Amélioration significative du rendement des cellules solaires avec des réseaux hybrides nanofils-points quantiques GaAs/InAs

Résumé

Cette étude présente une cellule solaire hybride nanofils-points quantiques (NF-PQ) GaAs/InAs qui réalise une extension remarquable du spectre d'absorption jusqu'à 950 nm. En déposant cinq couches de points quantiques InAs sur les parois latérales de nanofils GaAs de 500 nm, le dispositif bénéficie d'un élargissement spectral et d'un piégeage de la lumière simultanés. Le gain de rendement de conversion de puissance (RCP) obtenu dépasse l'amélioration obtenue dans les cellules à couche mince conventionnelles par un facteur de six, soulignant le rôle supérieur du réseau de nanofils dans la performance des cellules solaires à points quantiques.

Contexte

Les points quantiques (PQ) ont longtemps été identifiés comme une voie prometteuse pour augmenter les rendements des cellules solaires en ingénierie des bandes interdites effectives et en étendant l'absorption dans le régime sous-bande interdite. Lorsqu'ils sont intégrés dans la région active, les PQ peuvent générer une bande intermédiaire, permettant aux photons d'énergies inférieures à la bande interdite de l'hôte de contribuer au photocourant. Cependant, réaliser une amélioration nette du rendement nécessite une augmentation substantielle de l'absorption — soit en ajoutant plus de PQ, en améliorant leur couplage optique, ou les deux.

Une percée récente consiste à faire croître des PQ Stranski-Krastanov directement sur les parois latérales de nanofils (NF) alignés verticalement. Cette approche hybride offre deux avantages synergiques : (1) la géométrie NF permet une densité élevée de PQ multicouches, et (2) la capacité intrinsèque de piégeage de la lumière du réseau amplifie l'absorption des PQ. De tels hybrides NF-PQ peuvent être fabriqués sur des substrats en silicium peu coûteux, les rendant attractifs pour le photovoltaïque à haut rendement et évolutif. Bien que les propriétés structurales et optiques des hybrides NF-PQ aient été bien documentées, leur potentiel photovoltaïque complet n'a pas encore été quantifié.

Ici, nous présentons une simulation optoélectronique couplée qui évalue la performance d'une cellule solaire GaAs/InAs NF-PQ. Le dispositif comporte une jonction radiale pin, avec les cinq couches de PQ situées dans la région intrinsèque. Nous comparons le réseau NF à une structure de couche mince équivalente pour isoler les avantages conférés par la géométrie des nanofils.

Méthodes

Les hybrides NF-PQ ont été fabriqués à l'aide d'un système MOCVD Thomas Swan Close-Coupled Showerhead (CCS) avec des précurseurs triméthylgallium, triméthylindium et arsine. Après la formation du catalyseur sur un substrat GaAs recouvert d'or, les NF GaAs ont été cultivés. Des rampes de température et la commutation des précurseurs ont déposé la première coquille de PQ InAs, suivie d'un espaceur GaAs. La répétition de cette séquence a produit cinq couches concentriques de PQ le long des parois latérales des NF.

La géométrie du dispositif (Fig. 1a) consiste en des NF GaAs/InAs périodiques avec une hauteur de 500 nm, un rayon de 100 nm et un pas de 360 nm. La coquille de type p et le cœur de type n étaient dopés à 3×10¹⁸ cm⁻³ et 1×10¹⁸ cm⁻³, respectivement. Les couches de PQ, les couches de mouillage (CM) et le GaAs environnant ont été traités comme un milieu efficace avec une épaisseur de 2 nm, en utilisant des indices de réfraction pondérés en volume (Éq. 1).

Les simulations optiques ont utilisé la 3D-FDTD (Lumerical) avec des conditions aux limites périodiques et le spectre AM1.5G discrétisé en 87 longueurs d'onde. Les profils de génération résultants ont été importés dans un solveur de dispositif par éléments finis (Lumerical Device) qui résout de manière auto-cohérente les équations de continuité des porteurs et de Poisson, en tenant compte de la recombinaison radiative, Auger et Shockley-Read-Hall. La capture des porteurs du GaAs vers les CM et la relaxation subséquente vers les PQ ont été modélisées avec des décalages de bande de 100 meV, reflétant les énergies d'activation expérimentales. Les mobilités de barrière de 2500 cm²/Vs (électrons) et 150 cm²/Vs (trous) et une vitesse de recombinaison de surface de 3000 cm/s ont été utilisées.

Résultats et Discussion

La Figure 3 démontre que les couches de PQ améliorent dramatiquement l'absorption au-delà de 450 nm et étendent le spectre à 950 nm. À mesure que la longueur des NF augmente, l'avantage d'absorption des PQ diminue au-dessus de la bande interdite du GaAs car l'absorption du GaAs en volume devient dominante. Cependant, en dessous de la bande interdite, la contribution des PQ augmente avec des NF plus longs, produisant deux pics prononcés à 876 nm et 916 nm — cohérents avec le profil d'absorption du milieu efficace (Fig. 1c). Les structures à couche mince saturent rapidement avec l'épaisseur ; leur fraction volumique de PQ plus faible limite les avantages d'absorption, surtout au-dessus de la bande interdite.

Les cartes de génération optique (Fig. 4) révèlent que les porteurs générés dans le milieu efficace dépassent en nombre ceux dans le GaAs, confirmant le renforcement de l'absorption par les PQ. Dans les NF courts, les porteurs se distribuent dans toute la structure, tandis que dans les NF longs, ils se concentrent près du sommet, où la résonance de mode guidé aux longues longueurs d'onde améliore l'absorption des PQ. Les graphiques de champ électrique à 876 nm et 916 nm montrent un fort chevauchement avec les couches de PQ, illustrant l'avantage de piégeage de la lumière du réseau NF. En revanche, le profil de génération de la couche mince est nettement plus faible, soulignant le rôle limité des PQ dans les dispositifs plans.

Les calculs de performance du dispositif (Fig. 5) montrent que l'incorporation des PQ augmente la densité de courant de court-circuit (J_sc) de 1.09 mA/cm² (NF courts) et 1.22 mA/cm² (NF longs), mais réduit la tension de circuit ouvert (V_oc) de 0.017 V et 0.021 V, respectivement. Par conséquent, l'amélioration globale du rendement est de 0.67% pour les NF courts et 0.45% pour les NF longs. La pénalité accrue de V_oc provient d'une augmentation de trois ordres de grandeur de la recombinaison radiative dans les couches de PQ (Fig. 5c). Les dispositifs à couche mince n'affichent qu'un gain de rendement de 0.11% sous un chargement identique en PQ, confirmant que la géométrie des nanofils est cruciale pour exploiter l'absorption des PQ.

Les travaux futurs pourront atténuer les pertes de V_oc en optimisant la taille, la densité et la distribution spatiale des PQ, potentiellement produisant des coefficients d'absorption plus élevés et une meilleure extraction des porteurs. Les résultats actuels démontrent cependant de manière convaincante que les hybrides NF-PQ offrent un avantage six fois supérieur aux analogues à couche mince, les positionnant comme une architecture prometteuse pour les photovoltaïques à points quantiques de prochaine génération.

Conclusions

Nous avons montré que les PQ InAs multicouches sur les nanofils GaAs étendent l'absorption à 950 nm et amplifient le RCP par un facteur de six par rapport aux conceptions à couche mince. Bien que les PQ augmentent J_sc, ils introduisent également une recombinaison additionnelle qui dégrade V_oc ; une ingénierie soignée peut compenser ce compromis. La structure hybride GaAs/InAs NF-PQ représente donc une plateforme convaincante pour les cellules solaires à points quantiques à haut rendement.

Abréviations

3D-FDTD :

Différences finies dans le domaine temporel tridimensionnel

AsH₃ :

Arsine

CCS :

Close Coupled Showerhead

I-V :

Densité de courant versus tension

J_sc :

Courant de court-circuit

MOCVD :

Dépôt chimique en phase vapeur organométallique

NF :

Nanofils

PQ :

Points quantiques

S-K :

Stranski-Krastanov

SRH :

Shockley-Read-Hall

TE :

Transverse électrique

TM :

Transverse magnétique

TMGa :

Triméthylgallium

TMIn :

Triméthylindium

V_oc :

Tension de circuit ouvert

CM :

Couches de mouillage