Absorción de luz eficaz utilizando rejillas piramidales de doble cara para células solares de silicio de película delgada

Resumen

El diseño de la estructura de rejilla piramidal de doble cara se puede utilizar para mejorar la absorción de luz de banda ancha. La rejilla frontal puede reducir en gran medida la reflexión de la luz, especialmente en la región de longitud de onda corta, y la rejilla trasera también puede lograr el mismo efecto en la región de longitud de onda más larga. En el artículo, para la estructura de rejilla piramidal de doble cara, se estudia la distribución de absorción de fotones de cada parte y se compara con el silicio cristalino desnudo. Los resultados teóricos muestran que, ajustando razonablemente los parámetros de estructura de la rejilla de doble cara, la reflexión de la luz de toda la banda se puede reducir en gran medida, lo que es beneficioso para la formación de silicio negro y también aumenta la absorción de luz total. Sin embargo, estudios posteriores han demostrado que el uso de la rejilla trasera no mejora la absorción de luz efectiva del silicio cristalino.

Antecedentes

Con el progreso en la tecnología de microfabricación, la morfología nanométrica de la superficie y el diseño de estructuras se han vuelto más comunes y realmente importantes [1, 2]. El diseño de optimización de parámetros se ha vuelto más urgente y necesario, especialmente para las células solares de película delgada de silicio cristalino (CS) [3, 4, 5, 6]. Hay algunos informes sobre el diseño de rejilla de doble cara aplicado a las células solares de película delgada CS, y todos ellos han expresado opiniones similares de que dicha estructura puede lograr una mejora de la absorción de luz de banda ancha que puede alcanzar el límite de Yablonovitch [7,8 , 9,10]. No hay duda de que el diseño de rejilla de doble cara puede mejorar la capacidad general de captura de luz de las células solares CS. Después de todo, la generación y separación de pares de electrones y huecos ocurre dentro del CS, y considerando que cada fotón absorbido con energía mayor que la banda prohibida produce uno y solo un par de electrones y huecos, entonces, ¿cómo se distribuye la absorción de fotones entre las diversas partes? de la celda solar CS es el tema central de este artículo. Además, nuestro objetivo es aumentar al máximo la absorción de fotones del propio CS ajustando los parámetros.

En este artículo, se estudian las distribuciones de absorción de fotones de la rejilla piramidal frontal (FPG), la rejilla piramidal trasera (RPG) y la rejilla piramidal de doble cara (DSPG). La absorción total de fotones A se divide en tres partes diferentes como se muestra en la Fig.1, la absorción de fotones de las rejillas de la superficie frontal, la parte CS y las rejillas de la superficie trasera y etiquetadas como A _F , A _Si y A _R , respectivamente. El reflejo de luz R , transmisión T y absorción total A satisfacer R + T + A =1. A _Si no se calcula de la misma manera para diferentes modelos de estructura.

Diferentes estructuras de células solares de película fina de silicio cristalino (CS) con o sin rejillas piramidales. un El silicio de cristal desnudo (BCS). b La rejilla piramidal frontal (FPG). c La rejilla piramidal trasera (RPG). d La rejilla piramidal de doble cara (DSPG). ( A _F , A _Si y A _R representan la absorción de luz de las rejillas de la superficie frontal, la parte CS y las rejillas de la superficie trasera, respectivamente. H es el espesor de la capa CS; P ₁ , D ₁ , H ₁ y P ₂ , D ₂ , H ₂ representan el período, el diámetro inferior y la altura de la pirámide de silicio de la superficie delantera o trasera, respectivamente)

Métodos

En nuestros cálculos teóricos, el método de radiación neta y la aproximación del medio efectivo se utilizan juntos debido a la buena correspondencia entre la simulación y los resultados experimentales [4, 11]. Como se muestra en la Fig.2, un sistema de medio multicapa de N capas, N _i es el índice de refracción complejo del i el medio y las interfaces están etiquetadas como i =1,…, N - 1, donde i es el número total de interfaces. Subíndices a , d y b , c representan la radiación electromagnética entrante y saliente, respectivamente. Las relaciones entre los flujos de energía entrante y saliente ( Q ) en cada interfaz se puede expresar en términos de la reflexión en la interfaz y la transmisión que pasa a través del medio. Para cada interfaz i , hay cuatro ecuaciones,

Estructura media esquemática multicapa de las rejillas piramidales de silicio, con convención de numeración de interfaces (1,…, i ,…, N - 1), índice de refracción complejo ( N ₁ ,…, N _i ,…, N _N ) y los flujos de radiación electromagnética ( Q _{i , a} , Q _{i , b} , Q _{i + 1, c ,} Q _{i + 1, d} ,…)

$$ \ left \ {\ begin {array} {l} {Q} _ {i, a} ={\ tau} _i {Q} _ {i, c} \\ {} {Q} _ {i, b } ={{r_i} _ {,}} _ {i + 1} {Q} _ {i, a} + {t} _ {i + 1, i} {Q} _ {i + 1, d} \ \ {} {Q} _ {i + 1, c} ={t} _ {i, i + 1} {Q} _ {i, a} + {r} _ {i + 1, i} {Q} _ {i + 1, d} \\ {} {Q} _ {i + 1, d} ={\ tau} _ {i + 1} {Q} _ {i + 1, b} \ end {matriz} \derecho. $$ (1)

r _{i , yo + 1} y t _{i , yo + 1} ( r _{i , yo + 1} + t _{i , yo + 1} =1) son la reflectividad y la transmisividad, respectivamente, que se determinan utilizando las leyes de Fresnel en cada una de las interfaces. Los subíndices indican flujos de energía que se transfieren desde la capa i a la capa i + 1 y viceversa. τ _i es la tasa de atenuación de la absorción de la capa i , definido por

$$ {\ tau} _i =\ exp \ left [- {\ alpha} _i \ {d} _i / \ cos \ left ({\ varphi} _i \ right) \ right] $$ (2)

donde α _i =4π k _i / λ es el coeficiente de absorción de la capa i y d _i / cos ( φ _i ) es la distancia recorrida a través de la capa de espesor d _i con ángulo de propagación φ _i . k _i es la parte imaginaria del índice de refracción complejo N _i = n _i - ik _i . Tanto el índice de refracción real n _i y el coeficiente de extinción k _i son funciones de λ . Suponiendo el flujo de energía incidente perpendicular Q _{1, a} =1 y Q _{N , d} =0, entonces, para cada capa i , el coeficiente de absorción de energía A _i = Q _{i , a} - Q _{i , c} + Q _{i , d} - Q _{i, b} se puede resolver.

La estructura eficaz de múltiples capas de la pirámide de silicio también se muestra en la Fig. 2, y los índices de refracción complejos de diferentes capas pueden resolverse mediante la fórmula de aproximación del medio eficaz,

$$ \ frac {f_1 \ left ({N} _ {Si} ^ 2- {N} _ {Eff} ^ 2 \ right)} {\ left ({N} _ {Si} ^ 2 + 2 {N} _ {Eff} ^ 2 \ right)} + \ frac {f_2 \ left ({N} _ {Air} ^ 2- {N} _ {Eff} ^ 2 \ right)} {\ left ({N} _ { Aire} ^ 2 + 2 {N} _ {Eff} ^ 2 \ right)} =0 $$ (3)

donde f ₁ y f ₂ son la relación entre el volumen de llenado de las rejillas piramidales de silicio y el aire, respectivamente, y f ₁ + f ₂ =1. N _Si , N _Aire y N _Eff son los índices de refracción complejos de CS, aire y la capa intermedia de rejillas piramidales de silicio, respectivamente.

Combinando las fórmulas anteriores, el flujo de fotones absorbidos de cada capa se puede calcular mediante la siguiente fórmula,

$$ {\ varPhi} _i =\ int {A} _iF \ left (\ lambda \ right) \ lambda / \ left ({h} _0 {c} _0 \ right) d \ lambda $$ (4)

A _i es el coeficiente de absorción de energía de cada capa; F ( λ ) es la distribución de la intensidad espectral de la radiación solar en la superficie de la Tierra bajo el espectro AM1.5. λ es la longitud de onda de la luz incidente, h ₀ y c ₀ son la constante de Planck y la velocidad de la luz en el vacío, respectivamente. El número total de fotones absorbidos se puede expresar como Φ =∑ Φ _i .

Resultados y discusión

Para las diferentes estructuras de rejilla piramidal, y con fines de comparación, los parámetros relacionados se seleccionan de la siguiente manera. En primer lugar, el grosor de la capa CS H =10 µm; la altura y el diámetro inferior de la pirámide de silicio se establecen H ₁ = H ₂ =200 nm y D ₁ = D ₂ =100 nm, respectivamente. Para FPG, la relación entre el período y el diámetro del fondo se establece en P ₁ / D ₁ =1, y para juegos de rol, dos proporciones P ₂ / D ₂ =1 y P ₂ / D ₂ =Se consideran 10. Finalmente, para DSPG, se comparan las diferentes combinaciones de los parámetros anteriores.

Los rendimientos ópticos de las diferentes estructuras de rejilla piramidal bajo los parámetros dados se muestran en la Fig. 3. Como se puede ver en la Fig. 3 (a) y (b), las rejillas de la superficie frontal pueden reducir en gran medida la reflexión de la luz de toda la banda y mejorar la absorción total de luz, especialmente en las regiones I y II. Mientras tanto, en la región II, la absorción de luz infrarroja puede mejorarse mediante las rejillas de la superficie trasera con los parámetros de proporción adecuados ( P ₂ / D ₂ =10). Por lo tanto, usarlos juntos, para DSPG, ajustando los parámetros correctos no solo pueden maximizar la absorción de luz al límite de Yablonovitch [7], sino también lograr la reflexión de luz cero de toda la banda que puede producir el verdadero silicio negro. Además, las rejillas piramidales de la superficie posterior pueden aumentar la transmisión de la luz visible y del infrarrojo cercano que se ve en la Fig. 3 (c), lo cual es beneficioso para su uso en fotodetectores del infrarrojo cercano y otros campos [9, 10].

Propiedades ópticas de diferentes estructuras de rejilla piramidal de silicio bajo los parámetros dados en comparación con el BCS del mismo espesor (BCS ( H =10 μm), FPG ( P ₁ / D ₁ =1, H ₁ =200 millas náuticas), RPG ( P ₂ / D ₂ =1 o P ₂ / D ₂ =10, H ₂ =200 nm), DSPG ( P ₁ / D ₁ =1, P ₂ / D ₂ =1 o P ₂ / D ₂ =10, H ₁ = H ₂ =200 nm)). ( a ), ( b ) y ( c ) son la reflectividad, la absortividad y la transmisividad totales de la luz, respectivamente

Para las células solares CS, el objetivo final es mejorar en gran medida la absorción de luz, especialmente en el cuerpo CS. Por lo tanto, es necesario seguir estudiando la distribución de los fotones absorbidos entre varias partes. Para la estructura FPG y la estructura RPG, los mapas de contorno tridimensionales de la absorción de fotones en cada parte se muestran en la Fig. 4 y la Fig. 5, respectivamente.

Mapas de contorno de la distribución de absorción de fotones en diferentes partes para la estructura FPG. ( a ) La absorción total de fotones A . ( b ) La absorción de fotones de las rejillas de la superficie frontal A _F . ( c ) La absorción de fotones de CS part A _Si . (La línea de puntos en la ilustración representa la absorción de BCS)

Mapas de contorno de la distribución de absorción de fotones en diferentes partes para estructura RPG. ( a ) La absorción total de fotones A . ( b ) La absorción de fotones de CS part A _Si . ( c ) La absorción de fotones de las rejillas de la superficie trasera A _R . (La línea de puntos en la ilustración representa la absorción de BCS)

Para la estructura FPG, cambiando los parámetros geométricos de las matrices piramidales, la distribución de absorción de fotones total comparada con la distribución de absorción de fotones de cada parte se muestra en la Fig. 4. Puede verse en la Fig. 4 (a) que el total de fotones absorbidos aumenta con la altura más alta de la pirámide, mientras que la relación más grande de período a diámetro no es efectiva para la absorción de fotones. Entonces, significa que la altura más alta y junto con el espacio más pequeño recolectarán más fotones de alta frecuencia y lo mismo parece cierto para la absorción de FPG que se muestra en la Fig. 4 (b). Sin embargo, si la altura de la FPG continúa aumentando, reduce la absorción de fotones del CS ubicado debajo como se muestra en la Fig. 4 (c). Obviamente, hay una configuración de parámetros óptima donde P ₁ / D ₁ =1.05, H ₁ =53 nm. Además, si se asume que los fotones absorbidos por la pirámide de silicio no están involucrados en la conversión de pares electrón-hueco en el CS, con base en estos cálculos, también se obtienen los rangos adecuados de los parámetros geométricos FPG y se comparan con los valores desnudos. silicio que se muestra en la Fig. 4 (c). En resumen, cuanto mayor sea la altura de FPG, menor será la reflectividad, pero esto no significa que haya una absorción de luz más efectiva.

De la misma manera, para la estructura RPG, las distribuciones de absorción de fotones del todo y cada parte se muestran en la Fig. 5. Para la absorción total mostrada en la Fig. 5 (a), comparada con la estructura FPG, se muestra una significativa La diferencia en que la absorción de fotones aumenta con la relación más grande entre el período y el diámetro del fondo y la altura de la pirámide más baja. Esto significa que, por un lado, la relación más grande de P ₂ / D ₂ y menor H ₂ reduce la transmisión de fotones de baja frecuencia y los fotones retroceden, aumentando así la reflexión. Pero, por otro lado, se promueve la absorción de fotones en el proceso. Obviamente, la configuración de parámetros que da como resultado la menor absorción es P ₂ / D ₂ =1.01, H ₂ =168 nm, y los rangos adecuados de los parámetros geométricos RPG también se obtienen en comparación con el silicio desnudo mostrado en la Fig. 5 (a). Sin embargo, en la parte CS mostrada en la Fig. 5 (b), no hay una mejora obvia en la absorción de luz efectiva porque se refleja un gran número de fotones. La Figura 5 (c) muestra que los fotones absorbidos por la rejilla de la superficie trasera son dos órdenes de magnitud más bajos que los absorbidos por CS, y hay una tendencia similar que se parece a la de la absorción total mostrada en la Figura 5 (a). Aquí también, la configuración de los parámetros es P ₂ / D ₂ =1.03 y H ₂ =170 nm y casi lo mismo que el anterior.

Como se ve en la distribución de absorción de FPG y RPG, el primero obviamente juega un papel importante en la mejora de la absorción de fotones que se muestra en la Fig.4 (c), mientras que el segundo implica que la absorción de fotones en la parte CS se debilita debido a la existencia de las rejillas de la superficie trasera mostradas en la Fig. 5 (b). Combinando los hallazgos anteriores, las propiedades ópticas de los cuatro conjuntos de diferentes parámetros que son representativos del DSPG se estudian y se muestran en la Fig. 6.

Propiedades ópticas de cuatro conjuntos de parámetros diferentes para el DSPG ( P ₁ / D ₁ =10, H ₁ =10 nm y P ₂ / D ₂ =1.03, H ₂ =170 nm o P ₂ / D ₂ =10, H ₂ =10 nm; P ₁ / D ₁ =1.05, H ₁ =53 nm y P ₂ / D ₂ =1.03, H ₂ =170 nm o P ₂ / D ₂ =10, H ₂ =10 nm) en comparación con el BCS ( H =10 μm) y FPG ( P ₁ / D ₁ =1.05, H ₁ =53 nm y P ₁ / D ₁ =10, H ₁ =10 nm). ( a ), ( b ), ( c ) y ( d ) son la reflectividad total de la luz, la transmisividad, la absortividad y la absortividad de la parte CS, respectivamente

Debido a la débil capacidad de transmisión de los fotones de alta frecuencia que se muestra en la Fig.6 (b), si la relación entre el período y el diámetro del fondo no es apropiada ( P ₁ / D ₁ =10 y H ₁ =10 nm), no solo no reduce la reflectividad, sino que también hace que la reflexión aumente y la absorción disminuya como se muestra en la Fig. 6. Solo parámetros adecuados ( P ₁ / D ₁ =1.05 y H ₁ =53 nm) puede lograr una mejora significativa de la absorción de luz. Para el CS, debido a su propia incapacidad para absorber los fotones de frecuencia más baja como se muestra en la región III, la modulación de las rejillas de la superficie delantera y trasera solo afecta la distribución de la luz entre la reflexión y la transmisión. Resulta obvio que las rejillas traseras están desempeñando un papel importante en la región II y la región III, y con la coincidencia adecuada de los parámetros de las rejillas de la superficie frontal ( P ₁ / D ₁ =1.05, H ₁ =53 nm y P ₂ / D ₂ =1.03, H ₂ =170 nm), se puede realizar una reflexión casi nula de la banda de onda completa. En comparación con el FPG de los mismos parámetros, para la absorción total mostrada en la Fig.6 (c), en la región II, la presencia de las rejillas de la superficie trasera con los parámetros apropiados puede realmente mejorar la absorción de luz infrarroja ( P ₂ / D ₂ =10, H ₂ =10 nm), lo que confirma las conclusiones anteriores de que el diseño de doble rejilla no coincidente puede permitir mejoras significativas en el rendimiento del dispositivo [10]. Sin embargo, para la absorción de la parte de CS mostrada en la figura 6 (d), el uso del diseño de rejillas de la superficie trasera tiene poco efecto en la mejora de la absorción de luz de CS. Por tanto, en este sentido, aunque el RPG puede reflejar la luz y redirigirla hacia las regiones fotoactivas de la célula solar [12], no aporta ningún beneficio añadido para la absorción de luz eficaz. Es necesario desarrollar algunos diseños novedosos para ajustar el espectro de absorción para una integración optimizada [1, 13].

Conclusiones

El diseño de la estructura de rejilla piramidal de doble cara se adopta para promover la absorción de luz general de la celda solar de silicio, y también puede realizar la reflexión cero ajustando los parámetros. Sin embargo, para la absorción de luz efectiva de la parte CS, no aumenta con la mejora de la absorción de luz general. Para las rejillas piramidales de la superficie frontal, la proporción sugerida de P ₁ / D ₁ es inferior a 1,4 y H ₁ está entre 10 y 600 nm, y para las rejillas piramidales de la superficie trasera, hay poco efecto sobre la mejora de la absorción de luz efectiva, por lo que no son necesarias las rejillas traseras. Por lo tanto, la innovación y el diseño optimizado de la textura de la superficie frontal es una gran tendencia para mejorar aún más la eficiencia de las células solares.

Abreviaturas

CS:

Silicio cristalino

DSPG:

Rejilla piramidal de doble cara

FPG:

Rejilla piramidal frontal

RPG:

Rejilla piramidal trasera

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