Mejora Captura Luz en Celdas Tándem Perovskita-Silicio usando Arrays Nanohoyos

Resumen

Celdas solares perovskita usadas en celdas tándem basadas silicio debido a su banda prohibida ajustable, alto coeficiente absorción y bajo costo preparación. Sin embargo, índice refracción óptico relativamente grande silicio inferior, comparado con capas absorbedoras perovskita superior, resulta pérdidas reflexión significativas dispositivos dos terminales. Por tanto, gestión luz crucial mejorar absorción fotocorriente celda inferior Si. En este artículo, array nanohoyos relleno TiO₂ introducido diseño celdas inferiores. Métodos diferencias finitas dominio temporal (FDTD), eficiencia absorción y densidad fotocorriencia rango 300-1100 nm analizados, parámetros estructurales optimizados. Cálculos muestran densidad fotocorriencia tiende saturarse con aumento altura nanohoyos. Modos mejora absorción fotones diferentes longitudes onda analizados intuitivamente distribución campo eléctrico. Resultados permiten ruta viable conveniente diseño alta eficiencia celdas tándem perovskita/Si.

Introducción

Energía solar energía renovable limpia, gran significado desarrollo sostenible seres humanos. Eficiencia conversión fotoeléctrica y costo preparación ratios clave determinan aplicación industrial celdas solares, convierten directamente energía luz electricidad. Presente, celdas solares basadas silicio mainstream, 90 % mercado fotovoltaico global. Eficiencia celdas silicio alcanzó 25,6 %, cerca límite eficiencia Shockley-Queisser (33,7 %), pero costo fabricación sigue alto. Desarrollo celdas silicio necesita reducir costos fabricación mejorar eficiencia celda.

Por amplia distribución energía espectro solar, cualquier material semiconductor solo absorbe fotones energía mayor ancho banda. Enfoque probado mejor uso espectro solar formar celda tándem doble unión. Principio, celdas tándem Si capaces absorber selectivamente diferentes partes espectro solar superar límite Shockley-Queisser unión simple. Límite eficiencia teórico ideal celda tándem dos uniones silicio reportado 46 %.

Celdas solares perovskita gran potencial fotovoltaico, rendimiento mejorado significativamente pocos años. Eficiencia conversión 3,7 % 2009, hasta 25,2 % ahora. Perovskita considerado material absorbente luz más prometedor próxima generación celdas solares bajo costo. Cuando ancho banda perovskita 1,55 eV, absorbe fotones longitud onda <800 nm, silicio ancho banda 1,12 eV absorbe fotones >800 nm espectro solar. Cuando dos forman celda tándem arriba-abajo, espectros absorción complementan, mejora gran utilización espectro solar reduce costo preparación.

Entre todos tipos celdas tándem perovskita/silicio, tándem monolítico dos terminales mayor potencial porque fabricado depositando directamente película perovskita sobre celda inferior silicio obtener integrado. Bush et al. lograron 23,6 % eficiencia celda inferior emisor trasero SHJ con celda superior perovskita p-i-n Eg=1,63 eV por reducción absorción parásita capa selectiva electrones frontal. Oxford PV alcanzó eficiencia conversión 28 % 2018, validó perovskita/silicio tándem gran potencial revolucionar tecnologías celdas solares. Sin embargo, comparado celdas silicio 85 % límite eficiencia, celdas tándem perovskita/silicio aún mucho margen mejora. Mayoría estudios tándem perovskita/silicio enfocan diseño celda superior unión túnel, mientras celda inferior mayormente adopta superficie texturizada o capa SiNₓ mejorar absorción óptica. Cabe destacar forma efectiva mejorar absorción selectiva incorporar luz incidente modo guiado onda. Para esos propósitos, introducimos array nanohoyos diseño subcelda inferior. Al mismo tiempo, comparado superficie texturizada normal, superficie array nanohoyos silicio más suave, más propicia coincidencia corriente entre celdas superior e inferior.

Métodos

En esta carta, estudiamos numéricamente propiedades absorción luz dispositivo tándem perovskita/silicio con array nanohoyos silicio celdas inferiores empleando método diferencias finitas dominio temporal (FDTD). Figuras 1 y 2 muestran esquema celdas tándem perovskita/silicio nanoestructuradas propuestas y vista lateral período individual.

En nuestro modelo, array nanohoyos relleno TiO₂ como capa túnel entre dos uniones. Enfocar estudio propiedades ópticas subcelda nanoestructurada, espesores ITO, Spiro-OMeTAD, CH₃NH₃PbI₃, SiO₂, TiO₂ fijados 50 nm, 10 nm, 300 nm, 20 nm, 40 nm respectivamente. Como Fig. 2, array caracterizado periodicidad (P), diámetro nanohoyos (D), altura nanohoyos (h), altura total sustrato silicio (H). Ratio relleno η = D/P. Altura total sustrato H fijada 1 μm. Constantes ópticas Silicio y otros materiales diseño celda de investigación Miha [23]. Condiciones frontera periódicas adoptadas direcciones x, y, condiciones capa perfectamente adaptada dirección z. Fuente luz considerada onda plana 300-1100 nm, perpendicular array nanohoyos dirección z.

Monitor plano sobre superficie celda superior registra reflectancia (R), segundo monitor fondo sustrato silicio registra transmitancia (T); absorción (A) tándem perovskita/silicio determinada A(λ)=1-R(λ)-T(λ). Rendimiento absorción evaluado densidad corriente cortocircuito Jsc, definida como [14]: Jsc = (e/hc) ∫ λ A(λ) Φ(λ) dλ, donde Φ(λ) densidad energía solar espectro AM1.5G, e carga elemental, h constante Planck, c velocidad luz vacío. Cálculo asume todos portadores fotogenerados recolectados electrodos ya longitud difusión portadores minoritarios suficiente CH₃NH₃PbI₃ y silicio cristalino.

Resultados y Discusión

Clarificar roles array nanohoyos absorción luz celdas tándem y guiar diseño propiedades ópticas, calculamos curva absorción array nanohoyos diferentes ratios relleno. Proceso simulación experimento, capa 300 nm CH₃NH₃PbI₃ y sustrato silicio 1 μm aplicados capturar fotones. Fig. 3a, b: altura nanohoyos inferior fijada 600 nm contra diferentes periodicidades. Aumentando ratio relleno 0,1 a 0,9, curva absorción tres partes. Inicio, absorción disminuye rendimiento rango longitud onda corta 300-600 nm. Luego, absorción capa perovskita observada disminuir rango 600-850 nm, mientras resonancia, contrario, pico punto inicio 600 nm. Tercera parte rango 850-1100 nm, contiene tres picos resonancia absorción total. Considerando limitación dominancia capa perovskita absorción longitudes onda hasta 850 nm, valor también considerado longitud onda umbral CH₃NH₃PbI₃ modelo.

Fig. 3c: densidad fotocorriencia y η correlación positiva, aumenta con η. Parámetro período fijo, aumento densidad corriente aparece etapa crecimiento rápido, Ji gradualmente entra rango saturación ratio relleno >0,5 por distribución desigual longitudes onda larga/corta AM1.5G. Aumentando ratio relleno, eficiencia absorción sustrato silicio mejoró; sin embargo, material silicio disminuye período individual. Por tanto, ratio relleno array nanohoyos silicio debe presentar valor óptimo. Pico resonancia absorción alcanza ~1000 nm espectro, pico considerado máximo cuando período 500 nm comparado otras condiciones. Fig. 3d: curva densidad fotocorriencia aumenta junto ratio relleno condición P=500 nm. Línea roja obtenida ajuste polinomial. Concluido: ratio relleno 0,5 exacto, punto inflexión aparecerá crecimiento densidad fotocorriencia.

Conforme análisis anterior, parámetros absorción optimizados celdas tándem base array nanohoyos: período 500 nm, ratio relleno 0,5 exacto. Clarificar mecanismo emisión absorción luz, espectros absorción contra diferentes alturas nanohoyos comparados condición mencionada. Fig. 3a, b muestran tendencia variación espectral absorción y densidad fotocorriencia junto aumento alturas nanohoyos. Resumido: pico absorción 1000 nm muestra alta dependencia altura nanohoyos, mientras dependencia otros dos picos absorción Fig. 4b altura nanohoyos muy débil. Resultado indica resonancia Mie domina excitación. Fig. 4c, d: aumento significativo densidad corriente observado 14,53 a 15,68 mA/cm² profundidad <300 nm, valores h >300 nm alcanzan figura casi saturante. Débil dependencia altura nanohoyos útil diseño fabricación arrays nanohoyos práctica.

Principio general, onda luz entra estructura interfaz celdas tándem, efectos dispersión emisión aparecerán. Dispersión onda luz causada estructura array nanohoyos alargará camino propagación fotones. Analizar absorción luz celdas tándem perovskita/Si array nanohoyos, experimentos simulados eligen distribución intensidad campo eléctrico transversal (|E|²) 500, 600, 700, 800, 900, 1000 nm longitud onda, altura diseñada fija h=900 nm, Fig. 5. Perfil espacial absorción óptica unidad volumen plano x-z dividido tres partes: perovskita, array nanohoyos, sustrato silicio. Parte array nanohoyos, silicio estructurado espaciado nanohoyos rellenos TiO₂, marcado línea discontinua Fig. 5a.

Fig. 5a, b sugieren celda superior domina absorción longitudes onda cortas (<600 nm); sin embargo, efecto antirreflexión producido array nanohoyos longitud onda 600 nm más destacado comparado 500 nm. Sin embargo, debido menor coeficiente absorción silicio, absorción longitud onda media (500-600 nm) menor estructura plana. También gracias existencia nanohoyos periódicos, efecto interferencia obvio capa perovskita superior observado, significa reflexión luz 700, 800 nm podría volver celdas superiores mejorar absorción.

Dado perovskita borde absorción agudo 850 nm, longitudes onda 900, 1000 nm transmitidas principalmente absorbidas celdas inferiores, Fig. 5e, f. Relleno TiO₂ array nanohoyos silicio, distribución periódica diferencia índice refracción lleva celdas inferiores destinadas soportar modos guiados ubicados campo electromagnético cerca tándems, luz incidente acoplamiento estos modos guiados conduce aumento prominente absorción. Ilustrar factibilidad enfoque, cuatro casos diferentes simulados análisis diferentes alturas array nanohoyos. Todos absorciones mismos parámetros array nanohoyos η=0,5, P=500 nm, longitud onda incidente fija 900 nm, Fig. 6. Interacción modos guiados soportados significativamente mejorada junto aumento altura nanohoyos.

Conclusiones

En resumen, artículo estudió combinación celdas tándem perovskita/silicio array nanohoyos forma práctica dispositivo lograr dispositivo tándem alta eficiencia. Encontramos conjunto optimizado array nanohoyos η=0,5, P=500 nm aumenta valor 14,53 mA/cm² a 15,68 mA/cm² cuando profundidad array <300 nm, dispositivo premisa alta eficiencia. Introducción array nanohoyos relleno TiO₂, probamos modo absorción luz celdas tándem gira modo mixto varios modos absorción luz. Reducción selectiva longitud onda corta disminuye absorción fotones longitud onda corta; sin embargo, interferencia generó atrapamiento luz celda superior y atrapamiento luz guiado índice celda inferior funcionan significativamente mejoran absorción selectiva tándem. Resultados experimentales arriba probaron forma prometedora mejorar absorción celdas tándem perovskita/silicio.

Disponibilidad Datos y Materiales

Conclusiones manuscrito basadas datos (texto principal y figuras) presentados mostrados artículo.

Abreviaturas

FDTD:

Diferencias finitas dominio temporal