Efficacité photovoltaïque améliorée de cellules solaires GaAs nanocônes jonction pin par absorption optique optimisée

Résumé

La performance photovoltaïque de cellules solaires à réseaux de nanocônes GaAs jonction pin axiale et radiale est investiguée. Comparées aux réseaux de nanofils cylindriques, les réseaux de nanocônes améliorent non seulement l'absorption optique globale mais plus important encore l'absorption effective (absorption dans la région d'appauvrissement). L'absorption effective améliorée est attribuée au décalage vers le bas et l'extension de la région d'absorption induits par le sommet rétréci, qui supprime dramatiquement la perte d'absorption dans la région supérieure hautement dopée et améliore l'absorption dans la région d'appauvrissement. Les plus hautes efficacités de conversion pour cellules solaires GaAs nanocônes axiale et radiale sont 20,1 % et 17,4 %, obtenues à un angle de pente de 5° et 6° respectivement, toutes deux bien supérieures à leurs homologues nanofils cylindriques. Les structures nanocônes sont des candidats prometteurs pour cellules solaires haute efficacité.

Contexte

Les matériaux de faible dimension, incluant points quantiques (QDs), nanofils (NWs) et matériaux bidimensionnels, sont prometteurs pour applications photovoltaïques grâce à leurs propriétés uniques [1–5]. En comparaison avec homologues planaires, les réseaux de nanofils (NW) III-V ont d'excellentes propriétés optiques telles qu'anti-réflexion et piégeage de lumière, montrant grand potentiel dans cellules solaires haute performance [6–8]. De plus, la surface d'emprise ultra-faible des NWs réduit suffisamment la consommation de matière et augmente la tolérance au désaccord de réseau, permettant la réalisation de cellules solaires faible coût avec moins de matière et substrat moins cher [9–13]. La jonction pin est la partie clé d'une cellule solaire NW, qui absorbe la lumière et convertit photons en paires électron-trou. Selon la géométrie de jonction pin, les cellules solaires réseaux NW peuvent être divisées en pin axial et radial (ou cœur-coquille), toutes deux largement investiguées. Cependant, à ce jour, les meilleures efficacités pour cellules solaires réseaux NW III-V axiale et radiale sont 15,3 % et 7,43 % respectivement, encore bien inférieures à leurs homologues planaires [14, 15].

Jusqu'ici, de nombreux efforts ont été faits pour améliorer la performance des cellules solaires réseaux NW, incluant principalement l'optimisation du rapport diamètre/période (D/P), diamètre et longueur, pour obtenir une meilleure absorption optique de l'ensemble des réseaux NW [16–20]. Cependant, l'amélioration de l'absorption de l'ensemble des réseaux NW ne mène pas nécessairement à une augmentation de l'efficacité de conversion ultime. Pour des réseaux NW pin pratiques, les photoporteurs générés dans la région p (ou n) recombinent rapidement dû à l'absence de champ électrique built-in. Donc, dans une certaine mesure, l'absorption dans la région d'appauvrissement, ou l'absorption optique effective, détermine directement l'efficacité ultime. Cependant, pour les réseaux NW cylindriques typiques, la plupart de la lumière est absorbée par la partie supérieure des NWs [16], tandis que l'absorption de la région d'appauvrissement, qui se situe généralement au milieu, n'est pas suffisante. Particulièrement, pour les réseaux NW pin axiaux, la lumière incidente doit traverser la région p(n) avant d'être absorbée par la région d'appauvrissement, menant à grande perte de lumière.

Une façon possible d'améliorer l'absorption optique effective des réseaux NW est de moduler la géométrie du NW. Par exemple, une cellule solaire réseaux NW pin incliné axial a été rapportée pour améliorer l'absorption de la région d'appauvrissement en réduisant l'absorption de la région supérieure p (ou n) [21]. Cependant, en pratique, le rapport D/P devrait être bien plus bas que les réseaux NW verticaux pour éviter le croisement des NWs adjacents, ce qui limite l'efficacité de conversion. Les NWs effilés, ou nanocônes, sont attendus pour améliorer l'absorption optique effective car la lumière incidente peut être directement absorbée par la région d'appauvrissement sans traverser la région supérieure. À ce jour, des nanocônes avec différents angles de pente et rapports d'aspect ont été fabriqués par méthodes catalysées Au vapor-liquid-solid et auto-assemblées sans catalyseur [22–25], et les propriétés d'absorption optique ont aussi été simulées [26, 27]. Dans les cellules solaires pratiques, l'influence du dopage sur les propriétés de transport et optiques ne peut être ignorée, et la recombinaison radiative, Auger et Shockley-Read-Hall (SRH) joue aussi un rôle important dans la conversion photoélectrique. Cependant, à notre connaissance, la performance photovoltaïque de cellules solaires nanocônes p(i)n considérant les facteurs susmentionnés n'a pas été étudiée en détail.

Dans cet article, une simulation optoélectronique tridimensionnelle (3D) couplée est présentée pour investiguer la performance photovoltaïque de cellules solaires GaAs nanocônes jonction pin axiale et radiale. Les propriétés d'absorption optique étaient investiguées en utilisant la méthode différences finies domaine temporel (FDTD). Les profils de photogénération étaient ensuite incorporés dans les simulations électriques pour calculer les caractéristiques densité de courant-tension (J-V) en utilisant la méthode éléments finis (FEM). La mobilité dopage-dépendante, rétrécissement bande interdite, et recombinaison radiative, Auger et SRH étaient toutes prises en compte dans les simulations électriques. Les plus hautes efficacités pour cellules solaires nanocônes jonction pin axiale et radiale sont 20,1 % et 17,4 % respectivement, bien supérieures à leurs homologues NW cylindriques. Le mécanisme d'amélioration d'efficacité est discuté.

Méthodes

Le modèle de réseaux de nanocônes GaAs pin axial est montré Fig. 1, consistant en nanocônes pin axiaux GaAs périodiques avec diamètre D = 180 nm, période P = 360 nm, et longueur L = 2 µm. Les régions p- et n- ont une longueur de 200 nm et sont uniformément dopées à 3 × 10¹⁸ cm⁻³ et 1 × 10¹⁷ cm⁻³ respectivement. Le substrat GaAs est n-dopé avec concentration porteurs 1 × 10¹⁷ cm⁻³. Le diamètre du nanocône est défini comme la moyenne des diamètres sommet et base. L'angle de pente (θ) est l'angle entre la paroi latérale et la direction normale de la surface de base (substrat). Dans la simulation, l'angle de pente varie de 0 à 5° en variant les diamètres base et sommet tout en maintenant le diamètre moyen constant.

Les propriétés optiques de la structure sont investiguées via le module Sentaurus Electromagnetic Wave (EMW) Solver [28–30]. La taille de maille FDTD minimale est fixée à 5 nm, et le nombre de nœuds par longueur d'onde est 20 dans toutes directions. En plaçant conditions aux limites périodiques, les simulations peuvent être menées dans une cellule unité unique pour modéliser la structure de réseau périodique. Afin d'économiser ressources et temps de calcul, l'épaisseur du substrat GaAs est limitée à 0,4 µm [21]. Cependant, en utilisant une couche perfectly matched layer (PML) adjacente au substrat GaAs, la lumière transmise est totalement absorbée, permettant de modéliser un substrat GaAs semi-infini [31]. L'indice de réfraction complexe longueur d'onde-dépendant pour décrire les propriétés de dispersion du GaAs peut être obtenu de l'étude de Levinshtein et al. [32]. La lumière incidente du haut est parallèle à l'axe NW comme indiqué Fig. 1. Nous utilisons une onde plane définie avec intensité puissance et valeurs longueur d'onde d'un spectre solaire AM 1.5G discrétisé avec longueur d'onde 290–900 nm (région d'absorption typique GaAs) pour modéliser la lumière solaire [33]. Le taux de génération optique total sous illumination AM 1.5G peut être modélisé en superposant les taux de génération optique mono-longueur d'onde pondérés puissance [20]. Le taux de génération optique G_ph est obtenu du vecteur de Poynting S :

$$ {G}_{ph}=\frac{\left|\overrightarrow{\nabla}\cdot \overrightarrow{S}\right|}{2\mathrm{\hslash}\omega }=\frac{\varepsilon^{{\prime\prime} }{\left|\overrightarrow{E}\right|}^2}{2\mathrm{\hslash}} $$ (1)

où ħ est la constante de Planck réduite, ω la fréquence angulaire de la lumière incidente, E l'intensité de champ électrique à chaque point de grille, et ε″ la partie imaginaire de la permittivité. Le moniteur de réflexion est situé au-dessus de la surface supérieure du NWA, et le moniteur de transmission à la surface inférieure du substrat pour calculer la lumière absorbée. La puissance transmise à travers les moniteurs de puissance est normalisée à la puissance source à chaque longueur d'onde. La réflectance R(λ) et transmission T(λ) sont calculées par :

$$ R\left(\lambda \right),T\left(\lambda \right)=0.5\int \mathrm{real}\left\{p{\left(\lambda \right)}_{\mathrm{monitor}}\right\} dS/{P}_{\mathrm{in}}\left(\lambda \right) $$ (2)

où P(λ) est le vecteur de Poynting, dS la normale de surface, et P_in(λ) la puissance source incidente à chaque longueur d'onde. Le spectre d'absorption A(λ) des NWAs GaAs est donné par :

$$ A\left(\lambda \right)=1-R\left(\lambda \right)-T\left(\lambda \right) $$ (3)

Pour la modélisation électrique, les profils 3D de génération optique sont incorporés dans le maillage éléments finis des NWs dans l'outil électrique, qui résout les équations de continuité des porteurs couplées avec l'équation de Poisson de manière auto-cohérente en 3D. La mobilité dopage-dépendante, rétrécissement bande interdite, et recombinaison radiative, Auger et SRH sont prises en compte dans les simulations électriques du dispositif. Les paramètres matériaux critiques pour simulations dispositif sontmostly obtenus du modèle de Levinshtein [32], montré Tableau 1.

Résultats et Discussion

Cellules solaires réseaux nanocônes GaAs jonction pin axiale

La figure 2a–c montre l'absorptance, réflectance et transmittance longueur d'onde-dépendante des réseaux nanocônes GaAs axiaux avec différents angles de pente. Comparés aux réseaux NW cylindriques (θ = 0°), les réseaux nanocônes montrent une réflectance plus faible sur toute la gamme longueur d'onde, et le phénomène devient plus évident avec l'augmentation de l'angle de pente. La capacité anti-réflexion des réseaux NW peut être attribuée au faible ratio de remplissage, qui réduit l'indice de réfraction effectif et offre un bon accord d'impédance entre GaAs et air [7]. Pour les réseaux nanocônes à grand angle de pente, le ratio de remplissage au sommet des réseaux est extrêmement bas, menant à un accord d'impédance quasi parfait avec l'air et réflexion presque nulle. Dans la gamme longueur d'onde courte 300–700 nm, l'absorptance augmente avec l'angle de pente due à la réflexion supprimée. Cependant, l'absorptance de lumière longue longueur d'onde près bande interdite GaAs diminue à grand angle due au sommet nanocône très fin incapable de supporter modes optiques. La figure 2d montre l'intégrale pondérée AM 1.5G des spectres absorptance, réflectance et transmittance pour différents angles de pente. À petits angles, l'absorptance augmente avec l'angle de pente due à la réflectance diminuée. Quand l'angle dépasse 3°, l'absorptance diminue légèrement. Ceci est probablement attribué au chemin d'absorption réduit car le sommet nanocône très fin ne peut supporter modes longue longueur d'onde. Néanmoins, l'absorption totale des nanocônes à différents angles (1~5°) a très peu de différence (92~93,5%), suggérant que l'angle de pente a peu d'influence sur l'absorption totale. Alternativement, l'angle de pente est cru avoir fort impact sur l'absorption dans la région intrinsèque, qui domine l'efficacité de conversion photoélectrique. Ceci sera discuté en détail.

Les profils de génération optique totale des réseaux nanocônes GaAs axiaux sous illumination AM 1.5G sont montrés Fig. 3a. On voit qu'à θ = 0°, la plupart des photons absorbés se concentrent au sommet des NWs cylindriques. Du à la haute concentration dopage et absence de champ électrique built-in pour séparation paires électron-trou [34–37], la recombinaison des photoporteurs dans la région p supérieure est très élevée, résultant en grande perte lumière incidente. Pour réseaux nanocônes, la position d'absorption photonique se décale vers le bas avec l'augmentation de l'angle de pente, menant à une amélioration d'absorption dans la région i. Comme rapporté, l'absorption lumière des NWs est dominée par modes résonants, étroitement liés au diamètre NW [37]. Du à la géométrie unique des nanocônes, peu de modes longue longueur d'onde peuvent être supportés dans la région supérieure à petit diamètre. Ceci est supporté par Fig. 3b–g, présentant les profils de génération optique longueur d'onde-dépendante de nanocônes à θ = 0~5°. On voit que dans NWs cylindriques, la plupart de l'absorption se concentre région supérieure pour toutes longueurs d'onde. Cependant, comme l'angle de pente augmente, les modes optiques, particulièrement modes longue longueur d'onde, se décalent vers le bas vers région plus épaisse. Donc, l'augmentation de l'angle de pente non seulement mène à amélioration absorption dans région i centrale mais aussi résulte en réduction absorption dans région supérieure. Ceci explique pourquoi le réseau nanocône à angle modéré 3° a haute absorption totale Fig. 3e, car absorption dans région p supérieure et région i centrale sont relativement fortes à cet angle. On croit que le décalage vers le bas de l'absorption joue rôle critique dans l'amélioration performance dispositif car il non seulement supprime perte absorption dans région p supérieure mais aussi améliore absorption dans région i centrale.

Les spectres d'absorption de la région i sont tracés Fig. 4a. En région longueur d'onde courte, comme le diamètre région p rétrécit avec angle de pente croissant, à la fois volume région p et puissance lumière confinable dans nanocône diminuent, menant à absorption insuffisante région p et haute absorptance région i. En région longueur d'onde longue, la région d'absorption s'étend dans région n inférieure dans nanocônes à grand angle, résultant en absorptance diminuée région i. La figure 4b montre l'intégrale des spectres d'absorption en région i. L'absorptance de chaque longueur d'onde est pondérée par spectre AM 1.5G. On voit que l'absorption en région i augmente dramatiquement avec angle de pente, indiquant absorption effective améliorée qui devrait améliorer efficacité conversion.

Les profils de photogénération sont alors incorporés dans l'outil électrique [35] pour étudier la performance photovoltaïque de la cellule solaire réseau nanocônes jonction pin axiale. La figure 5a montre les caractéristiques courant-tension à différents angles de pente. Comparé aux réseaux NW cylindriques, une densité de courant court-circuit (J_sc) bien plus élevée est obtenue dans cellules solaires réseaux nanocônes. À θ = 5°, le dispositif donne J_sc de 30,1 mA/cm² (7,3 mA/cm² plus haut que cylindre) et V_oc de 0,885 V, résultant en haute efficacité conversion photoélectrique (η) de 20,1 % (4,8 % plus haut que cylindre). La figure 5b trace la dépendance de l'efficacité conversion à l'angle de pente. Comme l'angle augmente 0 à 5°, l'efficacité augmente monotoniquest de 15,3 à 20,1 %. Comme mentionné, l'absorption de l'ensemble réseaux nanocônes sature à θ = 2°, suggérant que l'amélioration efficacité à grand angle n'est pas causée par absorption améliorée de l'ensemble réseaux. Au lieu, la tendance efficacité conversion est hautement accordée avec absorption région i Fig. 4b, démontrant que l'efficacité conversion est dominée par absorption optique effective en région i.

Cellules solaires réseaux nanocônes GaAs jonction pin radiale

Le modèle réseaux nanocônes GaAs pin radial est montré Fig. 6, consistant en nanocônes pin radiaux GaAs périodiques avec diamètre D = 360 nm, période P = 720 nm, et longueur L = 2 µm. L'épaisseur région i est 10 nm, et rayon cœur égale épaisseur coquille. Les concentrations dopage cœur n-type et coquille p-type sont fixées identiques aux nanocônes axiaux. L'angle de pente varie 0 à 10° en variant diamètres base et sommet tout en maintenant diamètre moyen constant.

L'absorptance, réflectance et transmittance longueur d'onde-dépendante des réseaux nanocônes GaAs radiaux avec différents angles pente sont montrées Fig. 7a–c. Similaire structures axiales, nanocônes radiaux montrent réflectance plus faible sur toute gamme longueur d'onde comparé NW cylindriques radiaux (θ = 0°), et phénomène plus évident avec angle pente croissant. Fig. 7a, gamme longueur d'onde courte 300–700 nm, absorptance augmente avec angle pente due suppression réflectance. Alors qu'à grands angles pente, sommet nanocône trop fin pour supporter modes longue longueur d'onde, résultant diminution absorptance. Fig. 7d montre intégrale pondérée AM 1.5G spectres absorptance, réflectance, transmittance pour différents angles pente. Absorption exhibe tendance globale haussière avec légères fluctuations, suggérant excellentes propriétés absorption structures nanocônes.

La figure 8 montre profils génération optique totale réseaux nanocônes GaAs radiaux sous illumination AM 1.5G. Similaire réseaux axiaux, la plupart photons concentrés sommet NWs cylindriques. Comme angle pente augmente graduellement, absorption se décale vers le bas. Comme tube région i dans jonction radiale traverse tout NW, décalage vers bas absorption ne peut directement mener amélioration absorption comme jonction pin axiale. Cependant, avec décalage vers bas absorption, longueur absorption s'étend aussi, résultant en chevauchement amélioré entre absorption lumière et région i. Donc, absorption effective aussi crue améliorée.

Les caractéristiques courant-tension cellules solaires nanocônes radiales sont montrées Fig. 9a. Comparé cellule solaire réseau NW cylindrique, bien plus haut J_sc atteint dans cellules solaires réseaux nanocônes. À θ ≥ 6°, tous J_sc dépassent 25 mA/cm², par contraste J_sc est 17,4 mA/cm² à θ = 0°. Figure 9b montre dépendance efficacité conversion angle pente. À petits angles, efficacité augmente monotoniquest avec angle et atteint maximum 17,4 % à θ = 6°, 6,4 % plus haut homologue cylindre. Quand angle augmente davantage, efficacité sature et diminue légèrement. Ceci probablement attribué compétition entre absorption région i supérieure et centrale. À grand angle, sommet nanocône trop fin pour supporter modes longue longueur d'onde. Bien que absorption partie centrale région i augmente du au décalage absorption, absorption partie supérieure région i diminue, compensant incrément absorption partie centrale.

Conclusions

En résumé, nous avons étudié la performance photovoltaïque de cellules solaires GaAs nanocônes jonction pin axiale et radiale par simulation optoélectronique 3D couplée. Les résultats montrent que l'absorption dans le réseau nanocône se décale vers le bas due au diamètre sommet rétréci, ce qui supprime dramatiquement la perte absorption dans la région supérieure hautement dopée et améliore l'absorption dans la région d'appauvrissement. Les plus hautes efficacités conversion pour cellules solaires GaAs nanocônes axiale et radiale sont 20,1 % et 17,4 %, obtenues à angle pente 5° et 6° respectivement, toutes deux bien supérieures homologues NW cylindriques. Les structures nanocônes sont candidats prometteurs pour cellules solaires haute efficacité.

Abréviations

3D

Tridimensionnel

D/P

Diamètre/période

EMW

Sentaurus Electromagnetic Wave

FDTD

Différences finies domaine temporel

FEM

Méthode éléments finis

NW

Nanofil

PML

Couche parfaitement adaptée

SRH

Shockley-Read-Hall