm que es solo 4 nm diferencia a reportado mayor eficiencia celdas solares InP NW. En arrays NW múltiples diámetros, diámetros resto NWs optimizados satisfacer condiciones que soportan solo un modo resonante y longitudes onda correspondientes coinciden valle absorción NWs mayores. Además, FR array NW optimizado 0,2 creando capa medio efectivo que es regardless diámetro, periodicidad y arreglos NWs. Comparado con modelado óptico, densidades corriente cortocircuito máximas predichas para arrays NW diámetro simple yacen dentro 0,33 y 0,1% tolerancia para arrays NW cuadrados y hexagonales. Arreglos array NW tienen poca influencia absorción luz con parámetros geométricos óptimos, pero acoplamiento entre NWs vecinos se vuelve serio para múltiples diámetros NWs a valor FR grande. Arrays NW cuadrados cuatro diámetros también presentados y mayor densidad corriente cortocircuito predicha 33,13 mA/cm² con baja tolerancia 2,2%. El diseño eficiente tiempo, alta precisión con amplia idoneidad propuesto para arrays InP NW demuestra ser herramienta prometedora guiar diseño práctico celdas solares basadas NW.

Abreviaturas

FDTD:

Finite-difference time-domain

FR:

Filling ratio

FWHM:

Full width at half maximum

NPs:

Nanoparticles

NWs:

Nanowires