Absorbedor solar de nanoantena GaAs: Trampa de luz ultra-ancha para celdas delgadas de alta eficiencia

Resumen

El atrapamiento de luz es un rendimiento importante de las celdas solares ultra-delgadas porque no solo puede aumentar la absorción óptica en la región fotoactiva, sino que también permite la absorción eficiente con muy poco material. La nanoantena de semiconductor tiene la capacidad de mejorar el atrapamiento de luz y aumentar la eficiencia de transferencia de energía solar. En este trabajo, presentamos un absorbedor solar basado en nanoantenas de arseniuro de galio (GaAs). Se logra una absorción de luz casi perfecta (superior al 90%) en el rango de longitud de onda de 468 a 2870 nm, mostrando un atrapamiento de luz ultra-ancho y de cuasi-unidad para la radiación solar. Se obtiene una alta densidad de corriente de cortocircuito de hasta 61.947 mA/cm². Además, el absorbedor solar tiene buena estabilidad estructural y alta tolerancia a la temperatura. Estos ofrecen nuevas perspectivas para lograr celdas fotovoltaicas ultra-compactas y eficientes y emisores térmicos.

Introducción

La energía solar, como energía renovable, limpia y extendida, se estudia ampliamente porque puede transformarse en otras energías para amplias aplicaciones como celdas solares, dispositivos fotovoltaicos y emisores foto-térmicos. Desde que Landy et al. reportaron los absorbedores perfectos basados en meta-materiales de triple capa metal-aislante-metal, se han diseñado muchas nanoestructuras fascinantes para la captación y utilización de energía solar. Vale la pena notar que la captura eficiente de energía solar es clave para estas aplicaciones. Por lo tanto, la respuesta de absorción solar de los absorbedores se estudia usualmente para evaluar el rendimiento de captación de energía solar. El absorbedor ideal posee absorción de cuasi-unidad en un amplio rango de longitud de onda.

En principio, el absorbedor perfecto significa un buen emisor térmico en el mismo rango de longitud de onda. Para una temperatura dada, la energía de radiación puede describirse y detectarse bien por la absorción de la estructura. Además, la relación de absorción a la radiación térmica siempre es igual a la emisividad bajo condiciones de equilibrio térmico. Las nanoestructuras metálicas nobles se utilizan usualmente para obtener absorbedores perfectos, transmisión de luz extraordinaria o resonancias Fano a través del fuerte acoplamiento de la luz con plasmones de superficie. Sin embargo, la energía solar absorbida conduciría al aumento de temperatura (es decir, inestabilidad térmica), resultando en el daño de nanoestructuras metálicas nobles con bajo punto de fusión. Nótese que la estabilidad estructural y la alta tolerancia a la temperatura pueden garantizarse cuando se usan metales refractarios para reemplazar metales nobles en los absorbedores. Aunque se demostraron fenómenos de absorción de luz de banda ancha en estas plataformas, estos métodos pueden sufrir problemas como geometrías sofisticadas, anchos de banda de absorción relativamente finitos (< 750 nm), o gran requerimiento de metales nobles.

Los materiales semiconductores también han atraído interés intensivo debido a su bajo costo y alta eficiencia de conversión para energía solar en comparación con dispositivos de película delgada convencionales. La mayoría de los absorbedores solares se basan en silicio (Si) debido a su abundancia natural y banda prohibida de energía casi ideal. Sin embargo, la eficiencia de las celdas solares se limita cuando el grosor de las capas de Si se reduce. Por lo tanto, el atrapamiento de luz se ha convertido ahora en uno de los temas principales en celdas solares de película delgada. Recientemente, el arseniuro de galio (GaAs) se ha convertido en un buen competidor debido a su propiedad óptica única y alta eficiencia de conversión, que se han demostrado experimentalmente en la cosecha solar. Por ejemplo, Massiot et al. presentaron una nanorejilla metálica para atrapamiento de luz multi-resonante de banda ancha en capas ultra-delgadas de GaAs con ancho de banda de absorción de 380 nm (de 450 a 830 nm). Li et al. propusieron una celda solar combinando nanopartículas de oro y arrays de nanohilos de GaAs para realizar una banda de absorción amplia en la región visible (300-850 nm). Sin embargo, sus bandas de absorción están casi dentro del rango de 300-1100 nm. Recientemente, al colocar una rejilla de GaAs en una estructura de bi-capa GaAs-tungsteno (W), obtuvimos un absorbedor perfecto. Sin embargo, el ancho de banda de absorción (> 90%) solo alcanza 1300 nm. Además, solo se considera la polarización magnética transversal (TM) en esta estructura.

En este trabajo, proponemos un absorbedor solar factible basado en el semiconductor GaAs y metales refractarios W y Ti. Un array periódico unidimensional (1D) de nanoantenas de GaAs, recubierto por nanoantenas de óxido de indio-estaño (ITO) antirreflexivas (AR), se coloca sobre una estructura de película delgada de tres capas W-GaAs-Ti. Este absorbedor solar presenta una banda de absorción ultra-ancha que abarca las regiones visible e infrarroja media debido a la sinergia de resonancias de modo guiado (GMRs) y modos resonantes de cavidad junto con polaritones de plasmón de superficie (SPPs). El ancho de banda con absorción superior al 90% es mayor a 2400 nm. El absorbedor también muestra una buena tolerancia al ángulo y polarización de la luz incidente. Además, se logra una alta densidad de corriente de cortocircuito de hasta 61.947 mA/cm² bajo iluminación solar AM1.5. Estos ofrecen nuevas perspectivas para lograr celdas fotovoltaicas ultra-compactas y eficientes y emisores térmicos.

Materiales y Método

El esquema del absorbedor propuesto se muestra en la Fig. 1a. Un array periódico 1D de nanoantenas de GaAs está entre una capa AR de una sola capa hecha de nanoantenas de ITO y una estructura de película de tres capas metal-semiconductor-metal (MSM). Aunque los metales nobles son indispensables en la creación de estructuras de absorción de banda ancha, sufren de bajos puntos de fusión. Además, debido al efecto de tamaño pequeño, los puntos de fusión de nanoestructuras metálicas nobles con patrón se reducen enormemente. Estos conducen a que las nanoestructuras metálicas nobles no cumplan con la temperatura de trabajo de la fotovoltaica solar. Por lo tanto, se desean altamente materiales con ultra-alta estabilidad térmica y capacidad de absorción de luz para mantener la estabilidad de los absorbedores solares. El W metálico, titanio (Ti) y semiconductor GaAs tienen todos puntos de fusión altos (3422 °C, 1668 °C y 1238 °C a temperatura ambiente, respectivamente) y por lo tanto se emplean para obtener bandas de absorción ultra-anchas en este trabajo. El periodo y ancho de las nanoantenas se denotan como P y d, respectivamente. El grosor de la película inferior de W es 100 nm. Los grosores de las películas de Ti y GaAs se marcan respectivamente con h₁ y h₂. Los grosores de las nanoantenas de ITO y GaAs se marcan con t₁ y t₂, respectivamente. Los parámetros optimizados de este absorbedor se establecen en P = 500 nm, d = 400 nm, t₁ = 80 nm, t₂ = 120 nm, h₁ = 70 nm y h₂ = 30 nm.

Figura 1. a) Esquema del absorbedor solar propuesto. b) Espectros de absorción del absorbedor solar (línea negra), estructura MSM (línea roja), y estructura MSM recubierta solo con nanoantenas de GaAs (línea azul).

Los rendimientos ópticos y distribuciones de campo electromagnético de este absorbedor se calculan por el método de diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD). Límites periódicos se emplean en las direcciones x y capas de acoplamiento perfecto se usan en las direcciones z. Las constantes dieléctricas de Ti, W y GaAs se toman de Palik, y el índice de ITO es 2.0. Si no se especifica lo contrario, una onda plana de banda ancha con polarización lineal a lo largo del eje x es irradiada desde la parte superior de la metasuperficie de nanoantenas (es decir, polarización TM) con una distancia de 540 nm entre ellas. La transmisión (T) en este absorbedor es igual a cero debido a la película metálica opaca usada en la parte inferior. La absorción (A) de este absorbedor puede calcularse por A = 1 - R, donde R denota la reflexión. Se elige una región finita con longitud de 20 nm, ancho de 500 nm y altura de 500 nm y una malla refinada de 1.6 nm para calcular la densidad de corriente de cortocircuito (otros parámetros son los mismos que los establecidos en el cálculo de reflexión). Una malla no uniforme con paso mínimo de malla de 0.25 nm y la onda plana con tres regiones de longitud de onda (280-400 nm, 401-1702 nm y 1705-4400 nm) se usan para calcular el espectro solar estándar usando una simulación bidimensional simple. El absorbedor propuesto puede fabricarse mediante los siguientes pasos: (1) depositando ordenadamente películas de W, GaAs y Ti con cierto grosor en sustrato de sílice mediante el método de deposición; (2) depositando una capa de fotorresistencia en la estructura fabricada arriba y grabándola por litografía de haz de electrones para formar un array periódico de nanoantenas unidimensional; (3) depositando consecutivamente materiales de GaAs e ITO con cierto grosor en la estructura fabricada en el segundo paso; y (4) removiendo las nanoantenas de fotorresistencia recubiertas con materiales GaAs e ITO por el método de lift-off.

Resultados y Discusión

La Figura 1b muestra el espectro de absorción del absorbedor optimizado a incidencia normal (marcado con "Absorbedor", línea negra). Para comparación, los espectros de absorción de la estructura MSM (marcado con "MSM", línea roja) y la estructura MSM recubierta solo por nanoantenas de GaAs (marcado con "La estructura sin la capa ITO", línea azul) también se muestran en la Fig. 1b. Para la estructura con la simple estructura de película de tres capas MSM, la absorción es menor al 70%. Cuando el array periódico de nanoantenas de GaAs se coloca en la estructura MSM, se logra una banda de absorción ultra-ancha con absorción fortalecida de 657 a 2679 nm. Esto indica que el array periódico de nanoantenas de GaAs aquí es responsable de la fuerte absorción en el amplio rango de longitud de onda. Nótese que las intensidades de absorción en los rangos de 991-1455 nm y 2004-2388 nm siguen siendo menores al 90%. Para el absorbedor propuesto, la capa de nanoantenas de ITO de 80 nm de grosor introducida fortalece aún más la absorción y amplía la banda de absorción. Tomando A > 90% en cuenta, se encuentra un fenómeno de absorción ultra-ancha con ancho de banda de absorción de hasta 2402 nm abarcando las regiones visible, infrarroja cercana y media (468-2870 nm). La absorción promedio aumenta hasta 95.5%. Es porque la capa de ITO de 80 nm de grosor juega un papel antirreflexivo, que puede fortalecer aún más el efecto antirreflexivo de las nanoantenas de GaAs. Además, la capa de ITO de 80 nm de grosor es lo suficientemente alta para permitir una baja resistencia de hoja, por lo que bajas pérdidas de transporte lateral de los portadores a lo largo de cientos de micrones a contactos metálicos laterales. Consecuentemente, se logra una gran mejora en el ancho de banda de absorción y eficiencia de absorción, mayor que la de los absorbedores basados en sistemas compuestos de metal noble-semiconductor. La absorción enormemente ampliada se origina principalmente de la excitación de GMRs y modos de cavidad y sus efectos de acoplamiento hibridizado.

Las distribuciones de campo electromagnético (|E| y |H|) y la densidad de corriente (J) de este absorbedor en diferentes longitudes de onda (es decir, 594 nm, 1430 nm y 2586 nm) se investigan. A 594 nm, la energía de campo eléctrico se concentra principalmente en la interfaz nanoantena-aire, y la fuerte energía de campo magnético se ubica en la nanoantena de GaAs y capa ITO (Fig. 2a, b). Estos indican que se excitan GMRs y modos de cavidad. La corriente eléctrica en las nanoantenas de GaAs (Fig. 2c) confirma la efectividad de las nanoantenas de GaAs para esta mejora de absorción. A 1430 nm, el fuerte campo eléctrico existe principalmente en las ranuras de aire cerca de las nanoantenas (Fig. 2d) lo que implica los modos de cavidad excitados. En la Fig. 2e, la energía de campo magnético se ubica en las interfaces nanoantena de GaAs-película de Ti, indicando que los GMRs y modos de cavidad excitados ambos contribuyen a la luz acoplada en la estructura y excitan aún más los SPPs cerca de las interfaces de película de GaAs-película de Ti. La corriente eléctrica distribuida en la película de Ti mostrada en la Fig. 2f proporciona una fuerte evidencia de que la luz incidente se acopla completamente en la estructura. A 2586 nm, las energías electromagnéticas se ubican principalmente en las ranuras entre las nanoantenas y en las interfaces de nanoantena de GaAs-película de Ti y película de GaAs-película de W (Fig. 2g, h), y la corriente eléctrica se distribuye principalmente en la superficie superior de la película de W (Fig 2i). Estos demuestran nuevamente la luz acoplada en las capas subyacentes de la estructura por los GMRs, SPPs y modos de cavidad. Por lo tanto, se concluye que los GMRs, SPPs, modos de cavidad excitados y su sinergia resultan en la absorción de banda ancha y casi perfecta.

Figura 2. Distribuciones de campo eléctrico |E|, campo magnético |H| y densidad de corriente J a 594 nm (a-c), 1430 nm (d-f) y 2586 nm (g-i), respectivamente.

En las aplicaciones prácticas de los absorbedores solares, la absorción de luz debe ser menos sensible a los ángulos de incidencia y polarización. Sin embargo, la mayoría de los absorbedores basados en material GaAs rara vez involucran la exploración del ángulo de polarización y ángulo de incidencia. La Figura 3a muestra la evolución de la absorción para el absorbedor solar propuesto bajo polarización TM con una irradiación oblicua. Obviamente, el efecto de absorción es casi robusto en el rango de 468-3000 nm con el ángulo de incidencia hasta 55° y solo una ligera disminución en la longitud de onda en la región infrarroja media. La banda de absorción se reducirá extremadamente cuando el ángulo de incidencia sea superior a 55°. La Figura 3b muestra la absorción de luz bajo diferentes estados de polarización, donde 0° corresponde a la polarización TM y 90° corresponde a la polarización transversal-eléctrica (TE). Se observa que la absorción puede mantenerse perfectamente en las regiones de longitud de onda más corta y más larga (468-1010 nm y 1800-3000 nm) cuando el ángulo de polarización aumenta de 0 a 90°. Aunque la absorción disminuye en la región infrarroja cercana, sigue estando por encima del 50%. En general, la insensibilidad angular y polarizada de la absorción debe atribuirse al buen acoplamiento de la impedancia y la pérdida intrínseca.

Figura 3. Mapeo de absorción del absorbedor solar bajo ángulo de incidencia ajustable (a) y estado de polarización (b).

Realizamos además la investigación de absorción solar colocando el absorbedor optimizado bajo la iluminación de la fuente AM 1.5. El absorbedor solar muestra una absorción casi perfecta en las regiones visible, infrarroja cercana y media, abarcando las principales regiones de distribución de energía de irradiación solar (Fig. 4a). Debido a que ocurren múltiples estados de resonancia simultáneamente, casi la energía solar de cuasi-unidad es capturada por el absorbedor. Estos demuestran la alta eficiencia de absorción de energía solar en tal estructura. Además, los materiales refractarios usados en este absorbedor contribuyen a mantener la estabilidad térmica de esta estructura cuando la temperatura aumenta en un cierto rango. Por lo tanto, se puede concluir que nuestro absorbedor propuesto tiene una aplicación más amplia en dispositivos fotoeléctricos.

Figura 4. a) Espectro estándar de radiancia solar AM 1.5 y espectro de absorción de energía solar del absorbedor solar bajo AM 1.5. b) Energía absorbida y perdida del absorbedor solar en el rango espectral completo de radiancia solar.

Como se reporta en [36], la densidad de corriente de cortocircuito J_sc para iluminación solar AM1.5 se describe por J_sc = ∫_{400 nm}^{3000 nm} (eλ/hc) Φ_AM1.5(λ) A(λ), donde e es la carga del electrón, h es la constante de Planck, λ es la longitud de onda de la luz, Φ_AM1.5(λ) es la radiancia solar en AM 1.5, A(λ) es la absorción, y c es la velocidad de la luz. Aquí, investigamos la densidad de corriente de cortocircuito cambiando el grosor de las nanoantenas de GaAs con otros parámetros invariables. Cuando t₂ se sintoniza de 30 a 210 nm con un paso de 30 nm, la fotocorriente colectada se deriva como se muestra en la Fig. 5. Se obtiene una fuerte regularidad con el grosor t₂ porque J_sc depende principalmente del número de modos resonantes en el rango de 300-3000 nm. El máximo J_sc igual a 61.947 mA/cm² se obtiene cuando t₂ = 120 nm, que es mucho mayor que el reportado por Meng et al. (30.3 mA/cm²).

Figura 5. Densidad de corriente de cortocircuito con el grosor de la nanoantena de GaAs bajo luz polarizada TM.

Conclusión

Presentamos un absorbedor solar basado en nanoantenas de GaAs cubiertas por una sola capa de ITO en una estructura de pila de tres capas W-GaAs-Ti delgada. Se logra un absorbedor casi perfecto de ultra-banda ancha en el rango de longitud de onda de 468-2870 nm con absorción promedio superior al 95%. La propiedad de absorción ultra-ancha se origina en la sinergia de GMRs, modos de cavidad y SPPs. El absorbedor perfecto solar de ultra-banda ancha también tiene gran tolerancia a la temperatura, insensibilidad al ángulo y polarización de la luz incidente, y la mejor densidad de corriente de cortocircuito de hasta 61.947 mA/cm². Estos ofrecen nuevas perspectivas para lograr celdas solares de película delgada, cosecha de energía solar y emisores térmicos.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Todos los datos generados o analizados durante este estudio están incluidos en este artículo.

Abreviaturas

TM:

Magnético transversal

1D:

Unidimensional

AR:

Antirreflexivo

GMRs:

Resonancias de modo guiado

SPPs:

Polaritones de plasmón de superficie

MSM:

Metal-semiconductor-metal

FDTD:

Diferencias finitas en el dominio del tiempo

TE:

Eléctrico transversal