Optimisation de l'absorption lumineuse à large bande dans les cellules solaires silicium mince par gratings pyramidaux double-face

Résumé

L'utilisation d'un grating pyramidal double-face sur des films minces de silicium cristallin (CS) peut élargir substantiellement la performance d'absorption lumineuse. Un grating frontal supprime efficacement la réflexion dans le régime des courtes longueurs d'onde, tandis qu'un grating arrière obtient un effet similaire aux longues longueurs d'onde. Cette étude analyse la distribution d'absorption des photons pour chaque composant de la structure double-face et la compare au CS nu. Les simulations théoriques montrent qu'un réglage judicieux des paramètres de grating réduit dramatiquement la réflexion à large bande, facilitant la création de silicium noir et augmentant la capture globale de lumière. Néanmoins, nos résultats indiquent qu'ajouter un grating arrière ne se traduit pas par une absorption effective plus élevée dans le volume de silicium.

Contexte

Les avancées en microfabrication ont fait des textures de surface à l'échelle nanométrique et des morphologies conçues une pierre angulaire du photovoltaïque de nouvelle génération. Pour les cellules solaires à film mince de CS, l'optimisation des paramètres structurels est cruciale pour pousser les rendements vers la limite théorique de Yablonovitch. Comme chaque photon absorbé avec une énergie supérieure au gap de bande génère une seule paire électron-trou, la distribution de l'absorption des photons à travers les couches de la cellule détermine le rendement de conversion ultime. Cet article se concentre sur l'influence des gratings pyramidaux frontaux (FPG), arrière (RPG) et de leur combinaison (DSPG) sur l'absorption des photons dans la couche CS.

Nous décomposons l'absorption totale des photons A en trois contributions : absorption dans les gratings frontaux (A_F), dans le volume de silicium (A_Si) et dans les gratings arrière (A_R), comme illustré Fig. 1. Ces contributions satisfont la relation de conservation R + T + A = 1. Important, A_Si est calculé différemment pour chaque variante structurelle.

Différentes structures de cellules solaires à film mince de silicium cristallin (CS) avec ou sans gratings pyramidaux. a Silicium cristallin nu (BCS). b Grating pyramidal frontal (FPG). c Grating pyramidal arrière (RPG). d Grating pyramidal double-face (DSPG). (A_F, A_Si et A_R représentent l'absorption lumineuse des gratings de surface frontale, de la partie CS et des gratings de surface arrière, respectivement. H est l'épaisseur de la couche CS ; P₁, D₁, H₁ et P₂, D₂, H₂ représentent la période, le diamètre de base et la hauteur de la pyramide de silicium de la surface frontale ou arrière, respectivement)

Méthodes

Nos simulations combinent la méthode du rayonnement net avec l'approximation du milieu efficace, un couplage qui a constamment correspondu aux données expérimentales pour les gratings de silicium. La Figure 2 montre le système multicouche : une pile de N couches avec des indices de réfraction complexes N_i à chaque interface (i = 1…N−1). Les flux d'énergie entrants et sortants sont notés Q_i,a, Q_i,b, Q_i+1,c et Q_i+1,d.

Schéma de la structure multicouche des gratings pyramidaux de silicium, avec convention de numérotation des interfaces (1, …, i, …, N − 1), indice de réfraction complexe (N₁, …, N_i, …, N_N) et flux de rayonnement électromagnétique (Q_i,a, Q_i,b, Q_i+1,c, Q_i+1,d, …)

Le bilan énergétique à chaque interface suit :

{\n Q_{i,a}=\tau_iQ_{i,c} Q_{i,b}=r_{i,i+1}Q_{i,a}+t_{i+1,i}Q_{i+1,d} Q_{i+1,c}=t_{i,i+1}Q_{i,a}+r_{i+1,i}Q_{i+1,d} Q_{i+1,d}=\tau_{i+1}Q_{i+1,b} }

où r_i,i+1 et t_i,i+1 sont la réflectivité et la transmissivité de Fresnel. L'atténuation d'absorption de la couche i est

\tau_i=\exp\left[-\alpha_i\,d_i/\cos\varphi_i\right]

avec α_i = 4\pi k_i/\lambda et k_i la partie imaginaire de N_i. En supposant une incidence normale Q_1,a=1 et un flux sortant nul à l'arrière Q_N,d=0, le coefficient d'absorption de la couche i est A_i=Q_i,a−Q_i,c+Q_i,d−Q_i,b.

Les indices de réfraction effectifs pour les couches pyramidales sont obtenus via la formule de Bruggeman :

\frac{f_1(N_{Si}^2-N_{Eff}^2)}{N_{Si}^2+2N_{Eff}^2}+ \frac{f_2(N_{Air}^2-N_{Eff}^2)}{N_{Air}^2+2N_{Eff}^2}=0

où f₁ et f₂=1−f₁ sont les fractions volumiques de silicium et d'air. Le flux total de photons absorbés dans la couche i est alors

\Phi_i=\int A_i\,F(\lambda)\,\lambda/(h_0c_0)\,d\lambda

avec F(\lambda) le spectre solaire AM1.5. Le flux absorbé global est Φ=\sum_i\Phi_i.

Résultats et discussion

Pour une comparaison équitable, nous fixons l'épaisseur de la couche CS à H = 10 µm. La hauteur et le diamètre de base des pyramides sont fixés à H₁=H₂=200 nm et D₁=D₂=100 nm, respectivement. Le rapport période/diamètre du grating frontal est P₁/D₁=1. Pour le grating arrière, nous explorons P₂/D₂=1 et 10. La configuration double-face combine ces jeux de paramètres.

La Figure 3 résume la performance optique de chaque structure. Les gratings frontaux réduisent dramatiquement la réflexion à large bande et augmentent l'absorption totale, surtout dans la région des courtes longueurs d'onde (régions I et II). Les gratings arrière suppriment davantage la réflexion dans l'infrarouge (région II) quand P₂/D₂=10. Ensemble, le DSPG peut approcher la limite de Yablonovitch et atteindre une réflexion quasi-nulle sur tout le spectre, une signature du silicium noir. Intéressant, les gratings arrière augmentent la transmission visible et proche IR, ce qui peut bénéficier aux photodétecteurs.

Propriétés optiques de différentes structures de gratings pyramidaux de silicium comparées au BCS de même épaisseur (BCS (H = 10 µm), FPG (P₁/D₁=1, H₁=200 nm), RPG (P₂/D₂=1 ou 10, H₂=200 nm), DSPG (P₁/D₁=1, P₂/D₂=1 ou 10, H₁=H₂=200 nm)). (a), (b) et (c) sont la réflectivité totale, l'absorptivité et la transmissivité, respectivement.

Pour disséquer où les photons sont absorbés, nous présentons des cartes de contours tridimensionnelles pour les structures FPG et RPG aux Figures 4 et 5. Ces cartes révèlent que pour le FPG, l'augmentation de la hauteur des pyramides améliore l'absorption totale mais finit par réduire l'absorption du volume de silicium une fois que la couche frontale devient trop haute. La géométrie optimale du grating frontal apparaît à P₁/D₁=1,05 et H₁=53 nm.

Cartes de contours de la distribution d'absorption des photons dans différentes parties pour la structure FPG. (a) Absorption totale des photons A. (b) Absorption des photons des gratings de surface frontale A_F. () Absorption des photons de la partie CS A_Si. (La ligne pointillée représente l'absorption du BCS)

Cartes de contours de la distribution d'absorption des photons dans différentes parties pour la structure RPG. (a) Absorption totale des photons A. (b) Absorption des photons de la partie CS A_Si. () Absorption des photons des gratings de surface arrière A_R. (La ligne pointillée représente l'absorption du BCS)

Pour le RPG, un rapport période/diamètre plus grand (P₂/D₂=10) couplé à une hauteur de pyramide plus courte améliore l'absorption infrarouge en redirigeant la lumière vers la couche active. Cependant, l'absorption du volume de silicium reste largement inchangée car les gratings arrière réfléchissent de nombreux photons au lieu de les capturer. Par conséquent, bien que les gratings arrière améliorent l'absorption totale, ils n'améliorent pas l'absorption effective dans le corps de CS.

La Figure 6 consolide la performance de quatre jeux de paramètres DSPG représentatifs. Quand le rapport du grating frontal est trop grand (ex. P₁/D₁=10 avec H₁=10 nm), la réflexion augmente et l'absorption chute. Seule la configuration P₁/D₁=1,05, H₁=53 nm, associée à P₂/D₂=1,03 et H₂=170 nm délivre une réflexion quasi-nulle et une absorption maximale sur le spectre. Pourtant, même dans ce DSPG optimal, la fraction de photons absorbés par le volume de silicium ne surpasse pas celle du meilleur FPG seul, soulignant que les gratings arrière offrent un bénéfice limité pour l'absorption du volume.

Propriétés optiques de quatre jeux de paramètres différents pour le DSPG (P₁/D₁=10, H₁=10 nm et P₂/D₂=1,03, H₂=170 nm ou P₂/D₂=10, H₂=10 nm ; P₁/D₁=1,05, H₁=53 nm et P₂/D₂=1,03, H₂=170 nm ou P₂/D₂=10, H₂=10 nm) comparés au BCS (H=10 µm) et FPG (P₁/D₁=1,05, H₁=53 nm et P₁/D₁=10, H₁=10 nm). (a), (b), (c) et (d) sont la réflectivité totale, la transmissivité, l'absorptivité et l'absorptivité de la partie CS, respectivement.

En résumé, bien que le grating arrière puisse adapter la réponse spectrale et réduire la réflexion, il offre une amélioration négligeable de l'absorption effective du volume de silicium. La géométrie du grating frontal reste le levier critique pour maximiser l'absorption du volume et atteindre des cellules solaires silicium à haut rendement et faible réflexion.

Conclusions

La stratégie de grating pyramidal double-face augmente l'absorption lumineuse globale et peut supprimer la réflexion sur tout le spectre. Cependant, elle n'améliore pas l'absorption effective dans le volume de silicium. Pour une performance optimale, nous recommandons un rapport période/diamètre du grating frontal inférieur à 1,4 et une hauteur entre 10 nm et 600 nm. Les gratings arrière offrent un bénéfice minimal pour l'absorption du volume et peuvent être omis au profit d'un design simplifié et rentable qui se concentre sur la texture du côté frontal.

Abréviations

CS :

Silicium cristallin

DSPG :

Grating pyramidal double-face

FPG :

Grating pyramidal frontal

RPG :

Grating pyramidal arrière