Performance photovoltaïque d'une cellule solaire hybride à nanostructure à nanofils/points quantiques

Contexte

L'incorporation de points quantiques (QD) dans les cellules solaires a été proposée comme un moyen prometteur d'améliorer l'efficacité de conversion du dispositif [1, 2]. L'insertion de QD dans la région active d'une cellule solaire permet de concevoir la bande interdite effective du matériau et d'étendre le spectre d'absorption [3,4,5,6]. Cela peut être utilisé pour améliorer le photocourant d'une cellule solaire homogène [7,8,9] ou pour former une bande intermédiaire isolée dans la bande interdite du matériau hôte pour absorber les photons avec une énergie inférieure à la bande interdite du matériau hôte [10,11,12 ,13]. Cependant, pour surpasser l'efficacité des dispositifs conventionnels, l'amélioration de l'absorption causée par les QD doit être considérablement améliorée. Ceci peut être réalisé en augmentant le nombre de QD, en améliorant l'absorption optique, ou une combinaison des deux [14]. Ces dernières années, une structure attrayante a été fabriquée en cultivant des QD de Stranski-Krastanov (SK) sur les parois latérales de nanofils (NW), ce qui offre une approche innovante pour combiner l'avantage des deux types de nanostructures [15,16,17, 18,19]. Les QD multicouches peuvent être cultivés sur les parois latérales des NW, ce qui augmente considérablement le nombre de QD, tandis que le réseau NW aligné verticalement peut considérablement améliorer l'absorption des QD en raison de l'excellente capacité de piégeage de la lumière [20,21,22,23,24 ]. Ainsi, le photocourant apporté par les QD dans le réseau de nanostructures hybrides NW/QD devrait être plus important que celui des structures QD à couche mince. De plus, la structure hybride NW/QD peut être fabriquée sur des substrats de silicium à faible coût, ce qui la rend prometteuse pour les cellules solaires à faible coût et à haut rendement [25]. Bien que la fabrication et les propriétés optiques des nanostructures hybrides NW/QD aient été largement rapportées, les performances des cellules solaires basées sur les structures hybrides n'ont pas encore été étudiées.

Dans cet article, une simulation optoélectronique couplée est présentée pour étudier les performances photovoltaïques d'une cellule solaire hybride GaAs/InAs NW/QD. La structure considérée consiste en un réseau NW aligné verticalement, chaque NW contenant cinq couches de QD disposées perpendiculairement à l'axe de croissance NW. Les QD et les couches de mouillage (WL) contribuent à l'absorption des photons sous la bande interdite, étendant le spectre d'absorption à 950 nm. Chaque NW consiste en une jonction pin radiale avec toutes les couches QD situées dans la région intrinsèque. Dans un premier temps, une comparaison des spectres d'absorption lumineuse entre les réseaux NW avec et sans QD est effectuée en utilisant des simulations tridimensionnelles du domaine temporel aux différences finies (3D-FDTD). Les spectres d'absorption de leurs homologues en couches minces sont également calculés. Ensuite, les profils de photogénération sont intégrés aux simulations électriques pour calculer la densité de courant en fonction de la tension (I -V ) caractéristiques. Les résultats montrent que, dans les cellules solaires à matrice NW et à couche mince, l'incorporation de QD peut améliorer le courant de court-circuit (J _sc ) en augmentant l'absorption lumineuse; cependant, une dégénérescence de la tension en circuit ouvert (V _oc ) se produit en même temps. L'amélioration globale de l'efficacité de conversion de puissance induite par les points quantiques dans les cellules solaires à réseau NW est six fois supérieure à l'amélioration de l'efficacité dans les cellules solaires à couche mince qui contiennent la même quantité de points quantiques, ce qui indique que la structure du réseau NW peut bénéficier aux performances photovoltaïques. de cellules solaires à points quantiques.

Méthodes

Dans notre étude précédente [15], la fabrication des structures hybrides NW/QD a été réalisée en utilisant un système de dépôt en phase vapeur chimique organique métallique (MOCVD) Thomas Swan Close Coupled Showerhead (CCS). Triméthylgallium (TMGa), triméthylindium (TMIn) et arsine (AsH₃ ) ont été utilisés comme précurseurs. Le vecteur était l'hydrogène. Un substrat GaAs revêtu d'Au a été chargé dans le réacteur MOCVD et recuit sous AsH₃ ambiante pour former des particules d'alliage Au-Ga comme catalyseur. Les NW de GaAs ont d'abord été cultivés, puis la première couche de QD d'InAs a été déposée en éteignant le TMGa et en augmentant la température. Après la croissance de la couche InAs QD, la coque d'espacement GaAs a été développée radialement sur les InAs QD. Les multicouches de structures QD ont été réalisées en répétant la combinaison de QD InAs et de coque d'espacement GaAs pendant certains temps.

Le schéma de la cellule solaire hybride NW/QD est illustré à la Fig. 1a. Le dispositif est constitué de structures hybrides périodiques GaAs/InAs NW/QD. Chaque NW contient une jonction pin radiale avec cinq couches de QD disposées perpendiculairement à l'axe de croissance NW dans la région intrinsèque, comme le montre la figure 1b. La concentration de dopage de la coque de type p et du noyau de type n est de 3 × 10 ¹⁸ et 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , respectivement. Les couches QD sont modélisées en traitant les matériaux InAs QD, WL et GaAs entourant les QD comme un milieu efficace. L'épaisseur de chaque support efficace est de 2 nm.

un Les schémas de la cellule solaire hybride NW/QD et de son homologue à couche mince. b Les structures détaillées des unités marquées avec des wireframes dans a . c Coefficient d'absorption du milieu effectif. Les fractions volumiques de QD, WL et GaAs dans le milieu effectif sont de 0,002882996, 0,649123 et 0,347994, respectivement

Pour la simulation optique, l'indice de réfraction complexe dépendant de la longueur d'onde du milieu effectif est calculé par une superposition pondérée en volume des QDs, WL et GaAs comme décrit dans [26], qui est exprimé par l'équation. (1).

où F _QD , F _WL , et F _GaA sont les fractions volumiques des matériaux QD, WL et GaAs dans le milieu effectif, respectivement. Le coefficient d'absorption des QD et WL d'InAs est obtenu à partir de [26], avec la même taille et la même densité de QD. D'autres paramètres matériels sont obtenus à partir de [27]. Le coefficient d'absorption utilisé dans ce travail est présenté dans la Fig. 1c. Deux pics sont observés en dessous de la bande interdite GaAs, l'un centré sur une longueur d'onde de 876 nm et l'autre centré sur 916 nm, qui sont attribués aux couches QD. La cellule solaire à couche mince contenant des couches QD est également simulée à des fins de comparaison. L'épaisseur de la cellule solaire à couche mince est définie pour être égale à la longueur NW, et le volume total des couches QD et l'épaisseur de la couche intrinsèque dans les cellules solaires à couche mince sont définis pour être les mêmes que ceux de la NW Cellules solaires hybrides /QD. Les propriétés d'absorption des cellules solaires sont calculées par le progiciel FDTD Solutions (Lumerical Solutions, Inc.). En plaçant des conditions aux limites périodiques, les simulations peuvent être effectuées dans une seule maille élémentaire pour modéliser la structure du réseau périodique. Le spectre AM1.5G est divisé en 87 intervalles de longueur d'onde discrets, de 300 à 950 nm. Les contributions des modes électriques transverses (TE) et magnétiques transverses (TM) sont superposées pour modéliser la caractéristique non polarisée correspondante de la lumière solaire. La génération optique totale sous un éclairage AM1.5G peut être modélisée en superposant les taux de photogénération à une seule longueur d'onde résolus spectralement.

Pour la modélisation électrique, les profils de génération optique 3D sont incorporés dans le maillage d'éléments finis des dispositifs dans le progiciel Device (Lumerical Solutions, Inc.), qui résout les équations de continuité de porteuse couplées à l'équation de Poisson de manière auto-cohérente. Pour modéliser les propriétés de transport des porteurs du milieu effectif, nous supposons que les porteurs optiques générés dans les barrières GaAs sont capturés par la bande interdite inférieure WL 2D et, par la suite, se détendent vers l'état fondamental QD sur des échelles de temps de 1 à 50 ps [28, 29]. Les porteurs générés dans les QD ou capturés à partir de WL se recombinent ou retournent à WL par émission thermique [30]. Le processus de capture et d'échappement est modélisé en définissant des décalages de bande effectifs de 100 meV à l'interface de GaAs et du milieu effectif, en fonction de l'énergie d'activation pour l'émission thermique des points quantiques rapportée dans la littérature [30,31,32]. Une méthode de modélisation similaire a été rapportée dans [26], dans laquelle les caractéristiques des cellules solaires multijonctions améliorées par QD ont été étudiées. Le diagramme de bande d'énergie illuminée des cellules solaires hybrides NW/QD est illustré à la Fig. 2.

Le diagramme de bande d'énergie illuminée des cellules solaires hybrides NW/QD

La recombinaison radiative, Auger et Shockley-Read-Hall (SRH) est prise en compte dans la simulation électrique de l'appareil. Les durées de vie des porteurs minoritaires QD sont décrites en utilisant une durée de vie de recombinaison radiative de 1 ns et une durée de vie de recombinaison SRH de 10 ns [26], les durées de vie finales du milieu effectif sont une somme pondérée des durées de vie de recombinaison QD et GaAs NW (en supposant que les porteurs capturés par le WL sont ensuite capturés par le QD), comme décrit dans [26]. Le coefficient de recombinaison Auger du milieu effectif est fixé à 4,2 × 10 ⁻²⁹ cm ⁶ /s [33]. Et, les masses effectives des électrons et des trous sont fixées à 0,053m ₀ et 0,341m ₀ , respectivement [26]. Dans la modélisation du transport des porteurs de barrières à travers la région moyenne effective, nous utilisons la mobilité des barrières (2 500 cm ² /Vs pour les électrons et 150 cm ² /Vs pour les trous) [34], comme décrit dans [35]. Une vitesse de recombinaison de surface de 3000 cm/s est utilisée dans le modèle de dispositif, en supposant que les surfaces des nanofils sont bien passivées [34, 36]. Et, la vitesse de recombinaison des porteurs minoritaires de contact est définie sur 10 ⁷ cm/s [37].

Résultats et discussion

Les spectres d'absorption des cellules solaires à matrice GaAs NW avec et sans couches QD sont illustrés à la Fig. 3. Le rayon NW est défini sur 100 nm et la période est de 360 nm. En introduisant des couches QD, l'absorption des GaAs NW est considérablement améliorée et le spectre d'absorption est étendu à 950 nm. La figure 3a–d montre les spectres d'absorption avec différentes longueurs NW. On peut voir que l'absorption est nettement augmentée par les couches QD à une longueur d'onde au-delà de 450 nm, car les couches QD ont un coefficient d'absorption plus élevé que GaAs NWs. À mesure que la longueur NW augmente, la différence d'absorption entre les réseaux NW avec et sans couches QD diminue dans la plage de longueurs d'onde au-delà de la bande interdite GaAs, indiquant que l'absorption de GaAs est plus suffisante pour les NW plus longs. Alors que dans la gamme de longueurs d'onde en dessous de la bande interdite GaAs, comme les NW GaAs contribuent peu à l'absorption de la lumière, l'amélioration de l'absorption induite par les couches QD devient plus importante à mesure que la longueur NW augmente. Deux pics d'absorption sont observés dans la gamme de longueurs d'onde en dessous de la bande interdite GaAs, qui sont centrés à 876 et 916 nm, respectivement, correspondant aux longueurs d'onde auxquelles le milieu effectif a le coefficient d'absorption le plus élevé. Par rapport à la cellule solaire hybride NW/QD, l'absorption de la cellule solaire à couche mince sature beaucoup plus tôt avec l'augmentation de l'épaisseur du film, car la principale perte de la cellule solaire à couche mince est la réflexion. Comme le rapport volumique des couches QD dans les films minces est bien inférieur à celui du réseau NW, l'amélioration de l'absorption de la lumière induite par les couches QD est presque négligeable dans la gamme de longueurs d'onde au-delà de la bande interdite GaAs. Dans la plage de longueurs d'onde inférieure à la bande interdite GaAs, en raison du manque de capacité de piégeage de la lumière, l'absorption des couches QD dans le film mince est bien inférieure à celle du réseau NW.

Les spectres d'absorption du réseau de nanostructures hybrides NW/QD et de son homologue à couche mince avec et sans couches QD. La longueur NW en a –d est de 500, 1 000, 2 000 et 3 000 nm, respectivement

Les profils de génération optique des structures considérées sont illustrés à la figure 4. Les NW avec des longueurs de 500 et 3000 nm sont considérés dans cette partie (ci-après dénommés respectivement le NW court et le NW long). Il est évident que la génération de porteurs dans le milieu effectif est beaucoup plus élevée que celle dans GaAs, démontrant l'amélioration de l'absorption induite par les QDs. Dans les cellules solaires hybrides NW/QD, moins de porteurs sont générés dans la région centrale NW, car certains porteurs sont plutôt concentrés dans les régions QD. Ce phénomène devrait profiter aux performances du dispositif, car la région centrale hautement dopée souffre souvent de graves pertes de recombinaison. Dans les NW courts, les porteurs optiques générés se répartissent dans tout le NW, tandis que dans les NW longs, les porteurs sont principalement concentrés au sommet, indiquant que l'absorption lumineuse dans les NW longs est suffisante bien que le réseau NW considéré ne contienne aucun substrat. On peut observer que, dans les NW longs, une région à forte génération de porteurs dans les couches QD s'étend plus longtemps que celle du noyau NW, et les porteurs sont concentrés sur plusieurs lobes le long de l'axe NW. Ceci est induit par les modes de résonance dans une région de grande longueur d'onde dans le NW. La lumière à longue longueur d'onde a une longueur d'absorption plus longue et est principalement absorbée dans les régions QD, en particulier la lumière à une plage de longueurs d'onde inférieure à la bande interdite GaAs. Les distributions de champ électrique sous un éclairage de lumière non polarisée dans GaAs NW à 876 et 916 nm sont illustrées sur la Fig. 4c, à partir de laquelle nous pouvons voir que le champ électrique chevauche fortement les régions QD, ce qui explique en outre l'effet d'amélioration des structures NW sur le Absorption QD à cette longueur d'onde. Le profil de génération optique d'une cellule solaire à couche mince de 500 nm est illustré à la Fig. 4d, et on peut voir que l'absorption dans les structures à couche mince est beaucoup plus faible que celle dans les NW. Pour les structures à couche mince, les porteurs générés dans les QD ont peu d'effet sur le profil de génération global. Alors que dans les NW, les QD avec le même volume peuvent contribuer de manière significative à l'absorption grâce aux modes de résonance guidée dans les NW [21].

un La section transversale verticale des profils de génération optique dans les cellules solaires hybrides NW et NW/QD courtes. b La section transversale verticale des profils de génération optique dans les longues cellules solaires hybrides NW et NW/QD. c Les distributions de champ électrique dans la section transversale NW à 876 et 916 nm, dans lesquelles l'emplacement des couches QD est délimité par des lignes blanches. d La section transversale verticale des profils de génération optique dans les cellules solaires hybrides à couche mince et à couche mince/QD

D'autres études se concentrent sur l'étude de l'augmentation potentielle des gains d'efficacité photovoltaïque résultant de l'amélioration de l'absorption induite par les QD. Les profils de photogénération précédemment simulés sont intégrés au progiciel de l'appareil pour calculer le I -V caractéristiques des appareils considérés. La génération de porteurs devrait augmenter dans les régions QD ; cependant, les porteurs dans les régions QD souffrent d'un taux de recombinaison plus élevé. En conséquence, une augmentation des courants de court-circuit (J _sc ) dans les cellules solaires améliorées QD s'accompagne souvent d'une détérioration de la tension en circuit ouvert (V _oc ) [38]. L'effet des QD sur l'efficacité de l'appareil dépend d'un compromis entre J _sc augmenter et V _oc réduction. Le Je -V les caractéristiques des cellules solaires NW sont illustrées à la Fig. 5a, b, et la société des QD en bref NW conduit à un J _sc amélioration de 1,09 mA/cm ² et un V _oc réduction de 0,017 V. Pendant les longs NW, un J _sc augmentation de 1,22 mA/cm ² et un V _oc une réduction de 0,021 V est observée. L'augmentation globale de l'efficacité est de 0,67% dans les NW courts et de 0,45% dans les NW longs. En augmentant la longueur NW, le J _sc l'amélioration est augmentée ainsi que le V _oc réduction due à l'augmentation du volume QD. La figure 5c illustre les profils de recombinaison radiative dans les NW près de V _oc; par rapport aux NWs de GaAs pur, les taux de recombinaison radiative augmentent de plus de 3 ordres de grandeur dans les couches QD, ce qui explique le V _oc dégénérescence. Les rendements de conversion des cellules solaires à couche mince avec et sans QD sont également calculés. L'amélioration de l'efficacité induite par les QD n'est que de 0,11%, bien inférieure à celle des cellules solaires NW, bien que les volumes de QD dans les NW et les structures à couche mince soient les mêmes. Le résultat indique que le réseau NW est avantageux pour améliorer l'efficacité des cellules solaires à points quantiques. L'amélioration de l'efficacité induite par les QD n'est pas si impressionnante dans ce travail en raison de la dégénérescence de V _oc; cependant, plusieurs approches ont été démontrées pour maintenir V _oc dans des cellules solaires améliorées QD [5, 39]. Une amélioration de l'efficacité plus satisfaisante devrait être obtenue si le V _oc la dégénérescence pourrait être évitée dans les cellules solaires hybrides NW/QD. De plus, le spectre d'absorption optique des QD dépend fortement de la distribution de la taille des points [40, 41, 42]. Nous pensons qu'en modifiant la taille et la densité du QD, il est possible d'obtenir un coefficient d'absorption plus élevé, ce qui peut conduire à une amélioration de l'absorption plus significative et à une efficacité de conversion plus élevée.

un Le Je -V caractéristiques des cellules solaires hybrides courtes NW et NW/QD. b Le Je -V caractéristiques des cellules solaires hybrides longues NW et NW/QD. c La moitié de la section transversale verticale des taux de recombinaison radiative des cellules solaires hybrides NW et NW/QD courtes. d Le Je -V caractéristiques des cellules solaires hybrides couche mince et couche mince/QD

Conclusions

En résumé, nous avons étudié les performances photovoltaïques d'une cellule solaire hybride GaAs/InAs NW/QD. Les résultats montrent que les spectres d'absorption des GaAs NW peuvent être étendus à 950 nm en incorporant des QD multicouches d'InAs sur les parois latérales NW. L'absorption des QD est également considérablement améliorée en raison de l'effet de piégeage de la lumière du réseau NW. Je -V caractéristiques montrent que J _sc dans les cellules solaires NW peut être augmenté en raison de l'amélioration de l'absorption de la lumière, tandis que V _oc est dégénéré en raison d'une recombinaison plus grave induite par les QDs. L'amélioration globale de l'efficacité induite par les QD dans les cellules solaires NW est bien supérieure à celle des cellules solaires à couche mince, ce qui indique que la structure hybride GaAs/InAs NW/QD est prometteuse pour les cellules solaires QD.

Abréviations

3D-FDTD :

Domaine temporel tridimensionnel aux différences finies

AsH₃ :

Arsine

CCS :

Pomme de douche monobloc

Je -V :

Densité de courant en fonction de la tension

J _sc :

Courant de court-circuit

MOCVD :

Dépôt chimique en phase vapeur métal-organique

NW :

Nanofils

QD :

Points quantiques

S-K :

Stranski-Krastanov

SSR :

Shockley-Read-Hall

TE :

Transversale électrique

TM :

Magnétique transversale

TMGa :

Triméthylgallium

TMIn :

Triméthylindium

V _oc :

Tension en circuit ouvert

WL :

Couches mouillantes