Absorption de la lumière améliorée par le plasmon dans les cellules solaires à nanofils GaAs à jonction (p-i-n) :étude d'une méthode de simulation FDTD

Introduction

Dans la quête de sources d'énergie renouvelables, le photovoltaïque à couche mince (PV) conventionnel est apparu comme des candidats prometteurs pour des sources commercialement viables [1, 2]. Cependant, les déficiences matérielles, y compris les dislocations, et la mauvaise absorption des couches minces posent des limites majeures aux performances de ces cellules photovoltaïques [3]. Pour surmonter ces limitations, d'importants efforts de recherche et de développement ont été dirigés vers les nouvelles technologies photovoltaïques émergentes [4,5,6,7,8,9,10,11]. Ces technologies ont le potentiel de perturber et de remplacer le marché photovoltaïque conventionnel dominant à l'avenir grâce à l'utilisation de techniques avancées d'absorption de la lumière [12,13,14]. Dans ce contexte, il a été démontré que les nanoparticules métalliques (NP) plasmoniques et leurs oxydes, à la fois en distribution aléatoire et périodique, améliorent le photocourant généré lorsqu'ils sont combinés avec des photodiodes [15, 16], des photodétecteurs [17, 18], la conception de cellules solaires [10, 11, 19, 20, 21, 22] et des cellules solaires organiques hybrides [23, 24].

Dans la recherche d'une approche innovante pour réduire la taille et le coût de l'énergie solaire photovoltaïque, les nanotiges et/ou les nanofils (NW) ont attiré beaucoup d'attention scientifique ces dernières années en tant que nouveaux éléments constitutifs passionnants des structures solaires [25, 26]. Leurs propriétés optiques et électriques passionnantes, telles qu'un coefficient d'absorption élevé, une bande interdite directe, une séparation plus rapide des porteurs de charge et une conductivité latérale plus élevée que le cristal tridimensionnel, ont conduit à une efficacité solaire améliorée [27, 28]. De nombreux nanofils semi-conducteurs III-V détiennent des mobilités de porteurs incroyablement élevées pour les dispositifs à grande vitesse [29] et l'électronique flexible [30, 31, 32]. En combinaison avec les nanoparticules plasmoniques, la capacité de piégeage de la lumière au sein de ces nanoparticules unidimensionnelles devrait être améliorée. En général, la miniaturisation de la conception des cellules solaires modifie à la fois les spectres d'absorption et de fluorescence dans les nanofils, indiquant la génération de plusieurs états d'excitons localisés [33]. Malgré un grand nombre de publications bibliographiques, les études sur les combinaisons de matériaux avec des NW semi-conducteurs plasmoniques en tant que systèmes actifs ont rarement été étudiées, encore moins dans les structures NW semi-conductrices à base III-V. Peu d'expériences scientifiques ont été réalisées dans des cellules solaires à base de NW III-V améliorés plasmoniques [34,35,36].

Dans la présente étude, la méthode de simulation du domaine temporel aux différences finies (FDTD) (progiciel Lumerical) est utilisée pour étudier l'effet des plasmons sur la réponse optique des nanofils d'arséniure de gallium à jonction p-i-n axiale (GaAs NWs) à base de structures de cellules solaires. Nous avons optimisé les performances de la structure solaire en utilisant différents NW D /P ration décorée de différentes nanoparticules d'Au de taille comprise entre 30 et 60 nm de diamètre. Notre objectif est d'estimer les champs électromagnétiques (champs EM) qui permettent un fort couplage de la lumière en utilisant une approche de piégeage de la lumière par excitation plasmon. Cela utilise l'incorporation de NP métalliques Au, qui ont des propriétés optiques relativement stables, pour favoriser la lumière et ainsi augmenter l'efficacité des cellules. La nouveauté de ce travail est une mise en œuvre parallèle d'une méthode efficace et pratique qui pourrait faciliter la fabrication de cellules solaires GaAs NW à haute efficacité. L'avancement de nos travaux repose sur l'attention particulière portée aux zones où le champ EM est fortement concentré au niveau des régions d'interface de deux combinaisons NP-NW adjacentes.

Matériaux et méthodes

La figure 1a, b montre des illustrations de notre structure proposée de la cellule solaire à nanofils plasmoniques de GaAs. Chaque cellule contient un tableau NW périodique, dont un seul NW est affiché. La structure comprend des nanofils périodiques de GaAs à jonction p-i-n de diamètre (D = 100 nm) et la périodicité (P = 100-500 nm), dont la surface de la paroi latérale est décorée de nanoparticules d'or (Au NPs) d'un diamètre compris entre 30 et 60 nm (Fig. 1a). La longueur totale des nanofils a été optimisée (L = 1 µm) pour réduire le courant d'obscurité, qui s'échelonne avec la longueur NW. Dans la présente étude, des nanofils de GaAs sont simulés dans un substrat de GaAs sous-jacent. Pour toutes les simulations effectuées, les NP Au sont incorporées dans la structure de la cellule solaire NW au niveau de la paroi latérale NW dans un réseau uniformément réparti de sorte que la lumière soit couplée dans les NW de toutes les directions, comme le montre la figure 1b. Au NPs avec des diamètres entre 30 et 60 nm sont incorporés dans la structure de la cellule solaire NW. Les simulations sont effectuées avec des conditions aux limites périodiques dans le x –y directives pour assurer la périodicité de l'ensemble de la structure. De plus, le domaine de simulation est fermé en haut et en bas avec une couche transparente optiquement appropriée pour permettre à la lumière réfléchie et transmise de sortir du volume de simulation. Les moniteurs de réflexion et de transmission sont situés respectivement en haut et en bas des NW de GaAs. Pour garantir des résultats cohérents, la quantité de puissance transmise par les moniteurs de puissance est normalisée par rapport à la puissance de la source pour toute la plage de longueurs d'onde simulée. De plus, l'illuminateur solaire AM1.5G est utilisé pour représenter la lumière incidente par le haut et est placé parallèlement à l'axe GaAs NW (in-z direction). Une onde plane d'intensité de puissance incidente avec des longueurs d'onde de 300 à 1000 nm est utilisée, couvrant la plage d'absorption du matériau GaAs. Les paramètres critiques du matériau pour les simulations de structure tels que la mobilité minimale, la durée de vie SRH, la densité d'états effective, le coefficient Auger, la vitesse de recombinaison de surface et les propriétés de dispersion de GaAs ont été principalement tirés de la littérature [37, 38]. La modélisation électrique a été partiellement réalisée à l'aide de Sentaurus Electromagnetic Wave Solver (EMW) et de S -des packages de modules de solveur de dispositifs, prenant en compte les principales propriétés physiques de GaAs. Les profils de génération optique sont intégrés dans le maillage d'éléments finis des NW dans l'outil électrique.

un La structure de la cellule solaire plasmonique à nanofils de GaAs décorée de nanoparticules d'Au en 3D et b la structure unitaire simulée de la cellule solaire plasmonique à nanofils GaAs. Les encarts représentent la vue de dessus d'un seul nanofil de GaAs décoré de nanoparticules d'Au (en haut) et du p -i -n nanostructure de jonction (en bas)

Résultats et discussion

Le choix optimal de la géométrie NW ou du rapport diamètre de remplissage/périodicité (D /P ratio) permet une absorption très efficace de la cellule solaire. Par conséquent, nous avons optimisé le D /P rapport du NW par simulation optique pour obtenir les meilleures caractéristiques d'absorption optique dans une cellule solaire à réseau de nanofils GaAs avec p -i -n jonction. La figure 2 montre la puissance totale absorbée d'un nanofil de GaAs nu d'une longueur (L = 1 µm) et le diamètre (D = 100 nm), à une périodicité différente entre 165 et 500 nm et un rapport hauteur/largeur compris entre 0,6 et 0,2. D'après la figure 2, on peut voir que pour les longueurs d'onde de 300 à 600 nm, l'efficacité d'absorption des NW est maintenue au-dessus de 90 % dans toutes les simulations, quel que soit le NW D /P rapport, qui est beaucoup plus élevé que celui des films minces de matériau. Pour le NW D /P rapport de 0,2 (ligne continue), une forte diminution de l'absorption se produit pour les énergies de photons inférieures à la bande interdite correspondante pour le GaAs nu NW. Au-dessus de 600 nm à la longueur d'onde proche de la bande interdite, la figure 2 montre que l'absorption du NW est fortement influencée par l'augmentation du D /P rapport. Le meilleur spectre d'absorption a été obtenu à un D /P rapport de 0,6 (cercles creux). Comme la périodicité NW diminue avec l'augmentation de D /P rapport, la Fig. 2 montre que l'effet de piégeage de la lumière des NW diminue considérablement à la longueur d'onde proche de la bande interdite pour les NW inférieurs D /P rapports. Il a été démontré dans la littérature que le D /P joue un rôle important dans l'absorption des NWs de GaAs [34, 35]. Les calculs FDTD révèlent que l'absorption optique des NW est sensible aux paramètres géométriques tels que le diamètre NW, la longueur et le plus grand D /P rapport. Cependant, en combinaison avec les NP métalliques, l'absorption des NW avec un D inférieur /P le rapport à la longueur d'onde proche de la bande interdite s'améliore plus significativement qu'avec un NW D plus élevé /P rapport. Motivés par cette observation, nous avons effectué des simulations optiques pour nos structures GaAs NW incorporées avec différentes tailles de NP à des D plus petits. /P des ratios de 0,2 et 0,3, respectivement. À titre d'exemple typique, la figure 3 montre la puissance d'absorption totale calculée pour GaAs NW à un D /P rapport de 0,2 incorporé avec différents diamètres Au-NP de 30 nm (points pleins), 40 nm (carrés pleins), 50 nm (triangles pleins) et 60 nm (cercles creux), respectivement. A titre de comparaison, l'absorption du NW nu est également tracée (ligne continue). De la Fig. 3, on peut déduire que lorsque les NP Au sont introduits, un renforcement du champ dépendant de la taille des NP dans le NW est bien établi. Ceci est probablement dû au couplage résonant des électrons de conduction libres, appelés plasmons, qui conduit à une absorption accrue dans le NW. Nous avons constaté qu'à mesure que la taille des NP incorporées augmente, l'absorption NW est efficacement améliorée, de manière plus significative à la longueur d'onde de la lumière au-dessus du bord de coupe de 650 nm à la longueur d'onde proche de la bande interdite de 800 nm. La meilleure absorption dans le NW est obtenue lorsque le diamètre de 60 nm Au NPs est incorporé. D'autre part, aux courtes longueurs d'onde de 300 à 400 nm, la simulation montre une baisse modeste des performances d'absorption de près de 20 à 30 % après l'incorporation de la gamme complète des NP Au. De plus, une forte diminution du pouvoir d'absorption se produit aux longueurs d'onde correspondant à la résonance plasmonique des NP Au incorporé (longueurs d'onde de 440 à 470 nm). Cela est probablement dû aux résonances plasmoniques de surface localisées (LSPR) confinées dans les NP. Ensuite, nous avons étudié la distribution du champ à l'intérieur du NW à la longueur d'onde proche de la bande interdite de 800 nm, où l'absorption optique du NW est efficacement améliorée par les plasmons de surface. Nous avons comparé la distribution de la lumière à l'intérieur de la structure NW avant et après la décoration des NW avec les NP Au, comme le montre la figure 4. Cette dernière montre une vue de dessus de la distribution d'intensité 2D dans le x –y plan sur la section transversale d'un GaAs NW obtenu à partir des moniteurs supérieurs de simulation pour le champ électrique |E | (a) et la puissance totale absorbée (b), à la longueur d'onde de 800 nm avant et après décoration avec des NP Au avec des diamètres de 30, 40, 50 et 60 nm, respectivement. La barre de couleur indique l'intensité du champ normalisée à la valeur maximale. D'après les résultats, on peut voir que pour une petite taille de NP, le champ électrique piégé appartient au mode de plasmon de surface localisé d'ordre inférieur, tandis que lorsque le diamètre de NP augmente, le mode d'ordre supérieur est excité. À partir de la Fig. 4, on peut voir que le couplage de la lumière des NP Au dans le x -la direction dans le GaAs NW voisin est facilement apparente et plus évidente lorsque la taille des NP Au incorporé augmente. En revanche, aucun effet d'amélioration du champ et/ou de couplage de la lumière dans le NW n'est trouvé à partir des NP dans le y -direction. Les oscillations collectives des NP semblent se concentrer sur les directions avant et arrière des NP plutôt que sur le couplage dans le NW. Lorsque le D /P le rapport du remplissage NW est augmenté à 0,3 (Fig. 5) et les NP Au avec des diamètres de 40 nm (cercles pleins), 50 nm (triangles pleins) et 60 nm (cercles creux) sont incorporés, respectivement, l'efficacité d'absorption globale du NW reste supérieur à 95% pour les différentes tailles de NP incorporées. Par rapport à la figure 3, une légère diminution de l'efficacité d'absorption est observée pour les longueurs d'onde correspondant à la résonance plasmonique des NP incorporées dans la plage de 440 à 470 nm. Au fur et à mesure que la taille des NP Au incorporé augmente, l'absorption NW est efficacement améliorée, et encore plus significativement entre les longueurs d'onde de 650 nm, jusqu'à la limite de la bande interdite GaAs. De plus, la meilleure absorption NW est trouvée lorsque le diamètre Au NP de 60 nm est incorporé. Les résultats de la simulation dans les Fig. 3, 4 et 5 suggèrent fortement que l'incorporation des NPs Au dans les NWs conduit à une absorption considérablement améliorée des NWs GaAs, même à faible D /P ratios où l'absorption des NWs nus est plus faible que prévu. Le LSPR qui s'est produit à la surface des NPs d'Au est probablement la principale source du champ local amélioré dans les NWs de GaAs alignés. Le LSPR dépend fortement de la taille, de la forme et des propriétés du matériau environnant du NP [13]. Pour clarifier plus en détail l'absorption NW améliorée par plasmon, nous avons étudié l'amélioration du champ GaAs NW lorsqu'il est décoré avec un seul NP d'un diamètre de 60 nm, qui s'est avéré avoir les meilleurs résultats. Nous avons défini la périodicité NW sur 0,2 et choisi trois longueurs d'onde lumineuses typiques de 450, 600 et 800 nm. A ces longueurs d'onde lumineuses, la décoration NP affecte probablement l'absorption NW. Nous avons comparé la distribution de la lumière au sein de la structure NW avant et après la décoration avec les NP, comme le montre la figure 6a–h. La figure 6a montre une vue latérale de l'intensité du champ électrique 2D à une longueur d'onde de 450 nm pour le GaAs nu NW calculé par FDTD. Comme on peut le voir, la répartition lumineuse du NW nu sur la figure 6a montre un beau profil d'absorption en haut, au milieu et en bas du NW. D'un autre côté, la simulation du GaAs NW incorporé à l'Au sur la figure 6b montre un petit effet sur l'absorption du NW, c'est-à-dire que la lumière incidente est à peine absorbée sur toute la longueur du NW. Le faible E -la distribution du champ dans le NW indique une mauvaise absorption de la lumière. De plus, le champ lumineux est plutôt concentré autour des NPs Au qu'à l'intérieur du NW. Ceci est probablement dû au coefficient d'extinction plus faible du LSPR excité en champ proche [15]. La figure 6c montre la distribution de la lumière pour le GaAs nu à une longueur d'onde de 600 nm. La figure montre que la majeure partie de la lumière incidente est absorbée dans la moitié supérieure du GaAs NW. Après décoration avec les NP Au, la figure 6d montre un profil d'absorption amélioré par rapport à la figure 6b. Une petite fraction du champ E est uniformément répartie avec une intensité plus élevée sur toute la longueur du NW, avec une tendance à se concentrer au sommet du NW. De plus, la figure 6d montre que le transfert d'excitation est dominant au sein des NP. À une longueur d'onde de 800 nm, l'absorption du NW nu montre une distribution de champ uniforme en haut, au milieu et en bas de l'ensemble du NW, comme le montre la figure 6e. D'autre part, l'absorption NW est grandement améliorée après décoration avec Au-NP, et l'intensité du champ absorbé dans le GaAs NW reste presque inchangée du haut vers le bas du NW (Fig. 6f). De plus, un champ concentré autour des NP est facilement visible. Les figures 6g et h montrent la vue de dessus de la distribution 2D du champ E dans le GaAs NW à 800 nm, comme le montrent les figures 6e et f, respectivement. Étant donné que notre étude se concentre uniquement sur la décoration des NP de GaAs avec des NP d'Au, par rapport aux résultats de la littérature publiée [34], nos résultats indiquent que les NP métalliques améliorent l'absorption des NP de GaAs même à D inférieur. /P rapport, c'est-à-dire de 0,2. L'avancement de nos résultats est la possibilité d'améliorer encore l'absorption des NW à des longueurs d'onde plus élevées, c'est-à-dire 600 et 800 nm.

La performance d'absorption totale de GaAs NW avec différents D /P ratios sans incorporation de nanoparticules métalliques Au

L'efficacité d'absorption totale de GaAs NW avec D /P ratios de 0,2 (a ) incorporé avec différentes tailles de NP Au de 30 à 60 nm de diamètre par rapport au NW nu

Vue de dessus de la répartition lumineuse 2D ; un la puissance absorbée calculée; b le nanofil de GaAs après incorporation des NPs Au de 30, 40, 50 et 60 nm de diamètre calculés par FDTD à la longueur d'onde lumineuse de 800 nm par rapport au GaAs nu NW

L'efficacité d'absorption totale de GaAs NW avec D /P ratios de 0,3 incorporés avec différentes tailles Au NP de 40 à 60 nm de diamètre par rapport au NW nu

Vue latérale de la distribution de lumière 2D pour le nanofil de GaAs nu aux longueurs d'onde a 450, c 600, et e 800 nm par rapport au GaAs NW décoré de 60 NPs Au (b ), (d ), et (f ). Chiffres g et h montrer la vue de dessus à partir des figures (e ) et (f ), respectivement

Pour compléter l'ensemble d'analyse, la puissance totale absorbée dans le GaAs NW est calculée après avoir décoré le diamètre des NP Au 60 nm aux trois longueurs d'onde de la lumière coupante de 450, 600 et 800 nm (Fig. 7a–f). Encore une fois, la puissance totale absorbée pour le NW nu à ces trois longueurs d'onde lumineuses est incluse à des fins de comparaison. D'après les figures 7a–f, on peut conclure qu'une augmentation de la puissance absorbée est observée dans le NW après décoration des NPs Au, en particulier aux longueurs d'onde plus élevées de 600 et 800 nm, par rapport au GaAs NW nu. La meilleure puissance absorbée est trouvée pour le GaAs-Au décoré NW à une longueur d'onde de 800 nm (Fig. 7f). Pour ce dernier, la distribution de puissance absorbée est fortement augmentée dans la moitié supérieure du GaAs NW, ce qui est cohérent avec les résultats précédents de la figure 3. La figure 7g, h montre la vue de dessus du 2D E -répartition du champ dans le GaAs NW à 800 nm, comme indiqué sur les Fig. 7e, f, respectivement. Ces résultats de simulation indiquent que la concentration de lumière due à l'excitation de LSPR autour des NPs Au conduit à des photocourants localisés améliorés dans le GaAs NW, leur permettant de servir d'antennes efficaces de transfert d'énergie à l'échelle nanométrique pour la lumière incidente. Pour mieux comprendre l'efficacité d'absorption des nanofils, les données de section efficace d'extinction (absorption + diffusion) des GaAs NW avant et après décoration avec les 60 nm Au NPs ont été calculées. La figure 8a, b montre la section efficace d'extinction optique pour les nanofils de GaAs nus (a) et les nanofils décorés d'Au (b) sous un éclairage perpendiculaire. La figure 8a indique une absorption maximale du NW nu à une longueur d'onde d'environ 400 nm. Ce dernier explique assez bien que les GaAs NWs sont de bons absorbeurs dans la région UV du spectre EM. De plus, le coefficient d'extinction de la figure 8a est dominé par l'absorption NW, tandis que la diffusion de la lumière est minimale. La figure 8b montre la section efficace d'extinction optique simulée de GaAs NW décoré de NPs Au de 60 nm de diamètre. Comme on peut le voir, la capacité de piégeage de la lumière de GaAs NW présente deux pics d'absorption comme suit :(1) dans la région du proche infrarouge ; l'absorption NW occupe  ~ 8% à la longueur d'onde de 650 nm. Ce sont vraisemblablement les LSPR confinés sur la paroi latérale autour du NW ; (2) Dans le champ lointain, l'absorption NW occupe  ~ 35% à  ~ 800 nm de longueur d'onde tout en maintenant un coefficient d'extinction optique plus élevé. En comparant les figures 8a, b, on peut en déduire que la section transversale optique est effectivement augmentée. Un ordre de grandeur d'augmentation de la section efficace optique est facilement apparent. Ensuite, l'efficacité de génération optique et de photoconversion de notre structure de cellule solaire avant et après la décoration avec des NP est étudiée. La figure 9a montre l'efficacité de la structure de la cellule solaire NW avec (ligne rouge) et sans décoration de NPs Au (ligne noire) sous des illuminations AM 1.5G. Nous observons clairement une augmentation du photocourant résultant de la décoration avec des NPs Au. La tension en circuit ouvert (V _oc ) augmente légèrement de 0,878 (pour les NW nus) à 0,899 (pour les NW décorés). De plus, la densité de courant de court-circuit (J _sc ) augmente considérablement de 18,9 (pour les NW nus) à 24,3 mA/cm ² (pour les NW décorés). La figure 9b montre une efficacité de photoconversion croissante avec l'augmentation de D /P rapport (maximum à 0,6). La figure montre que l'efficacité de la photoconversion augmente avec l'augmentation de D /P rapport jusqu'à des valeurs comprises entre 0,5 et 0,6, au-dessus desquelles la stabilité de l'efficacité de la photoconversion est atteinte. Cela est probablement dû au fait que la lumière incidente dans une bande de longueur d'onde complète peut être absorbée par les nanofils de GaAs si le D /P le rapport est assez grand. De plus, la réflexion augmente à D élevé /P ratios, ce qui diminuerait l'efficacité d'absorption. D'après la figure, on peut voir que l'efficacité de la nouvelle structure est améliorée d'un facteur 24 de 12,96 à 16,92 % lorsque le D /P le rapport est de 0,4. Comme l'efficacité de la photoconversion semble influencée par de nombreux facteurs, il est concevable à partir de nos résultats que l'amélioration de la densité de photocourant est due à l'incorporation de Au NPs dans nos structures NWs. Ce dernier fournit une méthode pour améliorer le piégeage de la lumière à D inférieur /P ratios du matériau GaAs NWs. Notre étude combinant des LSPR avec des réseaux de nanofils, qui ont tous deux des effets évidents sur le piégeage de la lumière, donne un aperçu de la poursuite des recherches pour améliorer l'efficacité solaire et peut réduire le coût des cellules solaires si elles sont encore optimisées.

Vue latérale de la distribution de puissance d'absorption 2D dans GaAs nu aux longueurs d'onde a 450, c 600 et 800 nm e par rapport au GaAs NW décoré NPS (b ), (d ) et (f ). Images g et h afficher la vue de dessus à partir d'images (e ) et (f ), respectivement

Les sections efficaces d'absorption, de diffusion et d'extinction (absorption + diffusion) pour le GaAs nu NW a sous éclairage perpendiculaire et b pour NW décoré avec 60 NPs Au (maximum 26 NPs), respectivement

un Comparaison de I –V caractéristiques entre les NW nus et les NW avec des NPs Au 60 nm; b efficacité de photoconversion des NW avec différents D /P décoré de nanoparticules Au 60 nm

Après l'absorption de la lumière, nous proposons trois mécanismes possibles d'amélioration plasmonique dans le NW, en utilisant (1) la diffusion de photons incidents, (2) le transfert de porteurs de charge et (3) l'amélioration en champ proche. Compte tenu du mécanisme (1), nos NP de 60 nm de diamètre ont un volume suffisamment important pour diffuser efficacement la lumière. En effet, l'intensité de la lumière diffusée varie avec la puissance sixième du diamètre des particules [39]. À cet égard, les nanoparticules plasmoniques agissent comme des nanoréflecteurs pour les photons incidents dans les directions avant et arrière grâce à des mécanismes d'absorption et de réémission [40]. Ce dernier conduit à un allongement du chemin moyen des photons, entraînant une augmentation du taux de piégeage des photons incidents. Comme pour le mécanisme (2), dans la combinaison semi-conducteur plasmonique-NO, une barrière de Schottky localisée à l'interface bloque le transfert d'électrons du NP vers le NO et vice versa. Cependant, si l'énergie absorbée des électrons chauds lors de l'excitation LSPR des NP métalliques est suffisante, les électrons peuvent franchir la barrière et être injectés dans la bande de conduction du NW. Dans cette image, le mécanisme (2) contribue à l'amélioration plasmonique de l'absorption de la lumière dans le nanofil de GaAs aligné verticalement. De plus, la lumière incidente est absorbée dans une plage spectrale appropriée avec un chevauchement simultané de LSPR et l'énergie de la bande interdite peut sensiblement déclencher l'excitation de la bande interdite du semi-conducteur. De ce point de vue, des taux améliorés de génération d'électrons-trous peuvent être obtenus dans le semi-conducteur NW exposé au champ électrique dans le mécanisme (3). De plus, l'immobilisation des NP Au en contact avec le semi-conducteur NW peut souvent faciliter la séparation des charges dans la génération de paires électron-trou, puisque les niveaux de Fermi des NP plasmoniques sont bien inférieurs à ceux des bords de bande de conduction des semi-conducteurs [41] . Étant donné que le mécanisme d'injection de porteurs chauds nécessite que les NP métalliques et le NW soient en contact ultime, il a été constaté que la génération de porteurs du semi-conducteur est améliorée par le LSPR du métal même sous isolation électrique [42,43,44 ,45,46,47,48,49,50]. Un fort champ électrique est observé au voisinage des NPs; dont l'intensité est supérieure de plusieurs ordres de grandeur à celle du champ lointain incident [41]. Ce dernier a été clairement démontré dans une étude de simulation optique utilisant la méthode du domaine temporel aux différences finies (FDTD) [51].

Conclusions

En résumé, une nouvelle structure de cellule solaire améliorée par plasmon basée sur un réseau de nanofils de GaAs décoré de nanoparticules d'Au est présentée. Les résultats de l'absorption GaAs NW sont évalués pour le diamètre NW (D = 100 nm), (L = 1 μm), et (D /P = 0,2–0,6). Notre calcul montre que la meilleure puissance absorbée pour le GaAs NW occupe  ~ 35% à  ~ 800 nm de longueur d'onde lorsqu'il est décoré avec des nanoparticules d'Au de 60 nm, ce qui est bien supérieur à celui des films minces. De plus, la génération optique simulée dans le nanofil de GaAs est concentrée dans la moitié supérieure du nanofil, dominée par le transfert d'excitation. On pense que le LSPR se produisant à la surface des nanoparticules d'Au est la principale source du champ local amélioré dans les nanofils de GaAs alignés. La lumière incidente concentrée entraîne une augmentation du taux de génération de paires électron-trou dans les nanofils, améliorant ainsi l'efficacité globale de la cellule solaire. La structure explique assez bien que les nanofils de GaAs sont de bons absorbeurs dans la région UV du spectre EM. Notre étude combinant le LSPR avec des réseaux de nanofils fournit un outil passionnant pour de futures recherches visant à réduire le coût des cellules solaires.