Absorption efficace de la lumière à l'aide des réseaux pyramidaux double face pour les cellules solaires en silicium à couche mince

Contexte

Avec les progrès de la technologie de micro-fabrication, la morphologie de surface nanométrique et la conception de la structure sont devenues plus courantes et vraiment importantes [1, 2]. La conception d'optimisation des paramètres est devenue plus urgente et nécessaire, en particulier pour les cellules solaires à couche mince de silicium cristallin (CS) [3,4,5,6]. Il existe quelques rapports sur la conception de réseau double face appliquée aux cellules solaires à couche mince CS, et tous ont exprimé des opinions similaires selon lesquelles une telle structure peut améliorer l'absorption de la lumière à large bande capable d'atteindre la limite de Yablonovitch [7,8 ,9,10]. Il ne fait aucun doute que la conception de la grille à double face peut améliorer la capacité globale de piégeage de la lumière des cellules solaires CS. Après tout, la génération et la séparation des paires électron-trou se produisent à l'intérieur du CS, et en considérant chaque photon absorbé avec une énergie supérieure à la bande interdite produit une et une seule paire électron-trou, donc comment l'absorption des photons est répartie entre les différentes parties de la cellule solaire CS est au centre de cet article. De plus, notre objectif est d'augmenter au maximum l'absorption photonique du CS lui-même en ajustant les paramètres.

Dans cet article, les distributions d'absorption de photons du réseau pyramidal avant (FPG), du réseau pyramidal arrière (RPG) et du réseau pyramidal double face (DSPG) sont étudiées. L'absorption totale de photons A est en outre divisé en trois parties différentes comme le montre la Fig. 1, l'absorption des photons des réseaux de surface avant, la partie CS et les réseaux de surface arrière et étiquetés comme A _F , A _Si , et A _R , respectivement. La réflexion lumineuse R , transmission T , et l'absorption totale A satisfaire R + T + A = 1. A _Si n'est pas calculé de la même manière pour différents modèles de structure.

Différentes structures de cellules solaires à couche mince en silicium cristallin (CS) avec ou sans réseaux pyramidaux. un Le silicium cristallin nu (BCS). b La grille pyramidale avant (FPG). c La grille pyramidale arrière (RPG). d Le caillebotis pyramidal double face (DSPG). (Un _F , A _Si , et A _R représentent respectivement l'absorption lumineuse des grilles de surface avant, la partie CS et les grilles de surface arrière. H est l'épaisseur de la couche CS ; P ₁ , D ₁ , H ₁ et P ₂ , D ₂ , H ₂ représentent la période, le diamètre inférieur et la hauteur de la pyramide de silicium de la surface avant ou arrière, respectivement)

Méthodes

Dans nos calculs théoriques, la méthode du rayonnement net et l'approximation du milieu effectif sont utilisées ensemble en raison de la bonne correspondance entre la simulation et les résultats expérimentaux [4, 11]. Comme le montre la figure 2, un système de support multicouche de N couches, N _i est l'indice de réfraction complexe du i le support et les interfaces sont étiquetés i = 1, …, N − 1, où i est le nombre total d'interfaces. Indices a , d et b , c représentent respectivement le rayonnement électromagnétique entrant et sortant. Les relations entre les flux d'énergie sortants et entrants (Q ) à chaque interface peut être exprimé en termes de réflexion à l'interface et de transmission traversant le support. Pour chaque interface i , il y a quatre équations,

Structure médiane multicouche schématique des réseaux pyramidaux de silicium, avec convention de numérotation des interfaces (1, …, i , …, N − 1), indice de réfraction complexe (N ₁ , …, N _i , …, N _N ), et les flux de rayonnement électromagnétique (Q _{i ,un} , Q _{i ,b} , Q _{i + 1,c ,} Q _{i + 1,d} , …)

r _{i ,i + 1} et t _{i ,i + 1} (r _{i ,i + 1} + t _{i ,i + 1} = 1) sont respectivement la réflectivité et la transmissivité, qui sont déterminées à l'aide des lois de Fresnel à chacune des interfaces. Les indices indiquent les flux d'énergie transférés de la couche i pour superposer i + 1 et vice versa. τ _i est le taux d'atténuation d'absorption de la couche i , défini par

où α _i = 4πk _i /λ est le coefficient d'absorption de la couche i et d _i /cos(φ _i ) est la distance parcourue à travers la couche d'épaisseur d _i avec angle de propagation φ _i . k _i est la partie imaginaire de l'indice de réfraction complexe N _i = n _i − ik _i . L'indice de réfraction réel n _i et le coefficient d'extinction k _i sont des fonctions de λ . En supposant le flux d'énergie incident perpendiculaire Q _1,a = 1 et Q _{N ,d} = 0, donc, pour chaque couche i , le coefficient d'absorption d'énergie A _i = Q _{i ,un} − Q _{i ,c} + Q _{i ,d} − Q _i,b peut être élaboré.

La structure multicouche efficace de la pyramide de silicium est également illustrée à la Fig. 2, et les indices de réfraction complexes de différentes couches peuvent être résolus par la formule d'approximation moyenne efficace,

où f ₁ et f ₂ sont le rapport de remplissage volumique des grilles pyramidales en silicium et de l'air, respectivement, et f ₁ + f ₂ = 1. N _Si , N _Aérien , et N _Eff sont respectivement les indices de réfraction complexes du CS, de l'air et de l'intercalaire des réseaux pyramidaux en silicium.

En combinant les formules ci-dessus, le flux de photons absorbés de chaque couche peut être calculé par la formule suivante,

Un _i est le coefficient d'absorption d'énergie de chaque couche; F (λ ) est la distribution de l'intensité spectrale du rayonnement solaire à la surface de la Terre sous le spectre AM1.5. λ est la longueur d'onde de la lumière incidente, h ₀ et c ₀ sont respectivement la constante de Planck et la vitesse de la lumière dans le vide. Le nombre total de photons absorbés peut être exprimé sous la forme Φ =  ∑ Φ _i .

Résultats et discussion

Pour les différentes structures de réseau pyramidal, et à des fins de comparaison, les paramètres associés sont sélectionnés comme suit. Premièrement, l'épaisseur de la couche CS H = 10 μm ; la hauteur et le diamètre inférieur de la pyramide de silicium sont définis H ₁ = H ₂ = 200 nm et D ₁ = D ₂ = 100 nm, respectivement. Pour FPG, le rapport entre la période et le diamètre du fond est défini sur P ₁ /D ₁ = 1, et pour les RPG, deux ratios P ₂ /D ₂ = 1 et P ₂ /D ₂ = 10 sont considérés. Enfin, pour le DSPG, les différentes combinaisons des paramètres ci-dessus sont comparées.

Les performances optiques de différentes structures de réseau pyramidal sous les paramètres donnés sont illustrées à la Fig. 3. Comme on peut le voir sur la Fig. 3 (a) et (b), les réseaux de surface avant peuvent réduire considérablement la réflexion lumineuse de l'ensemble de la bande et améliorer l'absorption totale de la lumière, en particulier dans les régions I et II. Pendant ce temps, dans la région II, l'absorption de la lumière infrarouge peut être améliorée par les grilles de surface arrière sous des paramètres de rapport appropriés (P ₂ /D ₂ = 10). Par conséquent, en les utilisant ensemble, pour le DSPG, en ajustant les bons paramètres, non seulement ils peuvent maximiser l'absorption de la lumière jusqu'à la limite de Yablonovitch [7], mais également atteindre la réflexion lumineuse nulle de toute la bande, ce qui peut produire le véritable silicium noir. De plus, les grilles pyramidales de la surface arrière peuvent augmenter la transmission de la lumière visible et proche infrarouge vue sur la figure 3 (c), ce qui est avantageux pour être utilisé dans les photodétecteurs proche infrarouge et d'autres champs [9, 10].

Propriétés optiques de différentes structures de réseau pyramidal de silicium sous les paramètres donnés par rapport au BCS de la même épaisseur (BCS (H = 10 μm), FPG (P ₁ /D ₁ = 1, H ₁ = 200 nm), RPG (P ₂ /D ₂ = 1 ou P ₂ /D ₂ = 10, H ₂ = 200 nm), DSPG (P ₁ /D ₁ = 1, P ₂ /D ₂ = 1 ou P ₂ /D ₂ = 10, H ₁ = H ₂ = 200 nm)). (un ), (b ), et (c ) sont respectivement la réflectivité, l'absorptivité et la transmissivité totales de la lumière

Pour les cellules solaires CS, l'objectif ultime est d'améliorer considérablement l'absorption de la lumière, en particulier dans le corps CS. Par conséquent, il est nécessaire d'étudier plus avant la distribution des photons absorbés entre les différentes parties. Pour la structure FPG et la structure RPG, des cartes de contours tridimensionnelles de l'absorption des photons dans chaque partie sont illustrées respectivement à la Fig. 4 et à la Fig. 5.

Cartes de contour de la distribution d'absorption des photons dans différentes parties pour la structure FPG. (un ) L'absorption totale de photons A . (b ) L'absorption photonique des réseaux de surface avant A _F . (c ) L'absorption photonique du CS partie A _Si . (La ligne pointillée dans l'illustration représente l'absorption de BCS)

Cartes de contour de la distribution d'absorption des photons dans différentes parties pour la structure RPG. (un ) L'absorption totale de photons A . (b ) L'absorption photonique du CS partie A _Si . (c ) L'absorption photonique des réseaux de surface arrière A _R . (La ligne pointillée dans l'illustration représente l'absorption de BCS)

Pour la structure FPG, en modifiant les paramètres géométriques des réseaux pyramidaux, la distribution globale de l'absorption des photons par rapport à la distribution de l'absorption des photons de chaque partie est illustrée à la Fig. 4. On peut voir sur la Fig. 4 (a) que le total des photons absorbés augmente avec la hauteur plus élevée de la pyramide, alors que le rapport plus grand de la période au diamètre n'est pas efficace pour l'absorption des photons. Ainsi, cela signifie que la hauteur plus élevée et avec le plus petit espace récolteront plus de photons à haute fréquence et la même chose semble vraie pour l'absorption FPG montrée sur la figure 4 (b). Cependant, si la hauteur du FPG continue d'augmenter, cela réduit l'absorption des photons du CS situé en dessous, comme le montre la figure 4 (c). Évidemment, il existe une configuration optimale des paramètres où P ₁ /D ₁ = 1.05, H ₁ = 53 nm. De plus, si l'on suppose que les photons absorbés par la pyramide de silicium ne sont pas impliqués dans la conversion des paires électron-trou dans le CS, sur la base de ces calculs, les plages appropriées des paramètres géométriques FPG sont également obtenues et comparées avec le nu silicium illustré à la figure 4 (c). En bref, plus la hauteur du FPG est élevée, plus la réflectivité est faible, mais cela ne signifie pas qu'il y a une absorption lumineuse plus efficace.

De la même manière, pour la structure RPG, les distributions d'absorption des photons de l'ensemble et de chaque partie sont montrées sur la Fig. 5. Pour l'absorption totale montrée sur la Fig. 5 (a), par rapport à la structure FPG, il montre un différence en ce que l'absorption des photons est améliorée avec le rapport plus grand de la période au diamètre du fond et la hauteur de la pyramide inférieure. Cela signifie que, d'une part, le plus grand rapport de P ₂ /D ₂ et plus petit H ₂ réduire la transmission des photons à basse fréquence et les photons se retournent, augmentant ainsi la réflexion. Mais, d'un autre côté, les photons sont favorisés pour être absorbés dans le processus. Évidemment, la configuration de paramètre qui entraîne le moins d'absorption est P ₂ /D ₂ = 1.01, H ₂ =168 nm, et les plages appropriées des paramètres géométriques RPG sont également obtenues par rapport au silicium nu illustré à la figure 5 (a). Cependant, sur la partie CS illustrée à la Fig. 5 (b), il n'y a pas d'amélioration évidente de l'absorption effective de la lumière car un grand nombre de photons sont réfléchis. La figure 5 (c) montre que les photons absorbés par le réseau de surface arrière sont inférieurs de deux ordres de grandeur à ceux absorbés par CS, et il existe une tendance similaire qui ressemble à celle de l'absorption totale illustrée à la figure 5 (a). Ici aussi, les paramètres de configuration sont P ₂ /D ₂ = 1.03 et H ₂ = 170 nm et presque le même que ci-dessus.

Comme on le voit à partir de la distribution d'absorption du FPG et du RPG, le premier joue évidemment un rôle important dans l'amélioration de l'absorption des photons illustrée à la Fig. 4 (c), tandis que le second implique que l'absorption des photons dans la partie CS est affaiblie en raison de la l'existence des grilles de surface arrière illustrées à la Fig. 5 (b). En combinant les résultats ci-dessus, les propriétés optiques des quatre ensembles de paramètres différents qui sont représentatifs du DSPG sont étudiées et présentées sur la figure 6.

Propriétés optiques de quatre ensembles de paramètres différents pour le DSPG (P ₁ /D ₁ = 10, H ₁ = 10 nm et P ₂ /D ₂ = 1.03, H ₂ = 170 nm ou P ₂ /D ₂ = 10, H ₂ = 10 nm ; P ₁ /D ₁ = 1.05, H ₁ = 53 nm et P ₂ /D ₂ = 1.03, H ₂ = 170 nm ou P ₂ /D ₂ = 10, H ₂ = 10 nm) par rapport au BCS (H = 10 μm) et FPG (P ₁ /D ₁ = 1.05, H ₁ = 53 nm et P ₁ /D ₁ = 10, H ₁ = 10 nm). (un ), (b ), (c ), et (d ) sont respectivement la réflectivité totale de la lumière, la transmissivité, l'absorptivité et l'absorptivité de la partie CS

En raison de la faible capacité de transmission des photons haute fréquence illustrée à la Fig. 6 (b), si le rapport entre la période et le diamètre du fond n'est pas approprié (P ₁ /D ₁ = 10 et H ₁ = 10 nm), non seulement cela ne réduit pas la réflectivité, mais cela augmente également la réflexion et diminue l'absorption, comme indiqué sur la Fig. 6. Seuls les paramètres appropriés (P ₁ /D ₁ = 1.05 et H ₁ = 53 nm) peut obtenir une amélioration significative de l'absorption de la lumière. Pour le CS, en raison de sa propre incapacité à absorber les photons de basse fréquence comme indiqué dans la région III, la modulation des réseaux de surface avant et arrière n'affecte que la répartition de la lumière entre la réflexion et la transmission. Il devient évident que les grilles arrière jouent un rôle majeur dans la région II et la région III, et avec la correspondance appropriée des paramètres des grilles de surface avant (P ₁ /D ₁ = 1.05, H ₁ = 53 nm, et P ₂ /D ₂ = 1.03, H ₂ = 170 nm), une réflexion presque nulle de la bande pleine onde peut être réalisée. Par rapport au FPG des mêmes paramètres, pour l'absorption totale illustrée à la Fig. 6 (c), dans la région II, la présence des grilles de surface arrière avec des paramètres appropriés peut réellement améliorer l'absorption de la lumière infrarouge (P ₂ /D ₂ = 10, H ₂ = 10 nm), ce qui confirme les conclusions précédentes selon lesquelles la conception à double réseau incompatible peut permettre des améliorations significatives des performances de l'appareil [10]. Cependant, pour l'absorption de la partie CS illustrée à la figure 6 (d), l'utilisation de la conception de grilles de surface arrière a peu d'effet sur l'amélioration de l'absorption de la lumière du CS. Par conséquent, dans ce sens, bien que le RPG puisse réfléchir la lumière et la rediriger vers les régions photoactives de la cellule solaire [12], il n'apporte aucun avantage supplémentaire pour l'absorption efficace de la lumière. De nouvelles conceptions pour régler le spectre d'absorption pour une intégration optimisée doivent être développées [1, 13].