Absorbeur solaire à nano-antennes GaAs : Piégeage de lumière ultra-large bande pour cellules minces à haut rendement

Résumé

Le piégeage de lumière est une performance importante des cellules solaires ultra-minces car il peut non seulement augmenter l'absorption optique dans la région photoactive mais aussi permettre une absorption efficace avec très peu de matériaux. Les nano-antennes semi-conductrices ont la capacité d'améliorer le piégeage de lumière et d'augmenter l'efficacité de transfert de l'énergie solaire. Dans ce travail, nous présentons un absorbeur solaire basé sur des nano-antennes d'arséniure de gallium (GaAs). Une absorption de lumière quasi-parfaite (supérieure à 90 %) est atteinte dans la gamme de longueurs d'onde de 468 à 2870 nm, montrant un piégeage de lumière ultra-large bande et quasi-unité pour le rayonnement solaire. Une densité de courant de court-circuit élevée jusqu'à 61,947 mA/cm² est obtenue. De plus, l'absorbeur solaire présente une bonne stabilité structurelle et une haute tolérance à la température. Cela offre de nouvelles perspectives pour réaliser des cellules photovoltaïques ultra-compactes et efficaces et des émetteurs thermiques.

Introduction

L'énergie solaire, en tant qu'énergie renouvelable, propre et largement disponible, est largement étudiée car elle peut être transformée en d'autres énergies pour de larges applications telles que les cellules solaires [1,2,3], les dispositifs photovoltaïques [4, 5] et les émetteurs photo-thermiques [6, 7]. Depuis que Landy et al. ont rapporté les absorbeurs parfaits basés sur les méta-matériaux triple-couche métal-isolant-métal [8], de nombreuses nanostructures fascinantes ont été conçues pour la collecte et l'utilisation de l'énergie solaire [9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]. Il convient de noter que la capture efficace de l'énergie solaire est une clé pour ces applications. Par conséquent, la réponse d'absorption solaire des absorbeurs est généralement étudiée pour évaluer la performance de collecte d'énergie solaire. L'absorbeur idéal possède une absorption quasi-unité dans une large gamme de longueurs d'onde.

En principe, l'absorbeur parfait signifie un bon émetteur thermique dans la même gamme de longueurs d'onde. Pour une température donnée, l'énergie de rayonnement peut être bien décrite et détectée par l'absorption de la structure [7]. De plus, le rapport d'absorption au rayonnement thermique est toujours égal à l'émissivité sous les conditions d'équilibre thermique. Les nanostructures métalliques nobles sont généralement utilisées pour obtenir des absorbeurs parfaits, une transmission de lumière extraordinaire ou des résonances de Fano via un fort couplage de la lumière avec les plasmons de surface [22,23,24,25,26,27,28,29,30]. Cependant, l'énergie solaire absorbée entraînerait une augmentation de la température (c'est-à-dire une instabilité thermique), résultant en l'endommagement des nanostructures métalliques nobles avec un point de fusion bas [7]. Notez que la stabilité structurelle et la tolérance à haute température peuvent être garanties lorsque des métaux réfractaires sont utilisés pour remplacer les métaux nobles dans les absorbeurs [6, 9, 11, 12]. Bien que des phénomènes d'absorption de lumière à large bande aient été démontrés dans ces plateformes, ces méthodes peuvent souffrir de problèmes tels que les géométries sophistiquées [6, 18], des bandes passantes d'absorption relativement finies (< 750 nm) [9, 11, 12], ou une grande exigence de métaux nobles [8, 10, 11, 18].

Les matériaux semi-conducteurs ont également attiré un intérêt intensif en raison de leur faible coût et de leur haute efficacité de conversion pour l'énergie solaire par rapport aux dispositifs à couches minces conventionnels [31,32,33,34,35,36,37,38,39]. La plupart des absorbeurs solaires sont basés sur le silicium (Si) en raison de son abondance naturelle et de son gap de bande presque idéal [31, 34]. Cependant, l'efficacité des cellules solaires est limitée lorsque l'épaisseur des couches de Si diminue. Par conséquent, le piégeage de lumière est devenu l'un des sujets majeurs dans les cellules solaires à couches minces [38]. Récemment, l'arséniure de gallium (GaAs) est devenu un bon concurrent en raison de ses propriétés optiques uniques et de sa haute efficacité de conversion [36,37,38,39], qui ont été démontrées expérimentalement dans la collecte solaire. Par exemple, Massiot et al. ont présenté le nanogrille métallique pour l'absorption de lumière multi-résonnante à large bande dans les couches ultra-minces de GaAs avec une bande passante d'absorption de 380 nm (de 450 à 830 nm) [40]. Li et al. ont proposé une cellule solaire en combinant des nanoparticules d'or et des réseaux de nanofils de GaAs pour réaliser une large bande d'absorption dans la région visible (300–850 nm) [39]. Cependant, leurs bandes d'absorption sont presque dans la gamme de 300–1100 nm. Récemment, en plaçant un réseau de GaAs sur une structure bi-couche GaAs-tungstène (W), nous avons obtenu un absorbeur parfait [40]. Cependant, la bande passante d'absorption (> 90 %) n'atteint que 1300 nm. De plus, seule la polarisation transverse-magnétique (TM) est considérée dans cette structure.

Dans ce travail, nous proposons un absorbeur solaire réalisable basé sur le semi-conducteur GaAs et les métaux réfractaires W et Ti. Un réseau périodique de nano-antennes GaAs unidimensionnel (1D), revêtu d'anti-reflets (AR) de nano-antennes d'oxyde d'indium-étain (ITO), est placé sur une structure de film tri-couche W-GaAs-Ti mince. Cet absorbeur solaire présente une bande d'absorption ultra-large couvrant les régions visible et infrarouge moyen en raison de la synergie des résonances de modes guidés (GMR), des modes de résonance de cavité et des plasmons de surface polaritons (SPP). La bande passante avec une absorption supérieure à 90 % est supérieure à 2400 nm. L'absorbeur montre également une bonne tolérance à l'angle et à la polarisation de la lumière incidente. De plus, une densité de courant de court-circuit élevée jusqu'à 61,947 mA/cm² est atteinte sous l'illumination solaire AM1.5. Cela offre de nouvelles perspectives pour réaliser des cellules photovoltaïques à couches minces ultra-compactes et efficaces et des émetteurs thermiques.

Matériaux et méthode

Le schéma de l'absorbeur proposé est montré dans la Fig. 1a. Un réseau périodique de nano-antennes GaAs 1D est pris en sandwich par un réseau AR monocouche fait de nano-antennes ITO et une structure de film tri-couche métal-semi-conducteur-métal (MSM) mince. Bien que les métaux nobles soient indispensables dans la création de structures d'absorption à large bande, ils souffrent de points de fusion bas [41]. De plus, en raison de l'effet de petite taille, les points de fusion des nanostructures métalliques nobles patternées sont grandement réduits [42]. Cela conduit à ce que les nanostructures métalliques nobles ne répondent pas à la température de fonctionnement des photovoltaïques solaires. Par conséquent, les matériaux avec une stabilité thermique ultra-élevée et une capacité d'absorption de lumière sont hautement désirés pour maintenir la stabilité des absorbeurs solaires. Le W métallique, le titane (Ti) [6, 17] et le semi-conducteur GaAs [36, 37, 39] ont tous des points de fusion élevés (3422 °C, 1668 °C et 1238 °C à température ambiante, respectivement) et sont donc employés pour obtenir des bandes d'absorption ultra-larges dans ce travail. La période et la largeur des nano-antennes sont notées P et d, respectivement. L'épaisseur du film W inférieur est de 100 nm. Les épaisseurs des films Ti et GaAs sont respectivement marquées avec h₁ et h₂. Les épaisseurs des nano-antennes ITO et GaAs sont marquées avec t₁ et t₂, respectivement. Les paramètres optimisés de cet absorbeur sont fixés à P = 500 nm, d = 400 nm, t₁ = 80 nm, t₂ = 120 nm, h₁ = 70 nm et h₂ = 30 nm.

Fig. 1 a Schéma de l'absorbeur solaire proposé. b Spectres d'absorption de l'absorbeur solaire (ligne noire), structure MSM (ligne rouge) et structure MSM revêtue uniquement de nano-antennes GaAs (ligne bleue).

Les performances optiques et les distributions de champ électromagnétique de cet absorbeur sont calculées par la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD) [43]. Des conditions aux limites périodiques sont employées dans les directions x et des couches parfaitement adaptées sont utilisées dans les directions z. Les constantes diélectriques de Ti, W et GaAs sont prises de Palik [44], et l'indice de ITO est de 2,0 [35]. S'il n'est pas spécifié autrement, une onde plane à large fréquence avec une polarisation linéaire le long de l'axe x est irradiée depuis le haut de la méta-surface de nano-antennes (c'est-à-dire polarisation TM) avec une distance de 540 nm entre elles. La transmission (T) dans cet absorbeur est égale à zéro en raison du film métallique opaque utilisé en bas. L'absorption (A) de cet absorbeur peut être calculée par A = 1 − R, où R désigne la réflexion. Une région finie avec une longueur de 20 nm, une largeur de 500 nm et une hauteur de 500 nm et un maillage raffiné de 1,6 nm sont choisis pour calculer la densité de courant de court-circuit (les autres paramètres sont les mêmes que ceux définis dans le calcul de réflexion). Un maillage non uniforme avec un pas de maillage minimum de 0,25 nm et l'onde plane avec trois régions de longueurs d'onde (280–400 nm, 401–1702 nm et 1705–4400 nm) sont utilisés pour calculer le spectre solaire standard en utilisant une simulation bidimensionnelle simple. L'absorbeur proposé peut être fabriqué selon les étapes suivantes : (1) dépôt ordonné des films W, GaAs et Ti avec une certaine épaisseur sur le substrat de silice via la méthode de dépôt [45, 46] ; (2) dépôt d'une couche de photorésist sur la structure fabriquée ci-dessus et gravure par lithographie à faisceau d'électrons [47] pour former un réseau de nano-antennes unidimensionnel ; (3) dépôt consécutif des matériaux GaAs et ITO avec une certaine épaisseur sur la structure fabriquée à la deuxième étape ; et (4) élimination des nano-antennes de photorésist revêtues de matériaux GaAs et ITO par la méthode lift-off.

Résultats et discussion

La Fig. 1b montre le spectre d'absorption de l'absorbeur optimisé à incidence normale (marqué « Absorbeur », ligne noire). Pour comparaison, les spectres d'absorption de la structure MSM (marqué « MSM », ligne rouge) et de la structure MSM revêtue uniquement de nano-antennes GaAs (marqué « Structure sans la couche ITO », ligne bleue) sont également montrés dans la Fig. 1b. Pour la structure avec la simple structure de film tri-couche MSM, l'absorption est inférieure à 70 %. Lorsque le réseau périodique de nano-antennes GaAs est placé sur la structure MSM, une bande d'absorption ultra-large avec une absorption renforcée de 657 à 2679 nm est atteinte. Cela indique que le réseau de nano-antennes GaAs est ici responsable de l'absorption forte dans la large gamme de longueurs d'onde. Notez que les intensités d'absorption dans les gammes de 991–1455 nm et 2004–2388 nm sont encore inférieures à 90 %. Pour l'absorbeur proposé, le réseau de nano-antennes ITO de 80 nm d'épaisseur introduit renforce davantage l'absorption et élargit la bande d'absorption. En tenant compte de A > 90 %, un phénomène d'absorption ultra-large est trouvé avec une bande passante d'absorption jusqu'à 2402 nm couvrant les régions visible, proche et moyen infrarouge (468–2870 nm). L'absorption moyenne est augmentée jusqu'à 95,5 %. C'est parce que la couche ITO de 80 nm d'épaisseur joue un rôle anti-réflexion, qui peut renforcer davantage l'effet anti-réflexion des nano-antennes GaAs. De plus, la couche ITO de 80 nm d'épaisseur est suffisamment élevée pour permettre une faible résistance de feuille, donc de faibles pertes de transport latéral des porteurs sur des centaines de microns vers les contacts métalliques latéraux [35]. Par conséquent, une grande amélioration de la bande passante d'absorption et de l'efficacité d'absorption est réalisée, supérieure à celle des absorbeurs basés sur les systèmes composites métal noble-semi-conducteur [32,33,34,35,36,37]. L'absorption grandement élargie provient principalement de l'excitation des GMR et des modes de cavité et de leurs effets de couplage hybridés [18].

Les distributions de champ électromagnétique (|E| et |H|) et la densité de courant (J) de cet absorbeur à différentes longueurs d'onde (c'est-à-dire 594 nm, 1430 nm et 2586 nm) sont étudiées. À 594 nm, l'énergie du champ électrique est principalement concentrée à l'interface nano-antenne-air, et la forte énergie du champ magnétique est située dans la nano-antenne GaAs et la couche ITO (Fig. 2a, b). Cela indique l'excitation des GMR et des modes de cavité [18, 26]. Le courant électrique dans les nano-antennes GaAs (Fig. 2c) confirme l'efficacité des nano-antennes GaAs pour cette amélioration d'absorption [48, 49]. À 1430 nm, le champ électrique fort existe principalement dans les fentes d'air près des nano-antennes (Fig. 2d) ce qui implique les modes de cavité excités [18, 26]. Dans la Fig. 2e, l'énergie du champ magnétique est située aux interfaces nano-antenne GaAs-film Ti, indiquant que les GMR excités et les modes de cavité contribuent tous deux à la lumière couplée dans la structure et excitent davantage les SPP près des interfaces du film GaAs-film Ti [9, 18, 20, 39]. Le courant électrique distribué dans le film Ti montré dans la Fig. 2f fournit une forte preuve que la lumière incidente est entièrement couplée dans la structure. À 2586 nm, les énergies électromagnétiques se situent principalement dans les fentes entre les nano-antennes et aux interfaces nano-antenne GaAs-film Ti et film GaAs-film W (Fig. 2g, h), et le courant électrique se distribue principalement à la surface supérieure du film W (Fig 2i). Cela démontre à nouveau la lumière couplée dans les couches sous-jacentes de la structure par les GMR, SPP et modes de cavité. Par conséquent, on conclut que les GMR, SPP, modes de cavité excités et leur synergie résultent en une absorption à large bande et quasi-parfaite [18].

Fig. 2 Champ électrique |E|, champ magnétique |H| distributions, et densité de courant J à 594 nm (a–c), 1430 nm (d–f) et 2586 nm (g–i), respectivement.

Dans les applications pratiques des absorbeurs solaires, l'absorption de lumière devrait être moins sensible aux angles d'incidence et de polarisation [2, 3, 6, 18, 20]. Cependant, la plupart des absorbeurs basés sur le matériau GaAs impliquent rarement l'exploration de l'angle de polarisation et de l'angle d'incidence [36, 39]. La Fig. 3a montre l'évolution de l'absorption pour l'absorbeur solaire proposé sous polarisation TM avec une irradiation oblique. Évidemment, l'effet d'absorption est presque robuste dans la gamme de 468–3000 nm avec un angle d'incidence jusqu'à 55° et seulement une légère diminution de la longueur d'onde dans la région infrarouge moyen. La bande d'absorption se réduira extrêmement lorsque l'angle d'incidence dépasse 55°. La Fig. 3b montre l'absorption de la lumière sous différents états de polarisation, où 0° correspond à la polarisation TM et 90° correspond à la polarisation transverse-électrique (TE). On observe que l'absorption peut être maintenue parfaitement dans les régions de longueurs d'onde plus courtes et plus longues (468–1010 nm et 1800–3000 nm) lorsque l'angle de polarisation augmente de 0 à 90°. Bien que l'absorption diminue dans la région proche infrarouge, elle reste supérieure à 50 %. Globalement, l'insensibilité angulaire et polarisée de l'absorption devrait être attribuée à la bonne adaptation de l'impédance et à la perte intrinsèque [18, 19].

Fig. 3 Cartographie d'absorption de l'absorbeur solaire sous un angle d'incidence variable (a) et un état de polarisation (b).

Nous menons plus loin l'investigation de l'absorption solaire en plaçant l'absorbeur optimisé sous l'illumination de la source AM 1.5. L'absorbeur solaire montre une absorption quasi-parfaite dans les régions visible, proche et moyen infrarouge, couvrant les principales régions de distribution d'énergie de l'irradiation solaire (Fig. 4a). Comme plusieurs états de résonance se produisent simultanément, presque l'énergie solaire d'unité proche est capturée par l'absorbeur. Cela démontre l'efficacité d'absorption d'énergie solaire élevée dans une telle structure. De plus, les matériaux réfractaires utilisés dans cet absorbeur contribuent à maintenir la stabilité thermique de cette structure lorsque la température augmente dans une certaine gamme. Par conséquent, on peut conclure que notre absorbeur proposé a une application plus large dans les dispositifs photoélectriques [50].

Fig. 4 a Spectre standard de radiance solaire AM 1.5 et spectre d'absorption d'énergie solaire de l'absorbeur solaire sous AM 1.5. b Énergie absorbée et manquée de l'absorbeur solaire dans la gamme spectrale complète de la radiance solaire.

Comme rapporté dans [36], la densité de courant de court-circuit J_sc pour l'illumination solaire AM1.5 est décrite par \( {J}_{\mathrm{sc}}={\int}_{400\ \mathrm{nm}}^{3000\ \mathrm{nm}}\frac{e\lambda}{hc}{\Phi}_{\mathrm{AM}1.5}\left(\lambda \right)\mathrm{A}\left(\lambda \right), \) où e est la charge de l'électron, h est la constante de Planck, λ est la longueur d'onde de la lumière, Φ_AM1.5(λ) est la radiance solaire à AM 1.5, A(λ) est l'absorption, et c est la vitesse de la lumière. Ici, nous avons étudié la densité de courant de court-circuit en modifiant l'épaisseur des nano-antennes GaAs avec les autres paramètres invariables. Lorsque t₂ est accordé de 30 à 210 nm avec un pas de 30 nm, le photocourant collecté est dérivé comme montré dans la Fig. 5. Une forte régularité avec l'épaisseur t₂ est obtenue car J_sc dépend principalement du nombre de modes de résonance dans la gamme de 300–3000 nm. Le maximum J_sc égal à 61,947 mA/cm² est obtenu lorsque t₂ = 120 nm, ce qui est beaucoup plus grand que celui rapporté par Meng et al. (30,3 mA/cm²) [35].

Fig. 5 Densité de courant de court-circuit avec l'épaisseur des nano-antennes GaAs sous lumière polarisée TM.

Conclusion

Nous présentons un absorbeur solaire basé sur les nano-antennes GaAs recouvertes d'une monocouche ITO sur une structure tri-couche W-GaAs-Ti mince. Un absorbeur parfait ultra-large bande est atteint dans la gamme de longueurs d'onde de 468–2870 nm avec une absorption moyenne supérieure à 95 %. La propriété d'absorption ultra-large bande provient de la synergie des GMR, modes de cavité et SPP. L'absorbeur parfait solaire ultra-large bande a également une grande tolérance à la température, une insensibilité à l'angle et à la polarisation de la lumière incidente, et une meilleure densité de courant de court-circuit jusqu'à 61,947 mA/cm². Cela offre de nouvelles perspectives pour réaliser des cellules solaires à couches minces, la collecte d'énergie solaire et les émetteurs thermiques.

Disponibilité des données et matériaux

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article.

Abréviations

TM :

Transverse-magnétique

1D :

Unidimensionnel

AR :

Anti-réflexion

GMR :

Résonances de modes guidés

SPP :

Plasmons de surface polaritons

MSM :

Métal-semi-conducteur-métal

FDTD :

Différences finies dans le domaine temporel

TE :

Transverse-électrique