Absorción óptica mejorada en células solares en tándem de perovskita / Si con matriz de nanoagujeros

Resultados y discusión

Con el fin de aclarar el papel que juega la matriz de nanoagujeros en la absorción de luz en las células solares en tándem y para guiar adecuadamente el diseño de las propiedades ópticas, hemos calculado la curva de absorción de la matriz de nanoagujeros bajo diferentes proporciones de llenado. En el proceso de simulación del experimento, un CH ₃ de 300 nm NH ₃ PbI ₃ Se aplicó una capa y un sustrato de silicio de 1 μm para capturar fotones. Como se muestra en la Fig. 3a, b, la altura de los nanoagujeros inferiores permaneció quieta en la cifra de 600 nm frente a los diferentes períodos de tiempo, respectivamente. Con el valor creciente de la proporción de llenado de 0,1 a 0,9, la curva de absorción se puede dividir en tres partes. Al principio, la absorción presentó un rendimiento decreciente en un rango de longitud de onda corta de 300 a 600 nm. Luego, se observó que la absorción de la capa de perovskita formaba una disminución en el rango de 600 a 850 nm, mientras que la resonancia, por el contrario, alcanza su punto máximo en su punto inicial de 600 nm. Las terceras partes caen en el rango de 850-1100 nm y contiene tres picos de resonancia de absorción en total. Teniendo en cuenta que la limitación del dominio de la capa de perovskita sobre la absorción de longitudes de onda podría alcanzar hasta 850 nm, ese valor también puede considerarse como la longitud de onda umbral de CH ₃ NH ₃ PbI ₃ en nuestro modelo.

Caracterización óptica de células solares en tándem con arreglo de nanoagujeros. un Espectros de absorción versus proporciones de llenado en P fijo =400 nm y h =600 nm. b Espectros de absorción versus proporciones de llenado en P fijo =500 nm y h =600 nm. c Densidad de fotocorriente frente a relaciones de llenado en diferentes períodos. d Aumento de la densidad de fotocorriente frente a las proporciones de llenado bajo la condición de P =500 millas náuticas

En la Fig. 3c, se puede ver que la densidad de fotocorriente y η muestran una correlación positiva, lo que significa que aumentará con el aumento de η. En cuanto al parámetro de período fijo, el aumento en la densidad de corriente primero parece estar en una etapa de rápido crecimiento, y \ (J_ {i} \) ingresa gradualmente al rango de saturación donde la relación de llenado es mayor que 0.5 debido a la distribución desigual de longitudes de onda largas y cortas en AM1.5G. Con el valor creciente de la relación de llenado, la eficiencia de absorción del sustrato de silicio también se mejoró en consecuencia; sin embargo, el material de silicio parece disminuir en un solo período. Por lo tanto, la proporción de llenado de la matriz de nanoagujeros de silicio debería ser un valor óptimo. El pico de absorción de resonancia alcanza el valor de cerca de 1000 nm en el espectro, y el pico puede considerarse como el alcance de su máximo cuando el período es de 500 nm en comparación con el de otras dos condiciones. La Figura 3d muestra que la curva de la densidad de la fotocorriente aumenta junto con la proporción de llenado en aumento en la condición en que P =500 nm. Además, la línea roja se puede obtener mediante el ajuste del polinomio. Se puede concluir que cuando la proporción de llenado alcance exactamente 0,5, aparecerá un punto de inflexión en el crecimiento de la densidad de fotocorriente.

De acuerdo con el análisis anterior, los parámetros de absorción optimizados de las células en tándem sobre la base de la matriz de nanoagujeros se encuentran en el período de 500 nm y la relación de llenado está en la cifra exacta de 0,5. Para aclarar aún más el mecanismo de emisión de la absorción de luz, los espectros de absorción frente a las diferentes alturas de nanoagujeros se comparan en la condición mencionada. La Figura 3a, b muestra el cambio de la tendencia de variación de la absorción espectral y la densidad de la fotocorriente junto con el aumento de la altura de los nanoagujeros, respectivamente. Se puede resumir que el pico de absorción a la longitud de onda de 1000 nm muestra una alta dependencia con la altura de los nanoagujeros, mientras que la dependencia de los otros dos picos de absorción mostrados en la Fig. 4b con la altura de los nanoagujeros es muy débil. Tal resultado indica que la resonancia de Mie domina la excitación. En la Fig. 4c, d, se puede observar que el aumento significativo de la densidad de corriente aumenta de 14,53 a 15,68 mA / cm ² cuando la profundidad es inferior a 300 nm, y cuando los valores de h son superiores a 300 nm, el valor alcanzará una cifra casi saturante. Esta dependencia tan débil de la altura de los nanoagujeros puede ser útil en términos de diseño y de fabricación de matrices de nanoagujeros en la práctica.

Caracterización óptica de células solares en tándem con arreglo de nanoagujeros. un Espectros de absorción frente a altura a P fija =500 nm y η =0,5. b La vista ampliada de los espectros de absorción varía de 800 a 1100 nm. c Densidad de corriente frente a altura en P fija =500 nm y η =0.5

Como principio general, cuando la onda de luz entra en la estructura de interfaz de las células solares en tándem, aparecerán los efectos de dispersión y emisión. La dispersión de la onda de luz causada por la estructura de la matriz de nanoagujeros alargará la ruta de propagación de los fotones. Para analizar más a fondo la absorción de luz de las células solares en tándem de perovskita / Si con una matriz de nanoagujeros, los experimentos simulados eligen la distribución de intensidad del campo eléctrico transversal \ ((| E | ^ {2}) \) a 500 nm, 600 nm , 700 nm, 800 nm, 900 nm y 1000 nm de longitud de onda, mientras que la altura está diseñada para ser fija ya que el valor de h permanece en 900 nm, que también se muestra en la Fig. 5. El perfil espacial de absorción óptica por unidad de volumen en x - z El plano se puede dividir en tres partes, que son perovskita, matriz de nanoagujeros y sustrato de silicio. En la parte de la matriz de nanoagujeros, el silicio estructurado está espaciado con el TiO ₂ nanoagujeros llenos, que están marcados con una línea discontinua en la Fig. 5a.

Distribución de la intensidad del campo eléctrico de las células solares en tándem a una altura fija de 900 nm a longitud de onda a 500 nm, b longitud de onda a 600 nm, c longitud de onda a 700 nm, d longitud de onda a 800 nm, e longitud de onda a 900 nm y f longitud de onda a 1000 nm

La Figura 5a, b sugiere que la celda superior podría dominar la absorción de longitudes de onda cortas (<600 nm); sin embargo, el efecto antirreflectante producido por la matriz de nanoagujeros en la longitud de onda de 600 nm parece ser más sobresaliente que en la longitud de onda de 500 nm. Sin embargo, debido al menor coeficiente de absorción del silicio, su absorción en la longitud de onda media (500-600 nm) es menor que la de la estructura plana. También gracias a la existencia de nanoagujeros periódicos, también se puede observar un efecto de interferencia obvio en la capa superior de perovskita, lo que significa que la reflexión de la luz a 700 nm y 800 nm podría regresar a las células superiores y mejorar su absorción.

Siempre que la perovskita tenga un borde de absorción afilado a 850 nm, y luego, la longitud de onda a 900 nm y 1000 nm se transmitirá y será absorbida principalmente por las celdas inferiores, como se muestra en la Fig. 5e, f. Con el relleno de TiO ₂ En la matriz de nanoagujeros de silicio, la diferencia de distribución periódica del índice de refracción que conduce a las celdas inferiores está destinada a respaldar los modos de conducción que se encuentran en el campo electromagnético cerca de los tándems, y el acoplamiento de la luz incidente con estos modos de conducción conduce a un aumento prominente en absorción. Para ilustrar la viabilidad de este enfoque, se simularon cuatro casos diferentes para realizar análisis bajo diferentes alturas de matriz de nanoagujeros. Todas estas absorciones tienen los mismos parámetros de matriz de nanoagujeros que η =0.5 y P =500 nm, y su luz de longitud de onda incidente se fija en 900 nm, como se muestra en la Fig. 6. La interacción de la interacción de modos guiados soportados se mejora significativamente a lo largo de con el aumento de la altura de los nanoagujeros.

Distribución de la intensidad del campo eléctrico a 900 nm de células solares en tándem con una matriz de nanoagujeros en función de la altura a h =100 nm, b h =300 nm, c h =600 nm, d h =900 nm

Conclusiones

En resumen, este artículo estudió la combinación de células solares en tándem de perovskita / silicio con la matriz de nanoagujeros como una forma práctica para que un dispositivo logre un dispositivo en tándem de alta eficiencia. Hemos descubierto que si un conjunto optimizado de matriz de nanoagujeros η =0.5 y P =500 nm aumenta desde el valor de 14,53 mA / cm ² hasta 15,68 mA / cm ² cuando la profundidad de la matriz es inferior a 300 nm, dicho dispositivo puede servir como premisa para una alta eficiencia. Luego, a través de la introducción de una matriz de nanoagujeros llena de TiO ₂ , hemos demostrado además que el modo de absorción de luz de las células en tándem se convertiría en un modo mixto con varios modos de absorción de luz. La reducción selectiva de la longitud de onda corta conduce a la disminución de la absorción de fotones de longitud de onda corta; sin embargo, la interferencia que generó la captura de luz en la celda superior y la captura de luz guiada por índice en la celda inferior puede funcionar como una mejora significativa de la absorción selectiva del tándem. Los resultados experimentales anteriores demostraron que es una forma prometedora de mejorar la absorción de células solares en tándem de perovskita / silicio.

Disponibilidad de datos y materiales

Las conclusiones a las que se llega en este manuscrito se basan en los datos (texto principal y figuras) presentados y mostrados en este documento.

Abreviaturas

FDTD:

Dominio del tiempo de diferencia finita

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