Performances photovoltaïques des cellules solaires à matrice de nanocônes à jonction pin avec une absorption optique efficace améliorée

Contexte

Les matériaux de faible dimension, y compris les points quantiques (QD), les nanofils (NW) et les matériaux en couches bidimensionnels, sont prometteurs pour les applications photovoltaïques en raison de leurs propriétés uniques [1,2,3,4,5]. En comparaison avec leurs homologues planaires, les réseaux de nanofils III-V (NW) ont d'excellentes propriétés optiques telles que l'anti-reflet et le piégeage de la lumière, montrant un grand potentiel dans les cellules solaires hautes performances [6,7,8]. De plus, la zone d'empreinte ultra-petite des NW réduit suffisamment la consommation de matériau et augmente la tolérance au décalage de réseau, permettant la réalisation de cellules solaires à faible coût avec moins de matériau et un substrat moins cher [9,10,11,12,13]. La jonction pin est l'élément clé d'une cellule solaire NW, qui absorbe la lumière et convertit les photons en paires électron-trou. Selon la géométrie de la jonction à broches, les cellules solaires à réseau NW peuvent être divisées en cellules solaires à broches axiales et radiales (ou noyau-coque), qui ont toutes deux été largement étudiées. Cependant, à ce jour, les meilleurs rendements pour les cellules solaires à réseau axial et radial III-V NW sont respectivement de 15,3 % et 7,43 %, toujours bien inférieurs à leurs homologues planaires [14, 15].

Jusqu'à présent, de nombreux efforts ont été déployés pour améliorer les performances des cellules solaires NW, notamment l'optimisation du diamètre/de la période (D /P ), le rapport, le diamètre et la longueur, pour obtenir une meilleure absorption optique de l'ensemble des réseaux NW [16,17,18,19,20]. Cependant, l'amélioration de l'absorption de l'ensemble des réseaux NW ne conduit pas nécessairement à une augmentation de l'efficacité de conversion ultime. En ce qui concerne les réseaux de broches NW pratiques, les photoporteurs générés dans la région p (ou n) se recombinent rapidement en raison du manque de champ électrique intégré. Par conséquent, dans une certaine mesure, l'absorption dans la région d'appauvrissement, ou l'absorption optique effective, détermine directement l'efficacité ultime. Cependant, pour les réseaux NW cylindriques typiques, la majeure partie de la lumière est absorbée par la partie supérieure des NW [16], tandis que l'absorption de la région d'épuisement, qui se situe généralement au milieu, n'est pas suffisante. En particulier, pour les réseaux NW à broches axiales, la lumière incidente doit traverser la région p(n) avant d'être absorbée par la région d'appauvrissement, entraînant une grande perte de lumière.

Une façon possible d'améliorer l'absorption optique efficace des réseaux NW est de moduler la géométrie de NW. Par exemple, il a été rapporté que les cellules solaires à réseau NW à broches axiales améliorent l'absorption de la région d'épuisement en réduisant l'absorption de la région p (ou n) supérieure [21]. Cependant, en pratique, le D /P Le ratio doit être bien inférieur à celui des réseaux NW verticaux pour éviter le croisement des NW adjacents, ce qui limite l'efficacité de conversion. Les NW coniques, ou nanocônes, devraient améliorer l'absorption optique efficace, car la lumière incidente peut être directement absorbée par la région d'appauvrissement sans passer par la région supérieure. À ce jour, des nanocônes avec différents angles de pente et rapports d'aspect ont été fabriqués par des méthodes vapeur-liquide-solide catalysées par Au et auto-assemblées sans catalyseur [22,23,24,25], et les propriétés d'absorption optique ont également été simulé [26, 27]. Dans les cellules solaires pratiques, l'influence du dopage sur les propriétés de transport et optiques ne peut être ignorée, et la recombinaison radiative Auger et Shockley-Read-Hall (SRH) joue également un rôle important dans la conversion photoélectrique. Cependant, à notre connaissance, les performances photovoltaïques des cellules solaires à nanocône p(i)n compte tenu des facteurs susmentionnés n'ont pas encore été étudiées en détail.

Dans cet article, une simulation optoélectronique couplée tridimensionnelle (3D) est présentée pour étudier les performances photovoltaïques des cellules solaires à nanocône GaAs à jonction pin axiale et radiale. Les propriétés d'absorption optique ont été étudiées en utilisant le domaine temporel aux différences finies (FDTD). Les profils de photogénération ont ensuite été intégrés aux simulations électriques pour effectuer le calcul des caractéristiques de densité de courant en fonction de la tension (J-V) à l'aide de la méthode des éléments finis (FEM). La mobilité dépendante du dopage, le rétrécissement de la bande interdite et la recombinaison radiative, Auger et SRH ont tous été pris en compte dans les simulations électriques. Les rendements les plus élevés pour les cellules solaires à nanocônes à jonction pin axiale et radiale sont respectivement de 20,1 % et 17,4 %, beaucoup plus élevés que leurs homologues cylindriques NW. Le mécanisme de l'amélioration de l'efficacité est discuté.

Méthodes

Le modèle de réseau de nanocônes GaAs à broches axiales est illustré à la Fig. 1, qui se compose de nanocônes GaAs à broches axiales périodiques de diamètre D = 180 nm, période P = 360 nm, et longueur L = 2 μm. Les régions p et n ont une longueur de 200 nm et sont uniformément dopées à 3 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ et 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , respectivement. Le substrat GaAs est dopé n avec une concentration en porteurs de 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ . Le diamètre du nanocône est défini comme la moyenne des diamètres supérieur et inférieur. L'angle de pente (θ ) est l'angle entre la paroi latérale et la direction normale de la surface inférieure (substrat). Dans la simulation, l'angle de pente est modifié de 0 à 5° en faisant varier les diamètres inférieur et supérieur tout en maintenant le diamètre moyen constant.

Le schéma de principe des réseaux de nanocônes GaAs à jonction pin axiale

Les propriétés optiques de la structure sont étudiées à l'aide du module Solver Sentaurus Electromagnetic Wave (EMW) [28,29,30]. La taille de cellule minimale du maillage FDTD est définie sur 5 nm et le nombre de nœuds par longueur d'onde est de 20 dans toutes les directions. En plaçant des conditions aux limites périodiques, les simulations peuvent être effectuées dans une seule maille élémentaire pour modéliser la structure du réseau périodique. Afin d'économiser les ressources et le temps nécessaire au calcul, l'épaisseur du substrat de GaAs est limitée à 0,4 μm [21]. Cependant, en utilisant une couche d'adaptation parfaite (PML) adjacente au substrat GaAs, la lumière de transmission est totalement absorbée, ce qui nous permet de modéliser un substrat GaAs semi-infini [31]. L'indice de réfraction complexe dépendant de la longueur d'onde utilisé pour décrire les propriétés de dispersion matérielle de GaAs peut être obtenu à partir de l'étude de Levinshtein et al. [32]. La lumière incidente du haut est placée parallèlement à l'axe NW comme indiqué sur la Fig. 1. Nous utilisons une onde plane définie avec des valeurs d'intensité de puissance et de longueur d'onde d'un spectre solaire AM 1.5G discrétisé avec une longueur d'onde allant de 290 à 900 nm (région d'absorption typique de GaAs) pour modéliser la lumière solaire [33]. La génération optique totale sous un éclairage AM 1.5G peut être modélisée en superposant les taux de génération optique à une seule longueur d'onde pondérés en puissance [20]. Le taux de génération optique G _ph est obtenu à partir du vecteur de Poynting S :

où ħ est la constante de Planck réduite, ω est la fréquence angulaire de la lumière incidente, E est l'intensité du champ électrique à chaque point de la grille, et ε est la partie imaginaire de la permittivité. Le moniteur de réflexion est situé au-dessus de la surface supérieure de la NWA et le moniteur de transmission est situé à la surface inférieure du substrat pour calculer la lumière absorbée. La quantité de puissance transmise par les moniteurs de puissance est normalisée par rapport à la puissance de la source à chaque longueur d'onde. La réflectance R (λ ) et la transmission T (λ ) sont calculés par l'équation suivante :

où P (λ ) est le vecteur de Poynting, dS est la normale à la surface, et P _dans (λ ) est la puissance incidente de la source à chaque longueur d'onde. Le spectre d'absorption A (λ ) des NWA GaAs est donnée par l'équation suivante :

Pour la modélisation électrique, les profils de génération optique 3D sont incorporés dans le maillage d'éléments finis des NW dans l'outil électrique, qui résout les équations de continuité de porteuse couplées à l'équation de Poisson de manière auto-cohérente en 3D. La mobilité dépendante du dopage, le rétrécissement de la bande interdite et la recombinaison radiative, Auger et SRH sont pris en compte dans les simulations électriques du dispositif. Les paramètres de matériaux critiques pour les simulations de dispositifs sont principalement obtenus à partir du modèle de Levinshtein [32], qui est présenté dans le tableau 1.

Résultats et discussion

Cellules solaires à matrice de nanocônes GaAs à jonction axiale

La figure 2a–c montre l'absorbance, la réflectance et la transmittance dépendantes de la longueur d'onde des réseaux de nanocônes axiaux de GaAs avec différents angles de pente. Par rapport aux tableaux cylindriques NW (θ = 0°), les réseaux de nanocônes présentent une réflectance plus faible sur toute la gamme de longueurs d'onde, et le phénomène devient plus évident avec l'augmentation de l'angle de pente. La capacité antireflet des réseaux NW peut être attribuée au faible taux de remplissage, qui réduit l'indice de réfraction effectif et offre une bonne adaptation d'impédance entre GaAs et l'air [7]. Pour les réseaux de nanocônes avec un grand angle de pente, le taux de remplissage au sommet des réseaux est extrêmement faible, conduisant à une correspondance d'impédance presque parfaite avec l'air et une réflexion presque nulle. Dans la plage de longueurs d'onde courtes de 300 à 700 nm, l'absorbance augmente avec l'augmentation de l'angle de pente en raison de la réflexion supprimée. Cependant, l'absorbance de la lumière de grande longueur d'onde près de la bande interdite GaAs diminue à grande pente en raison du sommet très fin du nanocône qui n'est pas capable de supporter les modes optiques. La figure 2d montre l'intégrale pondérée AM 1.5G des spectres d'absorbance, de réflectance et de transmittance pour différents angles de pente. Aux petits angles, l'absorbance augmente avec l'augmentation de l'angle de pente en raison de la diminution de la réflectance. Lorsque l'angle de pente dépasse 3°, l'absorbance diminue légèrement. Ceci est probablement attribué au chemin d'absorption réduit car le sommet très fin du nanocône n'est pas capable de supporter les modes de longueur d'onde longue. Néanmoins, l'absorption totale des nanocônes à différents angles de pente (1~5°) a très peu de différence (de l'ordre de 92~ 93,5%), suggérant que l'angle de pente a peu d'influence sur l'absorption totale des nanocônes. En variante, on pense que l'angle de pente a un fort impact sur l'absorption dans la région intrinsèque, qui domine l'efficacité de conversion photoélectrique. Ceci sera discuté en détail dans la partie suivante.

un Absorption, b réflectance, et c transmission des réseaux de nanocônes GaAs à jonction pin axiale avec D /P = 0,5 et D = 0.18 μm. d L'intégrale pondérée AM1.5G de l'absorbance, de la réflectance et de la transmittance des réseaux de nanocônes axiaux avec différents angles de pente

Les profils de génération optique totale des réseaux de nanocônes axiaux de GaAs sous un éclairage AM 1.5G sont illustrés à la Fig. 3a. On peut voir qu'à θ = 0°, la plupart des photons absorbés se concentrent au sommet du cylindre NWs. En raison de la forte concentration de dopage et du manque de champ électrique intégré pour la séparation des paires électron-trou [34,35,36,37], la recombinaison des photoporteurs dans la région p supérieure est très élevée, entraînant une perte importante de lumière incidente. Pour les réseaux de nanocônes, la position d'absorption des photons se décale vers le bas avec l'augmentation de l'angle de pente, conduisant à une amélioration de l'absorption dans la région i. Comme cela a été rapporté, l'absorption lumineuse des NW est dominée par les modes de résonance, qui sont étroitement liés au diamètre NW [37]. En raison de la géométrie unique des nanocônes, peu de modes de grande longueur d'onde peuvent être pris en charge dans la région supérieure avec un petit diamètre. Ceci est corroboré par les figures 3b–g, qui présentent les profils de génération optique dépendant de la longueur d'onde des nanocônes avec un angle de pente de 0~ 5°. On peut voir que dans les cylindres NW, la plupart de l'absorption se concentre dans la région supérieure pour toutes les longueurs d'onde. Cependant, à mesure que l'angle de pente augmente, les modes optiques, en particulier les modes de longueur d'onde plus longue, se déplacent vers le bas vers une région plus épaisse. Par conséquent, l'augmentation de l'angle de pente conduit non seulement à une amélioration de l'absorption dans la région i médiane, mais entraîne également une réduction de l'absorption dans la région supérieure. Cela peut expliquer pourquoi le réseau de nanocônes avec un angle de pente médiane de 3° a l'absorption totale élevée comme le montre la figure 3e, car l'absorption dans la région p supérieure et les régions intrinsèques médianes est relativement forte à cet angle. On pense que le décalage vers le bas de l'absorption joue un rôle essentiel dans l'amélioration des performances de l'appareil, car il supprime non seulement la perte d'absorption dans la région p supérieure, mais améliore également l'absorption dans la région i médiane.

un Les profils de génération optique totale des nanocônes à broches axiales. b –g Profils de génération optique dépendant de la longueur d'onde des réseaux de nanocônes à θ = 0~ 5°

Les spectres d'absorption de la région i sont tracés sur la figure 4a. Dans la région de courte longueur d'onde, à mesure que le diamètre de la région p diminue avec l'augmentation de l'angle de pente, le volume de la région p et la puissance lumineuse qui peuvent être confinés dans le nanocône diminuent, entraînant une absorption insuffisante dans la région p et une absorptance élevée dans la i-région. Dans la région des longues longueurs d'onde, la région d'absorption s'étend dans la région n inférieure dans les nanocônes à un grand angle de pente, entraînant une diminution de l'absorbance dans la région i. La figure 4b montre l'intégrale des spectres d'absorption dans la région i. L'absorbance de chaque longueur d'onde est pondérée par le spectre AM 1.5G. On peut voir que l'absorption dans la région i augmente considérablement avec l'augmentation de l'angle de pente, indiquant une absorption efficace améliorée qui devrait améliorer l'efficacité de conversion.

un Spectres d'absorption dépendant de la longueur d'onde de la région i. b L'intégrale pondérée AM1.5G des spectres d'absorption de la région i dans a

Les profils de photogénération sont ensuite incorporés dans l'outil électrique [35] pour étudier les performances photovoltaïques de la cellule solaire à réseau de nanocônes à jonction axiale. La figure 5a montre les caractéristiques courant-tension à différents angles de pente. Par rapport aux réseaux cylindriques NW, une densité de courant de court-circuit beaucoup plus élevée (J _sc ) est obtenu dans des cellules solaires à réseau de nanocônes. À θ = 5°, l'appareil donne un J _sc de 30,1 mA/cm ² (7,3 mA/cm ² supérieur à celui du cylindre) et V _oc de 0,885 V, ce qui se traduit par une efficacité de conversion photoélectrique élevée (η ) de 20,1% (4,8% de plus que le cylindre). La figure 5b trace la dépendance de l'efficacité de conversion sur l'angle de pente. Lorsque l'angle de pente augmente de 0 à 5°, le rendement de conversion augmente de manière monotone de 15,3 à 20,1 %. Comme mentionné précédemment, l'absorption de l'ensemble des réseaux de nanocônes sature à θ = 2°, suggérant que l'amélioration de l'efficacité à grand angle de pente n'est pas causée par l'amélioration de l'absorption de l'ensemble des réseaux de nanocônes. Au lieu de cela, la tendance de l'efficacité de conversion est très conforme à l'absorption dans la région i illustrée à la figure 4b, démontrant que l'efficacité de conversion est dominée par l'absorption optique effective dans la région i.

un Courbes courant-tension de cellules solaires à nanocônes à jonction axiale p(i)n avec différents angles de pente. b Efficacité de conversion photoélectrique des cellules solaires à matrice de nanocônes à jonction axiale p(i)n avec différents angles de pente

Cellules solaires à matrice nanocône GaAs à jonction radiale

Le modèle de réseau de nanocônes GaAs à jonction radiale à broches est illustré à la Fig. 6, qui se compose de nanocônes à broches radiales périodiques GaAs de diamètre D = 360 nm, période P = 720 nm, et longueur L = 2 μm. L'épaisseur de la région i est de 10 nm et le rayon du noyau est égal à l'épaisseur de la coque. Les concentrations de dopage du noyau de type n et de la coque de type p sont identiques à celles des nanocônes axiaux. L'angle de pente est modifié de 0 à 10° en faisant varier le diamètre inférieur et supérieur tout en maintenant le diamètre moyen constant.

Le schéma de principe des réseaux de nanocônes GaAs à jonction radiale à broches

L'absorbance, la réflectance et la transmittance dépendantes de la longueur d'onde des réseaux radiaux de nanocônes GaAs avec différents angles de pente sont illustrées à la Fig. 7a–c. Semblables aux structures axiales, les nanocons radiaux présentent une réflectance inférieure sur toute la plage de longueurs d'onde par rapport au cylindre radial NWs (θ = 0°), et ce phénomène devient plus évident avec l'augmentation de l'angle de pente. Sur la figure 7a, on peut voir que dans la plage de longueurs d'onde courtes de 300 à 700 nm, l'absorbance augmente avec l'augmentation de l'angle de pente en raison de la suppression de la réflectance. Alors qu'à de grands angles de pente, le sommet du nanocône est trop mince pour prendre en charge les modes de grande longueur d'onde, ce qui entraîne une diminution de l'absorbance. La figure 7d montre l'intégrale pondérée AM 1.5G des spectres d'absorbance, de réflectance et de transmittance pour différents angles de pente. On peut voir qu'à mesure que l'angle de pente augmente, l'absorption présente une tendance globale à la hausse avec de légères fluctuations, suggérant d'excellentes propriétés d'absorption pour les structures nanocônes.

un Absorption, b réflectance, et c transmittance du réseau de nanocônes GaAs à jonction radiale à broches avec D /P = 0,5 et D = 0,36 μm. d L'intégrale pondérée AM1.5G de l'absorbance, de la réflectance et de la transmittance du réseau de nanocônes radial avec différents angles de pente

La figure 8 montre les profils de génération optique totale des réseaux radiaux de nanocônes GaAs sous un éclairage AM 1.5G. Semblable à celui des réseaux axiaux, la plupart des photons se concentrent au sommet des cylindres NW. Au fur et à mesure que l'angle de pente augmente, l'absorption se décale vers le bas. Comme le tube de la région i dans la jonction radiale pénètre dans tout le NW, le décalage vers le bas de l'absorption ne peut pas conduire directement à une amélioration de l'absorption comme celle de la jonction à broche axiale. Cependant, conjointement avec le décalage vers le bas de l'absorption, la longueur d'absorption s'étend également, ce qui entraîne un chevauchement accru entre l'absorption de la lumière et la région i. Par conséquent, on pense également que l'absorption efficace est améliorée.

Les profils de génération optique des réseaux de nanocônes à broches radiales avec différents angles de pente

Les caractéristiques courant-tension des cellules solaires à nanocône radial sont illustrées à la figure 9a. Par rapport à la cellule solaire à réseau cylindrique NW, beaucoup plus élevé J _sc est réalisé dans des cellules solaires à matrice de nanocônes. À θ ≥ 6°, tous les J _sc dépasser 25 mA/cm ² , en revanche, le J _sc est de 17,4 mA/cm ² à θ = 0°. La figure 9(b) montre la dépendance de l'efficacité de conversion sur l'angle de pente. Aux petits angles de pente, l'efficacité augmente de façon monotone avec l'angle de pente et atteint une valeur maximale de 17,4 % à θ = 6°, 6,4% plus élevé que la contrepartie cylindrique. Lorsque l'angle augmente encore, le rendement sature et même diminue légèrement. Ceci est probablement attribué à la compétition entre l'absorption des régions i supérieure et moyenne. À un grand angle de pente, le sommet du nanocône est trop mince pour prendre en charge les modes à grande longueur d'onde. Bien que l'absorption de la partie médiane de la région i augmente en raison du décalage vers le bas de l'absorption, l'absorption de la partie supérieure de la région i diminue, compensant ainsi l'augmentation d'absorption de la région i centrale.

un Courbes courant-tension de cellules solaires à matrice de nanocônes à jonction radiale avec différents angles de pente. b Dépendance de l'efficacité de conversion sur l'angle de pente

Conclusions

En résumé, nous avons étudié les performances photovoltaïques de cellules solaires à matrice de nanocônes GaAs à jonction pin axiale et radiale par une simulation optoélectronique 3D couplée. Les résultats montrent que l'absorption dans le réseau de nanocônes se déplace vers le bas en raison du rétrécissement du diamètre supérieur, ce qui supprime considérablement la perte d'absorption dans la région supérieure fortement dopée et améliore l'absorption dans la région d'épuisement. Les rendements de conversion les plus élevés pour les cellules solaires à nanocônes GaAs axiales et radiales sont de 20,1% et 17,4%, obtenus à un angle de pente de 5° et 6°, respectivement, qui sont tous deux beaucoup plus élevés que leurs homologues cylindriques NW. Les structures nanocônes sont des candidats prometteurs pour les cellules solaires à haut rendement.

Abréviations

3D :

Tridimensionnel

D /P :

Diamètre/période

EMW :

Onde électromagnétique Sentaurus

FDTD :

Domaine temporel aux différences finies

FEM :

Méthode des éléments finis

NW :

Nanofil

PML :

Couche de correspondance parfaite

SSR :

Shockley-Read-Hall