Absorption de lumière amplifiée par plasmons dans les cellules solaires à nanofils de GaAs : une étude par différences finies dans le domaine temporel

Résumé

Nous présentons une investigation par différences finies dans le domaine temporel (FDTD) de réseaux de nanofils (NF) de GaAs alignés verticalement et fonctionnalisés avec des nanoparticules (NP) d'or. Les NF, longs de 1 µm avec un diamètre de 100 nm et une périodicité de 165 à 500 nm, sont décorés de NP d'or de 30 à 60 nm sur leurs parois latérales. Nos simulations révèlent que les résonances plasmoniques des NP d'or augmentent considérablement l'absorption près du bord de bande du GaAs, offrant jusqu'à 35 % d'augmentation à 800 nm. Cette amélioration se traduit par une génération accrue de paires électron-trou et une hausse mesurable de l'efficacité globale de la cellule solaire, démontrant le potentiel de cette architecture hybride pour les photovoltaïques de prochaine génération.

Introduction

Les demandes en énergie renouvelable ont accéléré la recherche sur les photovoltaïques à couches minces, mais les défauts matériels et l'absorption limitée contraignent leurs performances. Les nanostructures émergentes — notamment les nanofils de semiconducteurs III-V — offrent des coefficients d'absorption élevés, des bandes interdites directes et des mobilités de porteurs de charge supérieures, les rendant attractifs pour des cellules à faible coût et haut rendement. Lorsqu'ils sont couplés à des nanoparticules métalliques plasmoniques, ces nanofils peuvent piéger la lumière plus efficacement, améliorant le photocourant dans les photodiodes, photodétecteurs et architectures de cellules solaires. Bien que de nombreuses études aient exploré l'amélioration plasmonique dans les cellules planaires, les investigations sur les réseaux de nanofils III-V assistés par plasmons restent rares. Ici, nous utilisons des simulations FDTD pour quantifier comment les NP d'or améliorent la réponse optique de cellules solaires à nanofils GaAs p-i-n, offrant une voie de conception pratique vers des dispositifs à haut rendement.

Matériaux et méthodes

La figure 1a,b illustre la cellule unitaire de notre dispositif proposé : un réseau périodique de nanofils GaAs p-i-n (D = 100 nm, L = 1 µm, P = 100–500 nm) décorés de NP d'or de 30 à 60 nm sur les parois latérales. Les nanofils sont intégrés dans un substrat GaAs. Des conditions aux limites périodiques dans le plan x-y imposent la périodicité du réseau, tandis que des couches parfaitement adaptées coiffent le haut et le bas du domaine de simulation. Une source d'onde plane avec spectre AM1.5G (300–1000 nm) incide selon l'axe z, et des moniteurs de réflexion/transmission enregistrent la réponse optique. Les paramètres matériels — mobilité, durée de vie SRH, densité d'états effective, coefficient Auger, vitesse de recombinaison surfacique — sont issus de la littérature récente. Les profils de génération optique sont importés dans le solveur EMW Sentaurus pour l'évaluation des performances électriques.

Résultats et discussion

Nous avons d'abord optimisé le rapport diamètre-périodicité (D/P) des NF GaAs nus. La figure 2 montre que l'absorption reste supérieure à 90 % pour 300–600 nm quel que soit D/P, mais chute brutalement sous la bande interdite pour D/P = 0,2. Le meilleur spectre d'absorption se produit à D/P = 0,6, où le piégeage de lumière est maximal. L'incorporation de NP d'or déplace le pic d'absorption vers les longueurs d'onde plus longues : à D/P = 0,2, des NP d'or de 30 à 60 nm produisent une amélioration prononcée entre 650 et 800 nm, avec le gain maximal (≈ 35 %) pour 60 nm de diamètre. En revanche, l'absorption dans la bande 300–400 nm diminue de 20–30 % en raison de l'absorption par résonance plasmonique de surface localisée (LSPR) des NP.

L'analyse de distribution de champ à 800 nm (Fig. 4) confirme que les NP d'or concentrent le champ électrique le long de la direction x vers les NF voisins, surtout pour les NP plus grands. Lorsque D/P augmente à 0,3 (Fig. 5), l'absorption reste supérieure à 95 % pour toutes les tailles de NP, mais les NP d'or de 60 nm fournissent à nouveau la plus grande amélioration sur 650–800 nm. Ces résultats soulignent le rôle critique du couplage de champ proche induit par LSPR dans l'augmentation de l'absorption près du bord de bande du GaAs.

Les calculs de performance électrique (Fig. 9) révèlent que les NF décorés d'or présentent une tension de circuit ouvert plus élevée (0,899 V vs 0,878 V) et une augmentation spectaculaire de la densité de courant de court-circuit (24,3 mA/cm² vs 18,9 mA/cm²). L'efficacité de photoconversion passe de 12,96 % à 16,92 % à D/P = 0,4, soit une amélioration relative de 24 %. Le moteur principal est le piégeage de lumière accru par les NP d'or, qui élève les taux de génération de porteurs, particulièrement dans la région proche de la bande interdite.

Trois mécanismes sous-tendent l'amélioration observée : (1) diffusion efficace des photons incidents par les NP d'or de 60 nm ; (2) injection de porteurs chauds à travers la barrière de Schottky dans la bande de conduction du GaAs ; (3) amplification intense de champ proche près du LSPR, qui entraîne une génération plus forte de paires électron-trou. Ces effets augmentent collectivement l'absorption, le photocourant et l'efficacité globale.

Conclusions

Nous avons démontré, par des simulations FDTD et électriques rigoureuses, que la décoration de réseaux de nanofils GaAs avec des nanoparticules d'or de 60 nm peut augmenter l'absorption jusqu'à 35 % à 800 nm et améliorer l'efficacité de photoconversion de 24 %. La clé de cette performance est la résonance plasmonique de surface localisée des NP d'or, qui concentre la lumière dans le nanofil et stimule la génération de paires électron-trou. Ce design hybride offre une voie évolutive vers des cellules solaires à nanofils GaAs à haut rendement et faible coût, et invite à une validation expérimentale plus approfondie.