Conception photonique et évaluation électrique de cellules solaires à double fonction pour les applications de conversion d'énergie et d'affichage

Contexte

Dans le sillage de la crise énergétique mondiale et de l'urbanisation massive, des efforts importants ont été consacrés au photovoltaïque intégré au bâtiment (BIPV). Une attention particulière a été portée aux bâtiments de nouvelle génération (énergie zéro) avec une consommation électrique équivalente à la génération [1,2,3,4,5]. Malheureusement, les dispositifs photovoltaïques conventionnels présentent des couleurs ternes ou noires et, par conséquent, le BIPV basé sur de telles cellules solaires (SC) ne peut pas répondre à l'exigence de sens esthétique [6]. Récemment, les SC à couleur contrôlée avec l'avantage d'afficher diverses couleurs et motifs vifs (en plus de leurs fonctionnalités de génération d'électricité) suscitent un intérêt croissant en raison de leurs énormes perspectives de marché [7, 8].

D'une part, diverses approches photoniques peuvent être utilisées pour contrôler les réponses optiques des SC afin d'afficher des couleurs spécifiques, notamment (1) en utilisant un filtre Fabry-Perot (FP) sur les SC pour contrôler la couleur et la pureté en adaptant le FP résonance [9,10,11] et (2) incorporant une couche d'ajustement de couleur (CAL) au-dessus (ou derrière) la couche d'oxyde conducteur transparent (TCO) ou remplaçant complètement le TCO par CAL. Par exemple, un cristal photonique sélectivement transparent et conducteur (STCPC) peut être utilisé comme contact arrière pour contrôler le spectre de transmission et la couleur à travers les dispositifs BIPV [12, 13] ; le réflecteur de Bragg distribué (DBR) peut être intégré pour afficher les couleurs des SC à couche mince et du photovoltaïque organique [14, 15]. Bien que la plupart de ces documents se concentrent sur l'obtention simultanée de l'affichage couleur et de la production d'électricité, la pureté des couleurs est plus faible et l'espace colorimétrique est insuffisant pour les affichages de motifs. De plus, ces méthodes sacrifient trop d'efficacité de conversion d'énergie de SC pour obtenir un affichage couleur. Les SC colorés avec des puretés de couleur plus élevées sont d'une grande importance pour le développement de la technologie BIPV.

D'autre part, la littérature théorique se concentre préférentiellement sur la conception optique des SCs afin d'afficher différentes couleurs [6, 8, 16]; cependant sans examiner strictement les comportements intrinsèques des porteurs à l'intérieur de l'appareil. Pour la conception des SC, il est hautement nécessaire d'étudier comment la conception optique spéciale modifie les processus de génération, de transport et de collecte de porteurs au sein des jonctions semi-conductrices, qui jouent un rôle clé dans la détermination du fonctionnement et des performances des SC [17,18, 19]. Cependant, une simulation complète au niveau du dispositif pour les SC hautement nanostructurées est difficile car les dispositifs concernés présentent des comportements multi-domaines très complexes, par exemple, avec des résonances optiques très riches et des réponses de génération/recombinaison/collecte de porteurs qui montrent de fortes dépendances vis-à-vis de l'espace, de la longueur d'onde , et de nombreux autres ingrédients [20,21,22]. De plus, étant donné que la fabrication de tels SC spécifiques est toujours longue et coûteuse, une conception complète des SC colorés en abordant la photonique ainsi que les réponses des porteurs internes est très bénéfique pour le développement de ce type de dispositif solaire.

Dans cet article, nous présentons une étude optoélectronique complète sur les SCs a-Si:H à couleur contrôlée. Optiquement, pour réaliser l'affichage rouge-vert-bleu (RVB) de haute pureté, nous introduisons le DBR en tant que composant sélectif pour la couleur et les revêtements antireflet à double couche supplémentaires (ARC) en tant que composant d'optimisation des couleurs. Il montre que l'espace colorimétrique obtenu à partir de cette étude peut être comparable à celui du système RVB standard (sRVB). Électriquement, la génération, le transport, la recombinaison et la collecte intrinsèques d'électrons et de trous dans les SC RGB a-Si:H sont traités de manière à obtenir une liste complète des performances de photoconversion du SC. En évaluant les spectres d'efficacité quantique externe (EQE) et courant-tension (J -V ), nous constatons que les efficacités de conversion de puissance des SC avec des couleurs rouge, verte et bleue de haute pureté sont de 4,88 %, 5,58 % et 6,54 %, respectivement. Enfin, pour démontrer la possibilité de l'imagerie RVB, le logo de la « Soochow University » est conçu et réalisé en utilisant les SC a-Si:H à couleur contrôlée ; le motif affiché est bien soutenu sous une large plage d'angles d'incidence.

Méthodes

La réponse optique est calculée en résolvant les équations de Maxwell via l'analyse rigoureuse des ondes couplées (RCWA) et COMSOL Multiphysics. La réflexion, l'absorption par chaque couche, etc., peuvent toutes être obtenues. Les caractéristiques électriques détaillées (par exemple, génération/recombinaison/collecte de porteurs) sont obtenues par le calcul de transport électromagnétique et porteur, comme présenté en détail dans nos articles précédents [17,18,19,20,21,22]. Le spectre de réflexion optique pourrait être transformé en paramètres associés dans le système de couleurs CIE, puis l'échantillon de couleur résultant pourrait être obtenu grâce aux coordonnées de chromaticité CIE. Le calcul de cette transformée suit une série de normes de chromaticité développées par la CIE. L'épaisseur de ZnS et de ZnO est fixée sur la base de la loi de l'optique des couches minces et l'épaisseur de SC est fixée à 500  nm. Le coefficient de réfraction complexe des matériaux est tiré du Palik [23]. Une taille de maille de 5  nm a été utilisée dans la région simulée, et des couches parfaitement appariées ont été utilisées à la condition limite pour la simulation optique. Pour la simulation électrique, l'équation de Poisson et les équations de transport de porteurs sont obtenues, dans lesquelles la recombinaison de surface et le contact métallique sont choisis comme situations limites.

Résultats et discussion

La figure 1 montre le diagramme schématique du a-Si:H SC proposé à contrôle de couleur. De haut en bas, il se compose de couches ARC, d'une pile DBR, d'une couche tampon et du a-Si:H SC. Ici, l'épaisseur de la couche active a-Si:H est de 500 nm qui contient une zone de dopage de 30 nm (50  nm) de type n (type p). Le matériau de l'électrode arrière (avant) pour le transport des électrons (trou) est du ZnO (ITO) d'une épaisseur de 100 nm (20 nm). La couche tampon est composée de 55 nm TiO₂ pour réduire la réflexion de la lumière [24] et améliorer la pureté des couleurs. Le DBR est composé de 6 paires ZnS/ZnO avec l'épaisseur quart d'onde pour chaque couche. En fait, la réflectivité et la largeur spectrale jouent un rôle très important dans la détermination de la qualité de la couleur. La réflectivité (R ) de DBR peut être déterminé analytiquement en utilisant l'équation suivante [25] :

où n ₀ , n ₁ , n ₂ , et n _s sont respectivement les indices de réfraction de l'air, des deux couches DBR et du substrat ; N est le nombre de paires DBR. La bande passante de réflectance (∆λ₀ ) est [25] :

où ₀ est la longueur d'onde centrale DBR. Il est à noter que l'augmentation de la différence de n ₁ et n ₂ , R devient de plus en plus élevé (c'est-à-dire l'augmentation de la luminosité des couleurs), mais ∆λ₀ et la saturation des couleurs sont diminuées. En conséquence, une différence relativement faible de n ₁ et n ₂ avec un N relativement grand est utilisé pour assurer une saturation élevée afin de présenter la pureté et la luminosité des couleurs élevées.

Diagramme schématique des SC a-Si:H à contrôle de couleur proposés (à gauche) et de la configuration détaillée de l'appareil (à droite)

Selon l'optique à couche mince, les épaisseurs DBR doivent être soigneusement conçues afin d'afficher les couleurs RVB localisées différemment dans la bande visible. Ici, à l'exclusion des SC, nous examinons d'abord la contrôlabilité du spectre de réflexion DBR pour l'affichage RVB. La figure 2a montre les spectres de réflexion des DBR sous des conceptions RVB, avec la structure et les épaisseurs de film correspondantes indiquées sur la figure 2b. On constate que les réflexions ont un pic à λ₀ = 625, 520 et 445 nm, respectivement, qui correspondent bien aux centres RVB. De plus, les reflets de pointe sont suffisamment forts (c'est-à-dire 74,82 %, 72,1 % et 76,31 %) pour assurer la luminosité de l'affichage. En fait, pour le DBR, il existe des ondes latérales hors de la bande interdite. De telles ondes sont préjudiciables à l'obtention d'une grande pureté de couleur [26]. La figure 2a vérifie l'existence de telles ondes latérales.

Réponses optiques des DBR et des SC RVB a-Si:H. un Spectres de réflexion DBR ciblant l'affichage RVB. b Paramètres structurels et matériels du DBR conçu. Spectres de réflectivité (c ) et les coordonnées chromatiques CIE 1931 (d ) des SC a-Si:H avec des DBR RVB au sommet. Spectres de réflectance (e ) et les coordonnées chromatiques CIE 1931 (f ) des SC a-Si:H à couleur contrôlée. La gamme de couleurs sRGB standard est insérée dans (f ) pour comparaison

Au-dessus de RVB, les DBR sont désormais intégrés aux SC a-Si:H, c'est-à-dire RVB-DBR (en haut) + SC (en bas). Les spectres de réflexion des systèmes SC combinés ciblant l'affichage RVB sont illustrés à la figure 2c. On observe d'abord que les longueurs d'onde centrales avec l'incorporation du SC ont été légèrement décalées vers le rouge (de 625, 520 et 445 nm à 633, 528 et 453  nm pour les cellules R, G et B, respectivement) ; de plus, les réflexions maximales sont également augmentées à 87,66 %, 82,52 % et 79,44 %, respectivement. Ceci est raisonnable puisque l'inclusion du SC sous le DBR a changé la configuration du système et modifié la situation de résonance. Malgré cela, l'effet ci-dessus est relativement faible sans affecter la qualité d'affichage. Cependant, il existe en effet un ingrédient clé qui dégrade fortement la pureté de la couleur, c'est-à-dire les ondes latérales très intenses résultant des réflectances accrues aux interfaces du SC. La figure 2d représente les coordonnées chromatiques de la Commission Internationale de L'Eclairage (CIE) 1931 pour ces systèmes SC combinés. Pour les applications d'affichage de motifs, plus l'espace colorimétrique est grand, plus il contient d'éléments de couleur et mieux il s'affiche [27]. Lorsque les couleurs primaires sont proches de la limite en forme de langue, le plus grand espace colorimétrique peut être obtenu. Cependant, la figure 2d montre que les RVB obtenus sont relativement éloignés de la limite ; par conséquent, nous devons réduire davantage la bande passante de réflexion ainsi qu'éliminer les ondes latérales.

Pour améliorer les performances RVB, nous introduisons en outre les ARC à double couche (MgF₂ et SnO₂ ) avec une couche tampon (TiO₂ ). Les ARC sont configurés au-dessus du DBR et la couche tampon est prise en sandwich par le DBR et le a-Si:H SC, comme le montre la figure 1. Sur la base de l'optique à couche mince, l'épaisseur des ARC peut être contrôlée par [28] :

où n ₀ , n _t , n _b , et n _s sont les indices de réfraction de l'air, de la couche supérieure, de la couche inférieure et du substrat, respectivement ; d _t et d _b sont respectivement les épaisseurs des couches supérieure et inférieure. Les spectres de réflexion des SC a-Si:H à couleur contrôlée avec ARC, DBR et couche tampon sont tracés sur la figure 2e. Il est distinct que (1) les longueurs d'onde maximales sont de 625, 515 et 445  nm, proches de celles des DBR autonomes ; (2) les bandes passantes de résonance sont fortement diminuées pour la cellule aux couleurs RVB; (3) les ondes latérales sont considérablement supprimées, même par rapport aux résultats des DBR seuls illustrés à la figure 2a. Comme prévu, après l'introduction des ARC et des couches tampons, les différences de chemin optique ont été modifiées, faisant varier la situation de résonance. En conséquence, les longueurs d'onde centrales, la bande passante de réflexion et les ondes latérales du système sont améliorées. Par conséquent, les conceptions photoniques avancées conduisent à la couleur souhaitée avec une qualité de couleur très appréciée, comme le prouvent les coordonnées de chromaticité CIE 1931 de la figure 2f. Par rapport au sRVB, les différences de couleur entre le RVB et le sRVB conçus sont les suivantes :ΔE_R = 16,8 pour le rouge, ΔE_G = 47.6 pour le vert, et ΔE_B = 41,7 pour le bleu. Bien que les différences de couleur montrent un léger changement entre le RVB et le sRVB conçus par l'observateur, l'espace colorimétrique pour notre conception est comparable à celui du sRVB. Par exemple, les espaces colorimétriques RVB sont approximativement égaux à 52,7 % (72 %) des espaces colorimétriques de la National Television System Commission (NTSC) pour les systèmes conçus et standard, respectivement.

Jusqu'à présent, nous avons conçu avec succès les SC a-Si:H avec une stratégie optique avancée à couche mince. Cependant, pour une telle fonction d'affichage, la réponse électrique des SC sera inévitablement affectée. Par conséquent, il est nécessaire d'examiner la réponse optoélectronique détaillée des SCs a-Si:H à couleur contrôlée. Au cours des dernières années, nous avons effectué des études approfondies sur les simulations au niveau du dispositif de SC à base de semi-conducteurs, y compris la simulation optoélectronique avec l'adressage des réponses de transport électromagnétique et porteur [17, 18] ainsi que la simulation opto-électrique-thermique avancée de CS [19]. Des SC basées sur (1) divers matériaux (par exemple, Si, GaAs et a-Si:H) et (2) diverses nanostructures (par exemple, un nanofil, des nanotextures et des doubles jonctions) ont été explorées afin de trouver le des moyens de contrôler les comportements multiphysiques intrinsèques à l'intérieur des SC et d'améliorer les efficacités de photoconversion [20,21,22]. Par conséquent, la réponse optoélectronique des SCs a-Si:H spécialement conçues et présentées dans cet article peut être facilement obtenue en effectuant la simulation optoélectronique correspondante.

La figure 3a–c montre l'absorption (A ) et les spectres EQE des SC RVB sous éclairage AM1.5. Premièrement, il est montré que les spectres d'absorption montrent des creux apparents à des longueurs d'onde spécifiques correspondant aux pics de réflexion pour les couleurs R, V et B, respectivement. En effet, la fonction d'affichage des couleurs nécessite des réflexions lumineuses spécifiques au niveau de la bande visible; ainsi, l'absorption optique (A ) et la réponse électrique (EQE) des SC seront inévitablement affectées, ce qui entraînera une différence substantielle entre EQE et A pour les SC rouges, verts et bleus. Par ailleurs, dans la bande de longueur d'onde inférieure à 380 nm, on constate que la lumière est presque totalement absorbée par la couche supérieure d'ITO; par conséquent, l'absorption et l'EQE correspondantes sont proches de zéro. Malgré cela, l'absorption globale de l'appareil est suffisamment bonne pour montrer le pic A plus de 80%. Deuxièmement, puisque a-Si:H SC est pris en compte dans cette étude, l'effet de recombinaison des porteurs existe presque dans toute la bande spectrale valide (car la couche active est très mince) de sorte que l'EQE est toujours inférieur à A . Les caractéristiques courant-tension correspondantes (J -V courbes) sont tracées sur la Fig. 3d, où l'encart montre la densité de courant de court-circuit détaillée (J _SC ), tension en circuit ouvert (V _OC ), facteur de remplissage (FF) et efficacité de photoconversion (Eff) pour les cellules RVB. A titre de comparaison, un SC a-Si:H conventionnel avec un SiO₂ 100 nm une couche antireflet est utilisée et montre une efficacité ~ 7,59%, ce qui est similaire au rapport d'Anderson et al. [16, 29]. On constate que la conception RVB n'affecte évidemment pas le V oc et FF. Il est reconnu que le V _OC et FF du SC sont principalement déterminés par les propriétés intrinsèques du matériau (par exemple, la bande interdite), la concentration de dopage de la couche active et la configuration du dispositif ; par conséquent, la conception RVB affecte l'absorption, plutôt que le V _OC et FF. Comme prévu, les SC de couleur montrent les efficacités réduites en raison de l'objectif d'affichage des couleurs. Plus précisément, le SC de couleur bleue a une efficacité maximale de 6,54%, tandis que le vert 5,58% et le rouge 4,88%. La cellule rouge montre la plus grande réduction d'efficacité puisque la lumière rouge réfléchie a la plus forte énergie solaire. C'est un sacrifice raisonnable pour un tel SC multifonctionnel.

Spectres d'absorption et EQE des SCs a-Si:H à couleur contrôlée avec la couleur a rouge, b vert, et c bleu. d Courbes IV des SC a-Si:H conçus, où le système d'origine sans conception RVB est inclus à titre de référence. Le tableau inséré montre le J _SC , V _OC , FF et Eff

Il est à noter que, si l'on souhaite augmenter encore le rendement de conversion énergétique, une structure plus complexe pourrait être introduite. Optiquement, par exemple, (1) l'effet de piégeage de la lumière (par exemple, le TCO avec une surface texturée) peut être utilisé ; (2) la surface TCO peut être recouverte de TiO₂ -Couches antireflet de ZnO (par exemple, améliorent l'efficacité quantique ~ 10% à 550 nm) [30]. Électriquement, (1) une technique de dépôt chimique en phase vapeur assistée par plasma triode (PECVD) peut être utilisée pour réduire l'effet de dégradation induite par la lumière [31]; (2) notre simulation optoélectronique peut optimiser les comportements dynamiques de transport des porteurs pour abaisser davantage la recombinaison des porteurs et améliorer la production d'électricité [18]. De plus, ce principe de conception est également applicable à d'autres types de SC (par exemple, la pérovskite, le Si cristallin, les SC organiques et hybrides) [32]. Par conséquent, l'efficacité de conversion d'énergie du SC coloré conçu pourrait être augmentée par divers moyens photoniques ou électriques.

Ensuite, nous démontrons l'application des SCs a-Si:H dans l'affichage des motifs et l'architecture esthétique. La figure 4 montre le logo conçu de l'Université de Soochow (en haut à gauche), la partie agrandie du logo (au milieu en haut), les informations détaillées sur la structure des conceptions RVB (à droite) et les valeurs RVB correspondantes des sept couleurs du logo (au milieu en bas ). (1) Il y a sept éléments de couleur dans le logo composés des éléments RVB principaux. (2) Les quatre cercles sont rouges, les vocabulaires en bas de l'anneau extérieur sont verts et les caractères chinois en haut de l'anneau extérieur sont bleus directement à partir des SC à couleur contrôlée. (3) L'arrière-plan présente une couleur violette en gris, composée de contributions RVB égales. La valeur RVB du logo représente les trois composantes rouge, vert et bleu. Par exemple, pour le rouge, plus les valeurs du vert et du bleu sont petites, plus la saturation des couleurs est grande [33]. Par conséquent, la saturation des couleurs rouge et bleue est supérieure à celle du vert, ce qui entraîne un plus grand nombre de valeurs R et B que G dans la couleur de mélange et la rend violette [34]. (4) Les valeurs RVB ne sont pas assez grandes par rapport à la valeur maximale de 255, ce qui entraîne une faible luminosité et une couleur grise. Les caractères chinois centraux sont le magenta, composé de rouge et de bleu égaux, comme le montre l'illustration agrandie en haut à droite de la figure 4. (5) L'aberration chromatique du magenta est plus petite que les autres couleurs de mélange en raison de la meilleure proportion des composants RVB. Les « SOOCHOW » (UNIVERSITÉ) sont de couleur cyan (jaune), composés respectivement de vert et de bleu (rouge et vert). Les deux ont des problèmes de déséquilibre proportionnel RVB et de faible luminosité. Bien qu'il y ait de la place pour d'autres améliorations, le modèle est clair et reconnaissable dans son ensemble.

Logo de l'Université de Soochow, avec des pixels composés de SC RVB a-Si:H. L'encart montre la composition microscopique des pixels, les détails de la structure des SC RVB a-Si:H et les valeurs RVB des cartes de couleurs mélangées par les trois couleurs primaires

Dans les applications pratiques, contrairement aux SC nanostructurés, les SC RGB proposés en configuration planaire peuvent être fabriqués par les processus de fabrication commerciaux très matures [35]. En bas, il y a une cellule solaire représentative a-Si:H avec une structure p-i-n. Premièrement, la couche de silicium amorphe de type n (na-Si:H) est déposée sur un substrat revêtu de TCO (verre ou plastique) par PECVD, du silicium amorphe intrinsèque (ia-Si:H) et du silicium amorphe de type p ( Les couches pa-Si:H) sont suivies par la même méthode. Ensuite, l'électrode supérieure est généralement la couche de TCO, qui est déposée par pulvérisation [36]. Ensuite, la couche tampon est déposée sur le SC complet a-Si:H, suivie de la couche alternée de DBR par pulvérisation magnétron [37]. Finalement, les SC RVB a-Si:H sont complétés par le dépôt des ARC à double couche supérieurs avec pulvérisation cathodique magnétron. Dans le processus de préparation, une variation de l'épaisseur de 1 à 5% est possible. Par conséquent, afin d'étudier l'effet de la variation des épaisseurs, nous introduisons une variation aléatoire de l'épaisseur (par exemple, de - 5% à 5%) pour chaque couche. Les résultats de la simulation montrent que les différences de couleur (ΔE) vont de 1,9 à 11,2 pour le rouge, de 1,3 à 15,7 pour le vert et de 0,5 à 2,9 pour le bleu. Il est évident que les SC bleus ont la meilleure tolérance à l'effet de la variation des épaisseurs. Bien que les différences de couleur pour le rouge (vert) atteignent 11,2 (15,7), leurs valeurs moyennes sont d'environ 4,3 (8). En outre, nous étudions la variation de l'épaisseur (par exemple, - 5% et 5%) pour chaque couche sur l'Eff de SC, l'Eff correspondant montre une petite variation dans la plage de - 0,1% à 0,4% pour les SC RGB. Ainsi, nous pouvons considérer que l'efficacité du SC est robuste contre l'écart d'épaisseur typique du DBR et des ARC dans les expériences.

Enfin, nous étudions l'effet de l'angle incident sur les couleurs conçues. La figure 5a montre comment les couleurs RVB conçues évoluent avec l'augmentation de l'angle d'incidence (θ ). De toute évidence, les SC bleu et vert ont de meilleures tolérances contre l'incidence inclinée, par rapport au rouge dont la couleur est passée du rouge (θ = 0°) au vert (θ> 70°). À titre de comparaison, la figure 5b montre les loci des couleurs RVB conçues dans les coordonnées de chromaticité CIE 1931 avec une augmentation continue θ . Selon le diagramme CIE, la saturation de toutes les couleurs diminue avec l'augmentation de θ , surtout sous un grand θ = 80°, où les couleurs sont très proches du point E (le point de saturation le plus bas). La figure 5c montre le logo de l'université de Soochow sous différents angles d'incidence. Le logo cible est composé de sept couleurs standard, et chaque couleur a la teinte, la saturation et la luminosité les plus standard. Le RVB standard est composé de couleurs rouges, vertes et bleues standard avec d'autres couleurs générées à partir de leurs combinaisons. Les deux sont utilisés à des fins de comparaison. Il est clair que le logo est lisible même sous de grands angles d'incidence; cependant, les couleurs du motif ont été modifiées dans une certaine mesure en augmentant l'angle d'incidence. Cela laisse place à d'autres optimisations à l'avenir.

un Les évolutions des couleurs RVB montrées par les SC a-Si:H conçus avec l'angle d'incidence. b Les variations des positions RVB dans CIE 1931 se coordonnent avec l'augmentation de l'angle d'incidence. c Les motifs du logo affichés par le a-Si:H SC sous divers angles d'incidence (0°, 30°, 45° et 60°). En c , le logo cible et le logo par RVB standard sont inclus à des fins de comparaison