Mejora de la eficiencia fotovoltaica de celdas solares de nanoconos GaAs con unión pin mediante absorción óptica optimizada

Resumen

Se investiga el rendimiento fotovoltaico de celdas solares de arrays de nanoconos GaAs con unión pin axial y radial. Comparado con arrays de nanohilos cilíndricos, los arrays de nanoconos no solo mejoran la absorción óptica total sino, más importante, mejoran la absorción efectiva (absorción en la región de agotamiento). La absorción efectiva mejorada se atribuye al desplazamiento hacia abajo y extensión de la región de absorción inducido por la punta encogida, que suprime dramáticamente la pérdida de absorción en la región superior altamente dopada y mejora la absorción en la región de agotamiento. Las eficiencias de conversión más altas para celdas solares de nanoconos GaAs axial y radial son 20.1% y 17.4%, obtenidas a ángulo de inclinación de 5° y 6°, respectivamente, ambas mucho mayores que sus contrapartes de nanohilos cilíndricos. Las estructuras de nanoconos son candidatos prometedores para celdas solares de alta eficiencia.

Antecedentes

Materiales de baja dimensionalidad, incluyendo puntos cuánticos (QDs), nanohilos (NWs) y materiales bidimensionales en capas, son prometedores para aplicaciones fotovoltaicas debido a sus propiedades únicas. En comparación con sus contrapartes planares, arrays de nanohilos (NW) III-V tienen excelentes propiedades ópticas como anti-reflexión y atrapamiento de luz, mostrando gran potencial en celdas solares de alto rendimiento. Además, el área de huella ultrasmall de NWs reduce suficientemente consumo de material y aumenta tolerancia a desajuste de red, permitiendo celdas solares de bajo costo con menos material y sustrato más barato. La unión pin es la parte clave de una celda solar NW, que absorbe luz y convierte fotones en pares electrón-hueco. Según geometría de unión pin, celdas solares de arrays NW pueden dividirse en pin axial y radial (o core-shell), ambas ampliamente investigadas. Sin embargo, hasta la fecha, las mejores eficiencias para celdas solares de arrays NW III-V axial y radial son 15.3% y 7.43%, respectivamente, aún mucho menores que sus contrapartes planares.

Hasta ahora, muchos esfuerzos se han hecho para mejorar rendimiento de celdas solares de arrays NW, principalmente incluyendo optimización de relación diámetro/período (D/P), diámetro y longitud, para obtener mejor absorción óptica de todo el array NW. Sin embargo, la mejora de absorción del array NW completo no necesariamente conduce a aumento de eficiencia de conversión final. Para arrays NW pin prácticos, los fotoportadores generados en región p (o n) recombinan rápidamente debido a falta de campo eléctrico interno. Por tanto, en cierta medida, la absorción en la región de agotamiento, o absorción óptica efectiva, determina directamente la eficiencia final. Sin embargo, para arrays NW cilíndricos típicos, la mayor parte de la luz es absorbida por la parte superior de NWs, mientras la absorción de la región de agotamiento, que usualmente se ubica en el medio, no es suficiente. Particularmente, para arrays NW pin axial, la luz incidente debe pasar través de región p(n) antes de ser absorbida por región de agotamiento, llevando a gran pérdida de luz.

Una forma posible de mejorar absorción óptica efectiva de arrays NW es modular geometría de NW. Por ejemplo, celda solar de array NW pin axial inclinado se ha reportado para mejorar absorción de región de agotamiento reduciendo absorción de región superior p (o n). Sin embargo, en práctica, la relación D/P debe ser mucho menor que arrays NW verticales para evitar cruce de NWs adyacentes, lo que limita eficiencia de conversión. NWs cónicos, o nanoconos, se espera mejoren absorción óptica efectiva ya que luz incidente puede ser absorbida directamente por región de agotamiento sin pasar por región superior. Hasta la fecha, nanoconos con diferentes ángulos de inclinación y relaciones de aspecto han sido fabricados por métodos catalizados por Au vapor-líquido-sólido y autoensamblaje libre de catalizador, y propiedades de absorción óptica también han sido simuladas. En celdas solares prácticas, la influencia del dopaje en propiedades de transporte y ópticas no puede ignorarse, y recombinación radiativa, Auger y Shockley-Read-Hall (SRH) también juega papel importante en conversión fotoeléctrica. Sin embargo, a nuestro conocimiento, el rendimiento fotovoltaico de celdas solares nanocono p(i)n considerando los factores mencionados no ha sido estudiado en detalle aún.

En este artículo, se presenta una simulación optoelectrónica tridimensional (3D) acoplada para investigar rendimiento fotovoltaico de celdas solares de nanoconos GaAs con unión pin axial y radial. Propiedades de absorción óptica se investigaron usando diferencias finitas en dominio temporal (FDTD). Los perfiles de fotogeneración se incorporaron luego en simulaciones eléctricas para calcular características densidad de corriente vs voltaje (J-V) usando método de elementos finitos (FEM). Movilidad dependiente de dopaje, estrechamiento de banda, y recombinación radiativa, Auger y SRH fueron todos considerados en simulaciones eléctricas. Las eficiencias más altas para celdas solares de nanoconos con unión pin axial y radial son 20.1% y 17.4%, respectivamente, mucho mayores que sus contrapartes de NW cilíndricos. El mecanismo de mejora de eficiencia se discute.

Métodos

El modelo de array de nanoconos GaAs pin axial se muestra en Fig. 1, consistiendo en nanoconos pin axiales periódicos con diámetro D = 180 nm, período P = 360 nm y longitud L = 2 µm. Tanto regiones p- como n- tienen longitud 200 nm y están dopadas uniformemente a 3 × 10¹⁸ cm⁻³ y 1 × 10¹⁷ cm⁻³, respectivamente. El sustrato GaAs es tipo n con concentración de portadores 1 × 10¹⁷ cm⁻³. El diámetro del nanocono se define como promedio de diámetros superior e inferior. El ángulo de inclinación (θ) es el ángulo entre pared lateral y dirección normal de superficie inferior (sustrato). En simulación, ángulo de inclinación cambia de 0 a 5° variando diámetros inferior y superior manteniendo diámetro promedio constante.

Propiedades ópticas de la estructura se investigan mediante módulo Sentaurus Electromagnetic Wave (EMW) Solver. Tamaño mínimo de celda de malla FDTD se establece a 5 nm, y número de nodos por longitud de onda es 20 en todas direcciones. Colocando condiciones de frontera periódicas, simulaciones pueden realizarse en una sola celda unitaria para modelar estructura de array periódico. Para ahorrar recursos y tiempo de cálculo, espesor de sustrato GaAs se limita a 0.4 µm. Sin embargo, usando capa de acoplamiento perfecto (PML) adyacente a sustrato GaAs, luz transmitida es totalmente absorbida, permitiendo modelar sustrato GaAs semi-infinito. Índice de refracción complejo dependiente de longitud de onda para describir propiedades de dispersión de material GaAs se obtiene de estudio de Levinshtein et al. Luz incidente desde arriba se establece paralela a eje NW como indica Fig. 1. Usamos onda plana definida con intensidad de potencia y valores de longitud de onda desde espectro solar AM 1.5G discretizado con longitud de onda 290–900 nm (región típica de absorción GaAs) para modelar luz solar. Generación óptica total bajo iluminación AM 1.5G puede modelarse superponiendo tasas de generación óptica de longitud de onda única ponderadas por potencia. Tasa de generación óptica G_ph se obtiene del vector Poynting S:

$$ {G}_{ph}=\frac{\left|\overrightarrow{\nabla}\cdot \overrightarrow{S}\right|}{2\mathrm{\hslash}\omega }=\frac{\varepsilon^{{\prime\prime} }{\left|\overrightarrow{E}\right|}^2}{2\mathrm{\hslash}} $$ (1)

donde ħ es constante de Planck reducida, ω frecuencia angular de luz incidente, E intensidad de campo eléctrico en cada punto de malla, y ε″ parte imaginaria de permitividad. Monitor de reflexión se ubica sobre superficie superior del NWA, y monitor de transmisión en superficie inferior del sustrato para calcular luz absorbida. Cantidad de potencia transmitida a través de monitores de potencia se normaliza a potencia de fuente en cada longitud de onda. Reflectancia R(λ) y transmisión T(λ) se calculan por:

$$ R\left(\lambda \right),T\left(\lambda \right)=0.5\int \mathrm{real}\left\{p{\left(\lambda \right)}_{\mathrm{monitor}}\right\} dS/{P}_{\mathrm{in}}\left(\lambda \right) $$ (2)

donde P(λ) es vector Poynting, dS normal de superficie, y P_in(λ) potencia de fuente incidente en cada longitud de onda. Espectro de absorción A(λ) de NWAs GaAs se da por:

$$ A\left(\lambda \right)=1-R\left(\lambda \right)-T\left(\lambda \right) $$ (3)

Para modelado eléctrico, los perfiles 3D de generación óptica se incorporan en malla de elementos finitos de NWs en herramienta eléctrica, que resuelve ecuaciones de continuidad de portadores acopladas con ecuación de Poisson autoconsistentemente en 3D. Movilidad dependiente de dopaje, estrechamiento de banda, y recombinación radiativa, Auger y SRH se consideran en simulaciones eléctricas de dispositivo. Parámetros críticos de material para simulaciones de dispositivo se obtienen mayormente del modelo de Levinshtein, mostrado en Tabla 1.

Resultados y Discusión

Celdas Solares de Array Nanocono GaAs con Unión Pin Axial

Figura 2a–c muestra absorbancia, reflectancia y transmitancia dependientes de longitud de onda de arrays nanocono GaAs axial con diferentes ángulos de inclinación. Comparado con arrays NW cilíndricos (θ = 0°), arrays nanocono muestran menor reflectancia en todo rango de longitud de onda, fenómeno más obvio con aumento de ángulo. Habilidad anti-reflexión de arrays NW atribuible a bajo ratio de llenado, que reduce índice de refracción efectivo y ofrece buen acoplamiento de impedancia entre GaAs y aire. Para arrays nanocono con gran ángulo, ratio de llenado en parte superior es extremadamente bajo, conduciendo a acoplamiento de impedancia casi perfecto con aire y reflexión casi nula. En rango longitud de onda corta 300–700 nm, absorbancia aumenta con ángulo debido a supresión de reflexión. Sin embargo, absorbancia de luz longitud de onda larga cerca de banda prohibida GaAs disminuye en ángulo grande debido a punta nanocono muy delgada que no soporta modos ópticos. Figura 2d muestra integral ponderada AM 1.5G de espectros absorbancia, reflectancia y transmitancia para diferentes ángulos. En ángulos pequeños, absorbancia aumenta con ángulo debido a reflectancia disminuida. Cuando ángulo excede 3°, absorbancia disminuye ligeramente. Esto probablemente atribuido a camino de absorción reducido ya que punta nanocono muy delgada no soporta modos longitud de onda larga. No obstante, absorción total de nanoconos en diferentes ángulos (1~5°) tiene muy poca diferencia (rango 92~93.5%), sugiriendo ángulo de inclinación tiene poca influencia en absorción total. Alternativamente, se cree que ángulo de inclinación tiene fuerte impacto en absorción en región intrínseca, que domina eficiencia de conversión fotoeléctrica. Esto se discutirá en detalle a continuación.

Perfiles de generación óptica total de arrays nanocono GaAs axial bajo iluminación AM 1.5G se muestran en Fig. 3a. Se ve que a θ = 0°, la mayoría de fotones absorbidos se concentran en parte superior de NWs cilíndricos. Debido a alta concentración de dopaje y falta de campo eléctrico interno para separación de pares electrón-hueco, recombinación de fotoportadores en región p superior es muy alta, resultando en gran pérdida de luz incidente. Para arrays nanocono, posición de absorción de fotones se desplaza hacia abajo con aumento de ángulo, conduciendo a mejora de absorción en región i. Como se ha reportado, absorción de luz de NWs es dominada por modos resonantes, estrechamente relacionados con diámetro NW. Debido a geometría única de nanoconos, pocos modos longitud de onda larga pueden ser soportados en región superior con diámetro pequeño. Esto es respaldado por Fig. 3b–g, que presentan perfiles de generación óptica dependientes de longitud de onda de nanoconos con ángulo 0~5°. Se ve que en NWs cilíndricos, mayor absorción se concentra en región superior para todas longitudes de onda. Sin embargo, al aumentar ángulo, modos ópticos, particularmente modos longitud de onda larga, se desplazan hacia región más gruesa. Por tanto, aumento de ángulo no solo conduce a mejora de absorción en región i media sino también reducción de absorción en región superior. Esto explica por qué array nanocono con ángulo medio 3° tiene alta absorción total como muestra Fig. 3e, ya que absorción en ambas regiones p superior e i media es relativamente fuerte en ese ángulo. Se cree que desplazamiento hacia abajo de absorción juega papel crítico en mejora de rendimiento del dispositivo ya que no solo suprime pérdida de absorción en región p superior sino también mejora absorción en región i media.

Espectros de absorción de región i se grafican en Fig. 4a. En región longitud de onda corta, a medida que diámetro de región p se encoge con aumento de ángulo, tanto volumen de región p como potencia de luz que puede confinarse en nanocono disminuyen, llevando a absorción insuficiente en región p y alta absorbancia en región i. En región longitud de onda larga, región de absorción se extiende hacia región n inferior en nanoconos en ángulo grande, resultando en absorbancia disminuida en región i. Figura 4b muestra integral de espectros absorción en región i. Absorbancia de cada longitud de onda ponderada por espectro AM 1.5G. Se ve que absorción en región i aumenta dramáticamente con aumento de ángulo, indicando absorción efectiva mejorada que se espera mejore eficiencia de conversión.

Los perfiles de fotogeneración se incorporan luego en herramienta eléctrica para estudiar rendimiento fotovoltaico de celda solar de array nanocono pin axial. Figura 5a muestra características corriente-voltaje en diferentes ángulos. Comparado con arrays NW cilíndricos, densidad de corriente de cortocircuito (J_sc) mucho mayor se obtiene en celdas solares de array nanocono. A θ = 5°, dispositivo rinde J_sc de 30.1 mA/cm² (7.3 mA/cm² mayor que cilíndrico) y V_oc de 0.885 V, resultando en alta eficiencia de conversión fotoeléctrica (η) de 20.1% (4.8% mayor que cilíndrico). Figura 5b grafica dependencia de eficiencia de conversión en ángulo. A medida que ángulo aumenta de 0 a 5°, eficiencia aumenta monótonamente de 15.3 a 20.1%. Como mencionamos, absorción de todo array nanocono satura en θ = 2°, sugiriendo mejora de eficiencia en ángulo grande no causada por mejora de absorción de todo array. En cambio, tendencia de eficiencia está altamente de acuerdo con absorción en región i mostrada en Fig. 4b, demostrando que eficiencia de conversión es dominada por absorción óptica efectiva en región i.

Celdas Solares de Array Nanocono GaAs con Unión Pin Radial

Modelo de array nanocono GaAs pin radial se muestra en Fig. 6, consistiendo en nanoconos pin radiales periódicos con diámetro D = 360 nm, período P = 720 nm y longitud L = 2 µm. Espesor de región i es 10 nm, y radio de núcleo iguala espesor de cáscara. Concentraciones de dopaje de núcleo tipo n y cáscara tipo p se establecen iguales a nanoconos axiales. Ángulo de inclinación cambia de 0 a 10° variando diámetros inferior y superior manteniendo diámetro promedio constante.

Absorbancia, reflectancia y transmitancia dependientes de longitud de onda de arrays nanocono GaAs radial con diferentes ángulos se muestran en Fig. 7a–c. Similar a estructuras axiales, nanoconos radiales muestran menor reflectancia en todo rango longitud de onda comparado a NWs cilíndricos radiales (θ = 0°), fenómeno más obvio con aumento de ángulo. En Fig. 7a, se ve que en rango 300–700 nm, absorbancia aumenta con ángulo debido a supresión de reflectancia. Mientras en ángulos grandes, punta nanocono demasiado delgada para soportar modos longitud de onda larga, resultando en disminución de absorbancia. Figura 7d muestra integral ponderada AM 1.5G de espectros absorbancia, reflectancia y transmitancia para diferentes ángulos. Se ve que a medida que ángulo aumenta, absorción exhibe tendencia general ascendente con ligeras fluctuaciones, sugiriendo excelentes propiedades de absorción para estructuras nanocono.

Figura 8 muestra perfiles de generación óptica total de arrays nanocono GaAs radial bajo iluminación AM 1.5G. Similar a arrays axiales, mayoría de fotones se concentran en parte superior de NWs cilíndricos. A medida que ángulo aumenta gradualmente, absorción se desplaza hacia abajo. Como tubo de región i en unión radial penetra todo NW, desplazamiento hacia abajo de absorción no conduce directamente a mejora de absorción como en unión pin axial. Sin embargo, junto con desplazamiento hacia abajo, longitud de absorción también se extiende, resultando en solapamiento mejorado entre absorción de luz y región i. Por tanto, absorción efectiva también se cree mejorada.

Características corriente-voltaje de celdas solares nanocono radial se muestran en Fig. 9a. Comparado con celda solar array NW cilíndrico, J_sc mucho mayor se logra en celdas solares array nanocono. A θ ≥ 6°, todos J_sc exceden 25 mA/cm², por contraste, J_sc es 17.4 mA/cm² a θ = 0°. Figura 9b muestra dependencia de eficiencia de conversión en ángulo. En ángulos pequeños, eficiencia aumenta monótonamente con ángulo y alcanza máximo 17.4% a θ = 6°, 6.4% mayor que contraparte cilíndrica. Cuando ángulo aumentaさらに, eficiencia se satura e incluso disminuye ligeramente. Esto probablemente atribuido a competencia entre absorción de regiones i superior y media. En ángulo grande, punta nanocono demasiado delgada para soportar modos longitud de onda larga. Aunque absorción de parte media de región i aumenta debido a desplazamiento hacia abajo, absorción en parte superior de región i disminuye, compensando incremento en región media.

Conclusiones

En resumen, estudiamos rendimiento fotovoltaico de celdas solares de nanoconos GaAs con unión pin axial y radial mediante simulación optoelectrónica 3D acoplada. Resultados muestran que absorción en array nanocono se desplaza hacia abajo debido a diámetro superior encogido, lo que suprime dramáticamente pérdida de absorción en región superior altamente dopada y mejora absorción en región de agotamiento. Las eficiencias de conversión más altas para celdas solares de nanoconos GaAs axial y radial son 20.1% y 17.4%, obtenidas a ángulo de inclinación de 5° y 6°, respectivamente, ambas mucho mayores que contrapartes de NW cilíndricos. Las estructuras de nanoconos son candidatos prometedores para celdas solares de alta eficiencia.

Abreviaturas

3D

Tridimensional

D/P

Diámetro/período

EMW

Sentaurus Electromagnetic Wave

FDTD

Diferencias finitas en dominio temporal

FEM

Método de elementos finitos

NW

Nanohilo

PML

Capa de acoplamiento perfecto

SRH

Shockley-Read-Hall