Rendimiento fotovoltaico de una célula solar de matriz de nanoestructura híbrida de nanocables / puntos cuánticos

Resumen

Se diseña y analiza una innovadora célula solar basada en una matriz de nanoestructura híbrida de nanocables / puntos cuánticos. Al hacer crecer puntos cuánticos de InAs multicapa en las paredes laterales de los nanocables de GaAs, no solo el espectro de absorción de los nanocables de GaAs se extiende por puntos cuánticos, sino que también la absorción de luz de los puntos cuánticos se mejora drásticamente debido al efecto de captura de luz de la matriz de nanocables. Al incorporar cinco capas de puntos cuánticos de InAs en una matriz de nanocables de alto GaAs de 500 nm, la mejora de la eficiencia de conversión de energía inducida por los puntos cuánticos es seis veces mayor que la mejora de la eficiencia de conversión de energía en las células solares de película delgada que contienen la misma cantidad de puntos cuánticos, lo que indica que la estructura de la matriz de nanocables puede beneficiar el rendimiento fotovoltaico de las células solares de puntos cuánticos.

Antecedentes

La incorporación de puntos cuánticos (QD) en células solares se ha propuesto como una forma prometedora de mejorar la eficiencia de conversión del dispositivo [1, 2]. La inserción de QD en la región activa de una celda solar permite diseñar la banda prohibida efectiva del material y extender el espectro de absorción [3, 4, 5, 6]. Esto se puede utilizar para mejorar la fotocorriente de una célula solar homogénea [7, 8, 9] o para formar una banda intermedia aislada dentro de la banda prohibida del material huésped para absorber fotones con energía por debajo de la brecha energética del material huésped [10,11,12 , 13]. Sin embargo, para superar la eficiencia de los dispositivos convencionales, la mejora de la absorción provocada por las QD debe mejorarse significativamente. Esto se puede lograr aumentando el número de QD, mejorando la absorción óptica, o una combinación de ambos [14]. En los últimos años, se ha fabricado una estructura atractiva mediante el crecimiento de QD de Stranski-Krastanov (SK) en las paredes laterales de los nanocables (NW), que ofrece un enfoque innovador para combinar la ventaja de los dos tipos de nanoestructuras [15,16,17, 18,19]. Los QD multicapa se pueden cultivar en las paredes laterales de los NW, lo que aumenta sustancialmente el número de QD, mientras que la matriz NW alineada verticalmente puede mejorar drásticamente la absorción de QD debido a la excelente capacidad de atrapar la luz [20,21,22,23,24 ]. Por lo tanto, se espera que la fotocorriente contribuida por QD en la matriz de nanoestructura híbrida NW / QD sea mayor que la de las estructuras QD de película delgada. Además, la estructura híbrida NW / QD se puede fabricar sobre sustratos de silicio de bajo costo, lo que la hace prometedora para células solares de bajo costo y alta eficiencia [25]. Aunque se ha informado ampliamente sobre la fabricación y las propiedades ópticas de las nanoestructuras híbridas NW / QD, aún no se ha investigado el rendimiento de las células solares basadas en las estructuras híbridas.

En este artículo, se presenta una simulación optoelectrónica acoplada para investigar el rendimiento fotovoltaico de una célula solar híbrida GaAs / InAs NW / QD. La estructura considerada consiste en una matriz NW alineada verticalmente con cada NW que contiene cinco capas de QD dispuestas perpendicularmente al eje de crecimiento NW. Tanto las QD como las capas humectantes (WL) contribuyen a la absorción de fotones por debajo de la banda prohibida, extendiendo el espectro de absorción a 950 nm. Cada NW consta de una unión de clavija radial con todas las capas QD ubicadas en la región intrínseca. En primer lugar, se realiza una comparación en los espectros de absorción de luz entre las matrices NW con y sin QD mediante el uso de simulaciones tridimensionales de dominio de tiempo de diferencia finita (3D-FDTD). También se calculan los espectros de absorción de sus homólogos de película fina. Luego, los perfiles de fotogeneración se incorporan a las simulaciones eléctricas para calcular la densidad de corriente versus voltaje ( I - V ) características. Los resultados muestran que, tanto en la matriz NW como en las células solares de película delgada, la incorporación de QD puede mejorar la corriente de cortocircuito ( J _sc ) aumentando la absorción de luz; sin embargo, una degeneración del voltaje de circuito abierto ( V _oc ) ocurre al mismo tiempo. La mejora general de la eficiencia de conversión de energía inducida por los puntos cuánticos en las células solares de matriz NW es seis veces mayor que la mejora de la eficiencia en las células solares de película delgada que contienen la misma cantidad de puntos cuánticos, lo que indica que la estructura de la matriz NW puede beneficiar el rendimiento fotovoltaico. de células solares de puntos cuánticos.

Métodos

En nuestro estudio anterior [15], la fabricación de las estructuras híbridas NW / QD se realizó mediante el uso de un sistema de deposición de vapor químico orgánico metálico (MOCVD) de cabezal de ducha acoplado cerrado (CCS) de Thomas Swan. Trimetilgalio (TMGa), trimetilindio (TMIn) y arsina (AsH ₃ ) se utilizaron como precursores. El portador fue hidrógeno. Se cargó un sustrato de GaAs recubierto de Au en el reactor MOCVD y se recoció bajo AsH ₃ ambiente para formar partículas de aleación de Au-Ga como catalizador. Los GaAs NW se cultivaron en primer lugar, y luego se depositó la primera capa de InAs QD al apagar TMGa y aumentar la temperatura. Después del crecimiento de la capa de InAs QD, la capa espaciadora de GaAs se hizo crecer radialmente en los InAs QD. Las multicapas de estructuras QD se realizaron repitiendo la combinación de QD de InAs y capa espaciadora de GaAs durante ciertos momentos.

El esquema de la célula solar híbrida NW / QD se ilustra en la Fig. 1a. El dispositivo consta de estructuras híbridas periódicas GaAs / InAs NW / QD. Cada NW contiene una unión de pasador radial con cinco capas de QD dispuestas perpendicularmente al eje de crecimiento NW en la región intrínseca, como se muestra en la Fig. 1b. La concentración de dopaje del caparazón tipo p y el núcleo tipo n es 3 × 10 ¹⁸ y 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , respectivamente. Las capas de QD se modelan tratando el material de InAs QD, WL y GaAs que rodea a los QD como un medio eficaz. El espesor de cada medio efectivo es de 2 nm.

un Los dibujos esquemáticos de la célula solar híbrida NW / QD y su contraparte de película delgada. b Las estructuras detalladas de las unidades marcadas con wireframes en a . c Coeficiente de absorción del medio efectivo. Las fracciones de volumen de QD, WL y GaAs en el medio efectivo son 0,002882996, 0,649123 y 0,347994, respectivamente

Para la simulación óptica, el índice de refracción complejo dependiente de la longitud de onda del medio efectivo se calcula mediante una superposición ponderada en volumen de los materiales QD, WL y GaAs como se describe en [26], que se expresa mediante la Ec. (1).

$$ {\ alpha} _ {\ mathrm {eff}} ={F} _ {\ mathrm {QD}} {\ alpha} _ {\ mathrm {QD}} + {F} _ {\ mathrm {WL}} {\ alpha} _ {\ mathrm {WL}} + {F} _ {\ mathrm {GaAs}} {\ alpha} _ {\ mathrm {GaAs}} $$ (1)

donde F _QD , F _WL y F _GaAs son las fracciones de volumen de los materiales QD, WL y GaAs en el medio eficaz, respectivamente. El coeficiente de absorción de InAs QD y WL se obtiene de [26], con el mismo tamaño y densidad de QD. Otros parámetros de material se obtienen de [27]. El coeficiente de absorción utilizado en este trabajo se presenta en la Fig. 1c. Se observan dos picos por debajo de la banda prohibida de GaAs, uno centrado en una longitud de onda de 876 nm y el otro centrado en 916 nm, que se atribuyen a las capas QD. La célula solar de película delgada que contiene capas QD también se simula para comparar. El grosor de la celda solar de película delgada se establece para que sea igual a la longitud NW, y el volumen total de capas QD y el grosor de la capa intrínseca en las células solares de película delgada se establecen para que sean iguales a los del NW / Células solares híbridas QD. Las propiedades de absorción de las células solares se calculan mediante el paquete de software FDTD Solutions (Lumerical Solutions, Inc.). Al colocar condiciones de contorno periódicas, las simulaciones se pueden realizar en una sola celda unitaria para modelar la estructura de la matriz periódica. El espectro AM1.5G se divide en 87 intervalos de longitud de onda discretos, de 300 a 950 nm. Las contribuciones del modo eléctrico transversal (TE) y magnético transversal (TM) se superponen para modelar la característica no polarizada correspondiente de la luz solar. La generación óptica total bajo iluminación AM1.5G se puede modelar superponiendo las tasas de fotogeneración de longitud de onda única resueltas espectralmente.

Para el modelado eléctrico, los perfiles de generación óptica 3D se incorporan en la malla de elementos finitos de los dispositivos en el paquete de software Device (Lumerical Solutions, Inc.), que resuelve las ecuaciones de continuidad del portador junto con la ecuación de Poisson de manera autoconsistente. Para modelar las propiedades de transporte de portadora del medio efectivo, asumimos que las portadoras ópticas generadas en las barreras de GaAs son capturadas por la banda prohibida inferior 2D WL y, posteriormente, se relajan al estado fundamental QD en escalas de tiempo de 1-50 ps [28, 29]. Los portadores generados en QD o capturados a partir de WL se recombinan o escapan de nuevo a WL a través de la emisión térmica [30]. El proceso de captura y escape se modela estableciendo compensaciones de banda efectivas de 100 meV en la interfaz de GaAs y el medio efectivo, de acuerdo con la energía de activación para la emisión térmica de los puntos cuánticos informada en la literatura [30, 31, 32]. En [26] se ha informado de un método de modelado similar, en el que se han investigado las características de las células solares multifuncionales mejoradas con QD. El diagrama de bandas de energía iluminada de las células solares híbridas NW / QD se muestra en la Fig. 2.

El diagrama de bandas de energía iluminado de las células solares híbridas NW / QD

La recombinación radiativa, Auger y Shockley-Read-Hall (SRH) se tiene en cuenta en la simulación eléctrica del dispositivo. Los tiempos de vida de los portadores minoritarios QD se describen utilizando un tiempo de vida de recombinación radiativa de 1 ns y un tiempo de vida de recombinación SRH de 10 ns [26], los tiempos de vida finales del medio efectivo son una suma ponderada de los tiempos de vida de recombinación QD y GaAs NW (suponiendo que los portadores capturados por el WL son posteriormente capturados por el QD), como se describe en [26]. El coeficiente de recombinación Auger del medio efectivo se establece en 4.2 × 10 ⁻²⁹ cm ⁶ / s [33]. Y, las masas efectivas de electrones y huecos se establecen en 0.053 m ₀ y 0,341 m ₀ , respectivamente [26]. Al modelar el transporte de portadores de barrera a través de la región media efectiva, usamos la movilidad de barrera (2500 cm ² / Vs para electrones y 150 cm ² / Vs para agujeros) [34], como se describe en [35]. En el modelo del dispositivo se utiliza una velocidad de recombinación de superficie de 3000 cm / s, asumiendo que las superficies de los nanocables están bien pasivadas [34, 36]. Y, la velocidad de recombinación de portadores minoritarios de contacto se establece en 10 ⁷ cm / s [37].

Resultados y discusión

En la Fig. 3 se muestran los espectros de absorción de las células solares de matriz GaAs NW con y sin capas QD. El radio NW se establece en 100 nm y el período es 360 nm. Al introducir capas QD, la absorción de GaAs NW se mejora drásticamente y el espectro de absorción se extiende a 950 nm. La Figura 3a – d muestra los espectros de absorción con diferentes longitudes de NO. Se puede ver que la absorción aumenta notablemente por las capas QD a una longitud de onda superior a 450 nm, ya que las capas QD tienen un coeficiente de absorción más alto que las NW de GaAs. A medida que aumenta la longitud de NW, la diferencia de absorción entre las matrices de NW con y sin capas QD se hace más pequeña en el rango de longitud de onda más allá del intervalo de banda de GaAs, lo que indica que la absorción de GaAs es más suficiente para NW más largos. Mientras que en el rango de longitud de onda por debajo del intervalo de banda de GaAs, como los NW de GaAs contribuyen poco a la absorción de luz, la mejora de la absorción inducida por las capas QD se vuelve más prominente a medida que aumenta la longitud de NW. Se observan dos picos de absorción en el rango de longitud de onda por debajo de la banda prohibida de GaAs, que están centrados en 876 y 916 nm, respectivamente, correspondientes a las longitudes de onda en las que el medio efectivo tiene el coeficiente de absorción más alto. En comparación con la célula solar híbrida NW / QD, la absorción de la célula solar de película fina se satura mucho antes con el aumento del espesor de la película, ya que la principal pérdida en la célula solar de película fina es la reflexión. Como la relación de volumen de las capas QD en las películas delgadas es mucho más baja que en la matriz NW, la mejora de la absorción de luz inducida por las capas QD es casi insignificante en el rango de longitud de onda más allá de la banda prohibida de GaAs. Mientras que en el rango de longitud de onda por debajo de la banda prohibida de GaAs, debido a la falta de capacidad para atrapar la luz, la absorción de las capas QD en la película delgada es mucho menor que en la matriz NW.

Los espectros de absorción de la matriz de nanoestructura híbrida NW / QD y su contraparte de película delgada con y sin capas QD. La longitud NW en a - d es 500, 1000, 2000 y 3000 nm, respectivamente

Los perfiles de generación óptica de las estructuras consideradas se muestran en la Fig. 4. Los NW con longitudes de 500 y 3000 nm se consideran en esta parte (en lo sucesivo, NW corto y NW largo, respectivamente). Es obvio que la generación de portadores en medio efectivo es mucho mayor que en GaAs, lo que demuestra la mejora de la absorción inducida por QD. En las células solares híbridas NW / QD, se generan menos portadores en la región del núcleo NW, ya que algunos portadores se concentran en las regiones QD. Se espera que este fenómeno beneficie el rendimiento del dispositivo, ya que la región del núcleo altamente dopada a menudo sufre graves pérdidas de recombinación. En los NW cortos, los portadores generados ópticamente se distribuyen en todo el NW, mientras que en los NW largos, los portadores se concentran principalmente en la parte superior, lo que indica que la absorción de luz en los NW largos es suficiente, aunque la matriz NW considerada no contiene ningún sustrato. Se puede observar que, en NW largos, una región de alta generación de portadores en capas QD se extiende más que en el núcleo NW, y los portadores se concentran en varios lóbulos a lo largo del eje NW. Esto es inducido por los modos de resonancia en una región de longitud de onda larga en el NO. La luz de longitud de onda larga tiene una longitud de absorción más larga y se absorbe principalmente en las regiones QD, especialmente la luz en un rango de longitud de onda por debajo de la banda prohibida de GaAs. Las distribuciones del campo eléctrico bajo iluminación de luz no polarizada en GaAs NW a 876 y 916 nm se muestran en la Fig.4c, de la cual podemos ver que el campo eléctrico se superpone fuertemente con las regiones QD, lo que explica además el efecto de mejora de las estructuras NW en el Absorción QD en esta longitud de onda. El perfil de generación óptica de una célula solar de película delgada de 500 nm se muestra en la Fig. 4d, y se puede ver que la absorción en las estructuras de película delgada es mucho más débil que la de las NW. Para estructuras de película delgada, los portadores generados en QD tienen poco efecto en el perfil general de generación. Mientras que en NW, QD con el mismo volumen pueden contribuir significativamente a la absorción gracias a los modos de resonancia guiada en NW [21].

un La sección transversal vertical de los perfiles de generación óptica en células solares híbridas cortas NW y NW / QD. b La sección transversal vertical de los perfiles de generación óptica en células solares híbridas NW y NW / QD largas. c Las distribuciones del campo eléctrico en sección transversal NW a 876 y 916 nm, en las que la ubicación de las capas QD está marcada con líneas blancas. d La sección transversal vertical de los perfiles de generación óptica en células solares híbridas de película delgada y película delgada / QD

Otros estudios se centran en la investigación del aumento potencial de las ganancias de eficiencia fotovoltaica derivadas de la mejora de la absorción inducida por los QD. Los perfiles de fotogeneración simulados previamente se incorporan en el paquete de software del dispositivo para calcular el I - V características de los dispositivos considerados. Se espera que la generación de portadores aumente en las regiones QD; sin embargo, los portadores en las regiones QD sufren una mayor tasa de recombinación. Como resultado, una mejora de las corrientes de cortocircuito ( J _sc ) en las células solares mejoradas con QD a menudo se acompaña de un deterioro del voltaje de circuito abierto ( V _oc ) [38]. El efecto de las QD en la eficiencia del dispositivo depende de una compensación entre J _sc aumentar y V _oc reducción. El yo - V Las características de las células solares NW se muestran en la Fig. 5a, b, y la corporación de QD en NW abreviados conduce a una J _sc mejora de 1,09 mA / cm ² y una V _oc reducción de 0.017 V. Mientras que en NW largos, una J _sc aumento de 1,22 mA / cm ² y una V _oc Se observa una reducción de 0,021 V. El aumento general de la eficiencia es del 0,67% en NW cortos y del 0,45% en NW largos. Al aumentar la longitud NO, la J _sc la mejora aumenta, así como la V _oc reducción debido al aumento del volumen QD. La Figura 5c ilustra los perfiles de recombinación radiativa en NW cerca de V _oc; en comparación con los GaAs NW puros, las tasas de recombinación radiativa aumentan en más de 3 órdenes de magnitud en las capas QD, lo que explica el V _oc degeneración. También se calculan las eficiencias de conversión de las células solares de película delgada con y sin QD. La mejora de la eficiencia inducida por las QD es solo del 0,11%, mucho más baja que en las células solares NW, aunque los volúmenes de QD en las NW y las estructuras de película delgada son los mismos. El resultado indica que la matriz NW es ventajosa para mejorar la eficiencia de las células solares de puntos cuánticos. La mejora de la eficiencia inducida por las QD no es tan impresionante en este trabajo debido a la degeneración de V _oc; sin embargo, se ha demostrado que varios enfoques mantienen V _oc en células solares mejoradas con QD [5, 39]. Se espera obtener una mejora de la eficiencia más satisfactoria si el V _oc la degeneración podría evitarse en las células solares híbridas NW / QD. Además, el espectro de absorción óptica de las QD depende en gran medida de la distribución del tamaño de los puntos [40, 41, 42]. Creemos que, al modificar el tamaño y la densidad de QD, es posible lograr un coeficiente de absorción más alto, lo que puede conducir a una mejora de la absorción más significativa y una mayor eficiencia de conversión.

un El yo - V características de las células solares híbridas cortas NW y NW / QD. b El yo - V características de las células solares híbridas NW y NW / QD largas. c La mitad de la sección transversal vertical de las tasas de recombinación radiativa de las células solares híbridas cortas NW y NW / QD. d El yo - V características de las células solares híbridas de película delgada y película delgada / QD

Conclusiones

En resumen, hemos estudiado el rendimiento fotovoltaico de una célula solar híbrida GaAs / InAs NW / QD. Los resultados muestran que los espectros de absorción de GaAs NW se pueden extender a 950 nm incorporando InAs QD multicapa en las paredes laterales NW. La absorción de QD también se mejora drásticamente debido al efecto de captura de luz de la matriz NW. yo - V las características muestran que J _sc en el noroeste de las células solares se puede aumentar debido a la mejora de la absorción de luz, mientras que V _oc se degenera debido a una recombinación más grave inducida por QD. La mejora de la eficiencia general inducida por QD en las células solares NW es mucho mayor que la de las células solares de película delgada, lo que indica que la estructura híbrida GaAs / InAs NW / QD es prometedora para las células solares QD.

Abreviaturas

3D-FDTD:: Dominio del tiempo de diferencias finitas tridimensionales
AsH ₃ :: Arsine
CCS:: Cabezal de ducha de acoplamiento cerrado
I - V :: Densidad de corriente frente a voltaje
J _sc :: Corriente de cortocircuito
MOCVD:: Deposición de vapor químico orgánico metálico
NW:: Nanocables
QD:: Puntos cuánticos
S-K:: Stranski-Krastanov
SRH:: Shockley-Read-Hall
TE:: Eléctrica transversal
TM:: Magnética transversal
TMGa:: Trimetilgalio
TMIn:: Trimetilindio
V _oc :: Voltaje de circuito abierto
WL:: Capas humectantes

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