Optimización de la absorción de luz de banda ancha en células solares de silicio de película delgada con rejillas piramidales de doble cara
Resumen
El empleo de una rejilla piramidal de doble cara en películas delgadas de silicio cristalino (CS) puede ampliar sustancialmente el rendimiento de absorción de luz. Una rejilla frontal suprime eficazmente la reflexión en el régimen de longitud de onda corta, mientras que una rejilla trasera logra un efecto similar en longitudes de onda largas. Este estudio analiza la distribución de absorción de fotones para cada componente de la estructura de doble cara y la compara con CS desnudo. Las simulaciones teóricas muestran que un ajuste juicioso de los parámetros de la rejilla reduce drásticamente la reflexión de banda ancha, facilitando la creación de silicio negro y aumentando la captura global de luz. No obstante, nuestros resultados indican que añadir una rejilla trasera no se traduce en una mayor absorción efectiva dentro del silicio en masa.
Antecedentes
Los avances en microfabricación han convertido las texturas de superficie a nanoescala y morfologías diseñadas en una piedra angular de la fotovoltaica de próxima generación [1], [2]. Para células solares de película delgada de CS, optimizar los parámetros estructurales es crítico para acercar las eficiencias al límite teórico de Yablonovitch [7]–[10]. Dado que cada fotón absorbido con energía por encima de la banda prohibida genera un solo par electrón-hueco, la distribución de la absorción de fotones a través de las capas de la celda determina la eficiencia de conversión final. Este artículo se centra en cómo las rejillas piramidales frontales (FPG), traseras (RPG) y su combinación (DSPG) influyen en la absorción de fotones en la capa de CS.
Descomponemos la absorción total de fotones A en tres contribuciones: absorción en las rejillas frontales (AF), en el silicio en masa (ASi) y en las rejillas traseras (AR), como se ilustra en la Fig. 1. Estas satisfacen la relación de conservación R + T + A = 1. Importante, ASi se calcula de manera diferente para cada variante estructural.
Diferentes estructuras de células solares de silicio cristalino (CS) de película delgada con o sin rejillas piramidales. a Silicio cristalino desnudo (BCS). b Rejilla piramidal frontal (FPG). c Rejilla piramidal trasera (RPG). d Rejilla piramidal de doble cara (DSPG). (AF, ASi y AR representan la absorción de luz de las rejillas de superficie frontal, la parte de CS y las rejillas de superficie trasera, respectivamente. H es el espesor de la capa de CS; P1, D1, H1 y P2, D2, H2 representan el período, diámetro de base y altura de la pirámide de silicio de la superficie frontal o trasera, respectivamente)
Métodos
Nuestras simulaciones combinan el método de radiación neta con aproximación de medio efectivo, un emparejamiento que ha coincidido consistentemente con datos experimentales para rejillas de silicio [4], [11]. La Figura 2 muestra el sistema multicapa: una pila de N capas con índices de refracción complejos Ni en cada interfaz (i = 1…N−1). Los flujos de energía entrantes y salientes se denotan Qi,a, Qi,b, Qi+1,c y Qi+1,d.
Estructura esquemática de medio multicapa de las rejillas piramidales de silicio, con convención de numeración de interfaces (1, …, i, …, N−1), índice de refracción complejo (N1, …, Ni, …, NN) y flujos de radiación electromagnética (Qi,a, Qi,b, Qi+1,c, Qi+1,d, …)
El balance de energía en cada interfaz sigue:
{\n Q_{i,a}=\tau_iQ_{i,c}\n Q_{i,b}=r_{i,i+1}Q_{i,a}+t_{i+1,i}Q_{i+1,d}\n Q_{i+1,c}=t_{i,i+1}Q_{i,a}+r_{i+1,i}Q_{i+1,d}\n Q_{i+1,d}=\tau_{i+1}Q_{i+1,b}\n}
donde ri,i+1 y ti,i+1 son la reflectividad y transmisividad de Fresnel. La atenuación de absorción de la capa i es:
\tau_i=\exp\left[-\alpha_i\,d_i/\cos\varphi_i\right]
con αi = 4\pi ki/\lambda y ki la parte imaginaria de Ni. Asumiendo incidencia normal Q1,a=1 y flujo saliente nulo en la parte trasera QN,d=0, el coeficiente de absorción de la capa i es Ai=Qi,a−Qi,c+Qi,d−Qi,b.
Los índices de refracción efectivos para las capas piramidales se obtienen mediante la fórmula de Bruggeman:
\frac{f_1(N_{Si}^2-N_{Eff}^2)}{N_{Si}^2+2N_{Eff}^2}+\frac{f_2(N_{Air}^2-N_{Eff}^2)}{N_{Air}^2+2N_{Eff}^2}=0
donde f1 y f2=1−f1 son las fracciones volumétricas de silicio y aire. El flujo total de fotones absorbidos en la capa i es entonces:
\Phi_i=\int A_i\,F(\lambda)\,\lambda/(h_0c_0)\,d\lambda
con F(\lambda) el espectro solar AM1.5. El flujo absorbido agregado es Φ=\sum_i\Phi_i.
Resultados y discusión
Para una comparación justa, fijamos el espesor de la capa de CS a H = 10 µm. La altura y el diámetro de base de la pirámide se fijan en H1=H2=200 nm y D1=D2=100 nm, respectivamente. La relación período-diámetro de la rejilla frontal es P1/D1=1. Para la rejilla trasera, exploramos P2/D2=1 y 10. La configuración de doble cara combina estos conjuntos de parámetros.
La Figura 3 resume el rendimiento óptico de cada estructura. Las rejillas frontales reducen dramáticamente la reflexión de banda ancha y aumentan la absorción total, especialmente en la región de longitud de onda corta (regiones I y II). Las rejillas traseras suprimen aún más la reflexión en el infrarrojo (región II) cuando P2/D2=10. Juntas, la DSPG puede acercarse al límite de Yablonovitch y lograr reflexión cercana a cero en todo el espectro, un sello distintivo del silicio negro. Curiosamente, las rejillas traseras aumentan la transmisión en el visible e infrarrojo cercano, lo que puede beneficiar a fotodetectores [9], [10].
Propiedades ópticas de diferentes estructuras de rejillas piramidales de silicio comparadas con el BCS del mismo espesor (BCS (H = 10 µm), FPG (P1/D1=1, H1=200 nm), RPG (P2/D2=1 o 10, H2=200 nm), DSPG (P1/D1=1, P2/D2=1 o 10, H1=H2=200 nm)). (a), (b) y (c) son la reflectividad total, absortividad y transmisividad, respectivamente.
Para diseccionar dónde se absorben los fotones, presentamos mapas de contorno tridimensionales para las estructuras FPG y RPG en la Fig. 4 y Fig. 5. Estos mapas revelan que, para la FPG, aumentar la altura de la pirámide mejora la absorción total pero eventualmente reduce la absorción en el silicio en masa una vez que la capa frontal se vuelve demasiado alta. La geometría óptima de la rejilla frontal aparece en P1/D1=1,05 y H1=53 nm.
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 superficie frontal AF. (
Mapas de contorno de la distribución de absorción de fotones en diferentes partes para la estructura RPG. (a) La absorción total de fotones A. (b) La absorción de fotones de la parte de CS ASi. (
Para la RPG, una relación período-diámetro mayor (P2/D2=10) acoplada con una altura de pirámide más corta aumenta la absorción infrarroja redirigiendo la luz hacia la capa activa. Sin embargo, la absorción en el silicio en masa permanece prácticamente inalterada porque las rejillas traseras reflejan muchos fotones en lugar de capturarlos. En consecuencia, aunque las rejillas traseras mejoran la absorción total, no mejoran la absorción efectiva dentro del cuerpo de CS.
La Figura 6 consolida el rendimiento de cuatro conjuntos de parámetros DSPG representativos. Cuando la relación de la rejilla frontal es demasiado grande (ej. P1/D1=10 con H1=10 nm), la reflexión aumenta y la absorción cae. Solo la configuración P1/D1=1,05, H1=53 nm, emparejada con P2/D2=1,03 y H2=170 nm entrega reflexión cercana a cero y absorción máxima en todo el espectro. Sin embargo, incluso en esta DSPG óptima, la fracción de fotones absorbidos por el silicio en masa no supera a la de la mejor FPG sola, subrayando que las rejillas traseras ofrecen un beneficio limitado para la absorción en masa.
Propiedades ópticas de cuatro conjuntos de diferentes parámetros para la DSPG (P1/D1=10, H1=10 nm y P2/D2=1,03, H2=170 nm o P2/D2=10, H2=10 nm; P1/D1=1,05, H1=53 nm y P2/D2=1,03, H2=170 nm o P2/D2=10, H2=10 nm) comparadas con el BCS (H=10 µm) y FPG (P1/D1=1,05, H1=53 nm y P1/D1=10, H1=10 nm). (a), (b), (c) y (d) son la reflectividad total, transmisividad, absortividad y la absortividad de la parte de CS, respectivamente.
En resumen, aunque la rejilla trasera puede adaptar la respuesta espectral y reducir la reflexión, ofrece una mejora insignificante en la absorción efectiva del silicio en masa. La geometría de la rejilla frontal sigue siendo la palanca crítica para maximizar la absorción en masa y lograr células solares de silicio de alta eficiencia y baja reflexión.
Conclusiones
La estrategia de rejilla piramidal de doble cara aumenta la absorción total de luz y puede suprimir la reflexión en todo el espectro. Sin embargo, no mejora la absorción efectiva dentro del silicio en masa. Para un rendimiento óptimo, recomendamos una relación período-diámetro de la rejilla frontal inferior a 1,4 y una altura entre 10 nm y 600 nm. Las rejillas traseras ofrecen un beneficio mínimo para la absorción en masa y pueden omitirse en favor de un diseño simplificado y rentable que se centre en la textura del lado frontal.
Abreviaturas
- CS:
Silicio cristalino
- DSPG:
Rejilla piramidal de doble cara
- FPG:
Rejilla piramidal frontal
- RPG:
Rejilla piramidal trasera
Nanomateriales
- Las 9 Prácticas de Seguridad Comprobadas para Entornos Industriales
- Aprovechando la energía solar interior para dispositivos inteligentes
- 9 mejores prácticas probadas para desplegar DevOps en la nube
- Aprovechando DSPs para IA de audio en tiempo real en el borde
- Tiempos de entrega de rejilla PRFV y por qué DEFI es la opción confiable de la industria
- Plataforma de Cristal 2D Habilitada por Oro para Tecnologías Cuánticas de Próxima Generación
- Nano-heterouniones: Impulsando eficiencia de celdas solares con puntos cuánticos coloidales
- Optimización de emisión de luz de ángulo completo en micro-LEDs con recubrimientos de película delgada altamente reflectantes
- Mejora de la Absorción de Luz por Plasmones en Células Solares de Nanohilos de GaAs: Un Estudio de Diferencias Finitas en el Dominio Temporal
- Diseño de nanohilos InP para cosecha solar superior
- Optimización de Precursores Titanio para Capas Compactas TiO₂ Alto Rendimiento en Celdas Solares Perovskita