Excellent confinement de la lumière des réseaux de nanofils semi-conducteurs modifiés par hémiellipsoïde et hémiellipsoïde inversé

Contexte

L'électricité solaire basée sur l'effet photovoltaïque (PV) a fait des progrès remarquables au cours des dernières décennies et modifie progressivement la structure énergétique mondiale [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]. Pour répondre à la demande sans cesse croissante d'électricité photovoltaïque, le déploiement à grande échelle de modules photovoltaïques est urgent, et entre-temps limité par le prix relativement élevé, qui est principalement lié aux coûts élevés des matériaux des produits photovoltaïques dominés par le marché et basés sur des plaquettes de silicium cristallin. 11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]. Bien que les dispositifs photovoltaïques à couche mince aient un énorme potentiel de réduction des coûts des matériaux, une mauvaise absorption de la lumière en raison de l'épaisseur optique limitée est une préoccupation majeure et doit être résolue en introduisant des structures de gestion de la lumière, telles que des revêtements antireflet et/ou la texturation du substrat, ce qui entraînerait un surcoût [21,22,23,24,25,26,27].

Différent des structures planaires traditionnelles, les absorbeurs solaires semi-conducteurs nanostructurés possèdent des propriétés supérieures dans la gestion de la lumière et la collecte de porteurs photo-générés et présentent donc un potentiel énorme dans l'application de dispositifs optoélectroniques à haute performance-coût, y compris les cellules solaires et les photodétecteurs [28,29,30 ,31,32,33,34,35,36]. Grâce aux efforts considérables consacrés par les chercheurs concernés, diverses nanostructures semi-conductrices telles que le nanofil (NW) [37,38,39,40,41,42,43,44,45], le nanocone [46,47,48,49, 50], nanopit [51,52,53] et nanohémisphère [54, 55] arrays ont été introduits et étudiés à partir des aspects théoriques et expérimentaux. Les effets des modes de gestion de la lumière, y compris la modification de l'indice de réfraction spatial pour l'antireflet, le mode de fuite, la résonance longitudinale guidée, la diffusion de la lumière et la résonance plasmonique de surface sur le piégeage de la lumière ont été compris et soulignés avec différents poids pour différentes nanostructures [56,57,58,59 ,60,61]. Cependant, chaque mode de gestion de la lumière ne peut pas assurer un confinement efficace de la lumière dans une large gamme spectrale, en particulier pour les applications de cellules solaires. Par conséquent, la combinaison de différents modes de gestion de la lumière est nécessaire pour une amélioration complète de l'absorption spectrale. Pendant ce temps, compte tenu des préoccupations liées aux problèmes de fabrication, par exemple, une reproductibilité élevée à faible coût, une structure simple pour les absorbeurs de lumière est requise.

Pour réaliser un confinement de la lumière plus efficace avec une épaisseur effective limitée pour les réseaux de semi-conducteurs NW, une modification supérieure à l'aide de structures hémiellipsoïdes et hémiellipsoïdes inversées est introduite et systématiquement étudiée sur les comportements de gestion de la lumière dans cet article. En raison de l'effet synergique de l'antireflet efficace et de la diffusion de la lumière, le confinement de la lumière est considérablement renforcé avec une épaisseur effective réduite par rapport aux réseaux NW sans modification. Dans le cas des réseaux GaAs NW, 90 % et 95 % des photons incidents dont l'énergie est supérieure à l'énergie de la bande interdite peuvent être piégés par les réseaux NW modifiés par hémiellipsoïde inversé avec une épaisseur effective de ~ 180 et 270 nm. De plus, une étude plus approfondie indique que les structures associées offrent un excellent confinement de la lumière sous incidence oblique.

Méthodes

Dans cette étude, des réseaux NW disposés en carré (voir Fig. 1a) avec une période optimisée de 600 nm [56, 62] sont étudiés sous différents paramètres structurels du diamètre du nanofil (D ), hauteur totale (H ), et la hauteur de modification (h ), comme indiqué sur la figure 1b. Pour calculer les équations de Maxwell et donc la distribution du flux d'énergie des systèmes optiques, une méthode du domaine temporel aux différences finies est utilisée. Des conditions aux limites périodiques sont appliquées sur les parois latérales d'une unité pour construire les réseaux associés, tout en bénéficiant d'un gain de temps et de source de calcul. Aux limites supérieure et inférieure de l'unité, la limite de couche de correspondance parfaite est utilisée pour absorber tous les photons sortants et ainsi déterminer la réflexion de la lumière (R ) et la transmission (T ). Puis absorption lumineuse (A ) est obtenu suivant la relation de A = 1–R –T .

un Schéma d'un réseau NW modifié par hémiellipsoïde, et b une unité d'un réseau NW modifié par hémiellipsoïde inversé pour des simulations optiques. Les paramètres structurels étudiés dans cette étude sont le diamètre du nanofil (D ), hauteur totale (H ), et la hauteur de modification (h ) comme étiqueté

Dans cet article, le matériau optoélectronique semi-conducteur représentatif, GaAs, est adopté pour enquête. Compte tenu de l'énergie de la bande interdite de 1,42 eV et de la région d'énergie principale de l'irradiation solaire, les comportements optiques dans une plage spectrale de 300 à 1 000 nm sont étudiés. Pour comparer plus quantitativement le piégeage de la lumière des systèmes optiques, la densité de photocourant théorique normalisée, ^N J _ph , est adopté [27, 63], qui est défini comme le rapport de la densité de photocourant théorique de la structure étudiée à celle (~ 32,0 mA/cm ² à un éclairage AM 1,5G [64] pour GaAs) d'un absorbeur idéal avec la même énergie de bande interdite à la fois à un rendement quantique interne de 100 %.

Résultats et discussion

La figure 2 résume ^N J _ph en fonction de h pour les réseaux GaAs NW modifiés par hémiellopsoïde et hémiellipsoïde inversé avec H de (a) 1000, (b) 2000 et (c) 3000 nm ; et D de 100, 300 et 500 nm. On constate que ^N J _ph pour tous les tableaux avec D de 100 nm diminue de façon monotone avec l'augmentation de h . Cependant, pour de tels tableaux avec un D plus grand de 300 et 500 nm, un confinement de la lumière amélioré peut généralement être observé après l'introduction d'une modification supérieure avec des tailles appropriées, sauf pour le cas de D = 300 nm et H = 1000 nm. De plus, plus les NW sont épais, plus l'amélioration du confinement de la lumière peut être remarquable. Il est à noter que, comme le montre la figure 2a, ^N J _ph de 0,90 et 0,95 peut être atteint pour la modification de l'hémiellipsoïde inversé avec des épaisseurs effectives de seulement ~ 180 et 270 nm pour le réseau avec D = 500 nm, H = h = 1000 nm et le tableau avec D = 500 nm, H = 1000 nm et h = 750 nm, respectivement.

Densité de photocourant théorique normalisée ( ^N J _ph ) pour les réseaux GaAs NW modifiés par hémiellipsoïde et hémiellipsoïde inversé en fonction de la hauteur de l'hémiellipsoïde (h ) à différentes hauteurs totales de a 1000, b 2000, et c 3000 nm. Les diamètres des fils (D ) sont 100, 300 et 500 nm. La ligne pointillée rouge et la ligne pointillée rouge dans chaque figure indiquent les valeurs de ^N J _ph de 0,90 et 0,95, respectivement

Il est bien connu que l'antireflet est une fonction inhérente aux réseaux NW en raison de la différence réduite entre les indices de réfraction de l'environnement environnant (normalement l'air) et la structure optique par rapport à leurs homologues à plaquettes/films plats [27, 52]. Cependant, l'antireflet ne conduit pas par conséquent à une absorption efficace de la lumière en raison de l'amélioration possible de la transmission lumineuse à travers les absorbeurs. Dans cette étude, les tableaux avec D de 100 nm possèdent le taux de remplissage le plus faible et donc le plus petit indice de réfraction effectif. Bien que ces réseaux présentent une excellente antireflet, la transmission de la lumière est significativement forte, en particulier dans le régime des longues longueurs d'onde (voir Fig. 3a), c'est-à-dire la région de haute densité des photons. De plus, comme indiqué sur la figure 3a, la modification du haut a peu de contribution à l'antireflet, mais conduit à une transmission de la lumière améliorée, ce qui aggrave l'absorption de la lumière (voir la figure 3b) et entraîne une diminution de ^N J _ph pour les réseaux de 100 nm de diamètre NW. Par ailleurs, on note que le principal mécanisme de confinement de la lumière est le HE₁₁ mode de fuite (voir l'encadré de la Fig. 3b) pour les tableaux NW de D = 100 nm [65].

un Réflexion/transmission et b absorption des tableaux de H = 2000 nm et D = 100 nm. c Réflexion, d transmission, et e absorption des tableaux de H = 2000 nm et D = 500 nm. f Absorption des matrices NW pures avec D de 100, 300 et 500 nm et H = 2000 nm. L'encart de b montre la distribution de l'intensité du champ électrique du HE₁₁ mode, et le cercle en pointillé blanc délimite la périphérie du fil. L'encart de f présente la distribution de l'intensité du champ électrique du réseau NW pur avec H = 2000 nm et D = 500 nm à la longueur d'onde de 810 nm

Pour les tableaux NW avec un D plus grand de 300 et 500 nm, le taux de remplissage et donc l'indice de réfraction effectif augmentent, et la réflexion de la lumière devient évidente, comme le montre la figure 3c. Pour ces réseaux, une modification appropriée utilisant à la fois un hémiellipsoïde et un hémiellipsoïde inversé peut réduire considérablement la réflexion de la lumière, améliorant ainsi l'absorption de la lumière (voir Fig. 3c et e). De plus, il est évident qu'un excellent confinement de la lumière peut être obtenu dans une large plage de hauteurs de modification, offrant ainsi une commodité pour la fabrication des dispositifs hautes performances associés. Par exemple, comme le montre la figure 2b, ^N J _ph de 0,95 peut être atteint pour un réseau NW de 500 nm de diamètre avec un hémiellipsoïde inversé dans une plage de 350 à 2000 nm ou avec un hémiellipsoïde dans une plage de 600 à 2000 nm. Cependant, une modification excessive (c'est-à-dire, h est trop grand), en particulier dans le cas où l'on utilise des hémiellipsoïdes inversés, conduirait à une transmission de la lumière considérablement améliorée et à une absorption de la lumière réduite autour de l'énergie de la bande interdite, comme le montrent les Fig. 3d et e. En conséquence, la première augmentation et la diminution suivante de ^N J _ph est observée pour les tableaux NW associés (voir Fig. 2).

La figure 3f montre les spectres d'absorption des réseaux NW purs avec D de 100, 300 et 500 nm, et H de 2000 nm. Il est évident que le bord d'absorption de la lumière se déplace vers les grandes longueurs d'onde, et pendant ce temps, le mécanisme principal de gestion de la lumière passe du mode de fuite à la diffusion de la lumière en tant que D augmente. De plus, pour les NW avec D de 500 nm, des oscillations d'absorption autour de 800 nm peuvent être observées, qui sont attribuées aux résonances longitudinales guidées, comme le montre l'encart de la figure 3f. Il est connu que sous le nom de D augmente, le seuil/la longueur d'onde la plus longue pouvant former un mode longitudinal guidé augmente également [56, 57]. Pour la lumière à longue longueur d'onde, la décroissance d'amplitude lors de la propagation le long de l'axe du fil est relativement plus faible que celle de la lumière à courte longueur d'onde en raison du plus petit coefficient d'absorption. Si la longueur du fil n'est pas trop longue, l'onde réfléchie par le fond NW peut interférer avec l'onde entrante pour former les résonances longitudinales guidées.

Pour mieux comprendre l'influence de la modification supérieure sur la gestion de la lumière, la distribution spatiale du taux de génération de porteurs pour les matrices (H = 2000 nm et D = 500 nm) modifié par des hémiellipsoïdes (h = 500 nm) et des hémielliopsoïdes inversés (h = 500 nm) à un éclairage AM 1.5G est illustré à la Fig. 4. La distribution correspondante dans le réseau NW pur avec H et D de 2000 et 500 nm est également présenté à titre de comparaison. Il est évident que la région de distribution des porteurs photo-générés est étendue en raison de l'effet synergique de l'antireflet et de la diffusion de la lumière améliorés après l'introduction de la modification supérieure appropriée. Il est cohérent avec le ^N boosté J _ph /renforcement du confinement de la lumière pour les matrices modifiées, comme le montre la figure 2b. De plus, l'expansion de la distribution de porteurs photo-générée est bénéfique pour la collecte de porteurs, en particulier pour le pn planaire configuration de jonction, et en attendant rend les structures plus tolérables aux défauts en vrac/mauvaise qualité des matériaux. Il convient de noter que par rapport au réseau NW pur, la modification supérieure conduit également à une densité de porteurs remarquablement accrue à la surface, et la passivation de surface est nécessaire pour réduire les pertes de recombinaison de surface des porteurs photo-générés pour de tels réseaux [66, 67].

Distribution spatiale du taux de génération de porteurs photo-générés à un éclairage AM 1.5G pour les matrices (H = 2000 nm et D = 500 nm) modifié en haut par des hémiellipsoïdes (à gauche) (h = 500 nm) et (au milieu) des hémiellipsoïdes inversés (h = 500 nm). Le taux de génération (à droite) dans le tableau NW pur de H = 2000 nm et D = 500 nm est présenté à titre de comparaison

En tant qu'excellent absorbeur de lumière, un piégeage efficace de la lumière sous incidence oblique est nécessaire. La figure 5 présente les spectres d'absorption à l'angle d'incidence, α = 0, 30 et 60 degrés (°) pour les réseaux (a) hémiellipsoïde- et (b) inversés GaAs NW modifiés par hémiellipsoïde avec les mêmes paramètres structurels que les réseaux illustrés à la Fig. 4. Il est remarquable que même à α = 60°, seule une dégradation limitée est observable, indiquant un excellent confinement omnidirectionnel de la lumière par les deux modifications. La densité de photocourant calculée, J _ph pour ces deux tableaux est résumé dans l'encart des Fig. 5a et b. On constate que par rapport à J _ph de ~ 27,7 et 16,0 mA/cm ² pour un absorbeur GaAs idéal à α = 30° et 60°, respectivement, la valeur correspondante pour les deux tableaux NW modifiés ne montre qu'une réduction limitée.

Spectres d'absorption du a hémiellipsoïde- et b matrices GaAs NW modifiées par hémiellipsoïde inversé (H = 2000 nm, D = 500 nm, et h = 500 nm) à l'angle d'incidence (α ) de 0, 30 et 60°. Les tableaux en médaillon résument la densité de photocourant théorique (J _ph ) pour ces deux réseaux NW modifiés par le haut aux angles d'incidence correspondants, respectivement

On sait que pour les NW fabriqués expérimentalement, les surfaces ne sont normalement pas aussi lisses que celles adoptées dans les simulations. Pour vérifier la validité des résultats de simulation pour guider l'étude expérimentale, les caractéristiques optiques des réseaux GaAs NW avec une section de fil orthohexagonale ont été simulées et comparées à celles des réseaux NW correspondants avec une section de fil circulaire. La figure 6 compare les spectres d'absorption de ces deux types de réseaux avec le même volume (caractérisé par le diamètre (100, 300 et 500 nm) du cercle NWs) et une longueur de fil de 2 μm dans la gamme spectrale de 310 nm (4 eV ) à 873,2 nm (1,42 eV, c'est-à-dire l'énergie de la bande interdite de GaAs). On note qu'il n'y a pas de différences évidentes des comportements optiques entre ces deux types de réseaux NW dans la gamme spectrale considérée. En conséquence, on pense que les résultats de simulation conclus à partir des réseaux NW avec une section de fil circulaire sont également applicables à d'autres réseaux avec une section de fil différente.

Comparaison des spectres d'absorption des réseaux NW purs de GaAs avec les sections transversales circulaires et orthohexagonales des fils. La période du réseau et la longueur du fil sont respectivement de 600 nm et 2 μm. Les volumes de fil pour les réseaux NW correspondants sont les mêmes et caractérisés par le diamètre (100, 300 et 500 nm) des NW de section circulaire

De plus, à partir de la discussion ci-dessus, il est démontré que la combinaison de la modification supérieure pour la modulation spatiale de l'indice de réfraction et de la diffusion de la lumière améliorée par la structure inférieure avec une dimension caractéristique adaptée est une ligne directrice facile à utiliser pour guider la conception d'absorbeurs de lumière haute performance.

Conclusions

Dans cet article, la modification supérieure des nanofils semi-conducteurs à l'aide d'hémiellipsoïdes et d'hémiellipsoïdes inversés est introduite pour améliorer encore le confinement de la lumière dans les réseaux correspondants. Une enquête systématique révèle qu'une gestion de la lumière haute performance à des épaisseurs efficaces limitées peut être réalisée grâce à l'effet synergique de l'amélioration de l'antireflet et de la diffusion de la lumière après l'introduction d'une modification appropriée. Par exemple, le réseau de nanofils GaAs modifié par hémiellipsoïde inversé peut piéger 90 % et 95 % des photons incidents avec une énergie supérieure à l'énergie de la bande interdite à une épaisseur effective de seulement ~ 180 et 270 nm. Il s'avère que les réseaux NW modifiés par le haut présentent une excellente capacité de piégeage de la lumière dans une large plage de hauteur de modification. Pendant ce temps, la distribution spatiale des porteurs photo-générés est étendue pour les réseaux de nanofils modifiés par rapport à celui correspondant sans modification supérieure, indiquant en outre la gestion améliorée de la lumière. Cela faciliterait la collecte des supports, en particulier pour le planaire pn configuration de jonction. De plus, une étude plus approfondie indique que les structures optiques modifiées présentent un excellent confinement de la lumière omnidirectionnel, comme prévu pour les absorbeurs de lumière avancés.

Abréviations

J _ph :

densité de photocourant

^N J _ph :

densité de photocourant théorique normalisée

NW :

nanofil

PV :

photovoltaïque