Absorption optique améliorée dans les cellules solaires en tandem pérovskite/Si avec réseau de nanotrous

Introduction

L'énergie solaire est une sorte d'énergie renouvelable et propre, qui est d'une grande importance pour le développement durable des êtres humains. L'efficacité de la conversion photoélectrique et le coût de préparation sont les ratios clés qui déterminent l'application industrielle des cellules solaires, qui convertissent directement l'énergie lumineuse en électricité. À l'heure actuelle, les cellules solaires à base de silicium sont le courant dominant des cellules solaires, représentant 90 % du marché photovoltaïque mondial. L'efficacité des cellules solaires à base de silicium a atteint 25,6%, proche de l'efficacité limite de Shockley-Queisser (33,7%), mais le coût de fabrication reste élevé [1, 2]. Le développement de cellules solaires à base de silicium doit réduire les coûts de fabrication et améliorer l'efficacité des cellules.

En raison de la large distribution d'énergie du spectre solaire, tout matériau semi-conducteur ne peut absorber que des photons dont la valeur énergétique est plus large que sa largeur de bande interdite. Par conséquent, une approche éprouvée pour mieux utiliser le spectre solaire consiste à former une cellule solaire en tandem à double jonction [3, 4]. En principe, les cellules solaires en tandem Si sont capables d'absorber sélectivement différentes parties du spectre solaire et de surpasser la jonction simple Shockley-Queisser. L'efficacité limite théorique de la cellule solaire tandem en silicium à deux jonctions idéale a été rapportée à 46% [5,6,7].

Les cellules solaires à pérovskite ont un grand potentiel photovoltaïque et leurs performances ont été considérablement améliorées en quelques années seulement. L'efficacité de conversion photoélectrique est de 3,7% en 2009, et l'efficacité a été jusqu'à 25,2% jusqu'à présent [8,9,10]. La pérovskite est également considérée comme le matériau absorbant la lumière le plus prometteur pour la prochaine génération de cellules solaires à faible coût. Lorsque la largeur de bande interdite de la pérovskite est de 1,55 eV, elle peut absorber des photons d'une longueur d'onde inférieure à 800 nm, tandis que le silicium avec une bande interdite de 1,12 eV peut absorber des photons d'une longueur d'onde supérieure à 800 nm dans le spectre solaire. Lorsque les deux forment une cellule tandem de haut en bas, leurs spectres d'absorption se complètent, ce qui améliore considérablement l'utilisation du spectre solaire et réduit le coût de préparation [11,12,13,14].

Parmi tous les types de cellules solaires tandem pérovskite/silicium, le tandem monolithique à deux bornes a le plus grand potentiel car il peut être fabriqué en déposant directement un film de pérovskite sur une cellule inférieure en silicium pour en obtenir une intégrée. Bush et al. atteint une efficacité de 23,6% sur une cellule inférieure SHJ à émetteur arrière avec une cellule supérieure p-i-n en pérovskite avec E _g = 1.63ev depuis la réduction de l'absorption parasite dans la couche frontale sélective d'électrons. De plus, Oxford PV a atteint un rendement de conversion de puissance de 28 % en 2018, ce qui a en outre validé que le tandem pérovskite/silicium a un grand potentiel pour révolutionner les technologies des cellules solaires [15,16,17]. Cependant, par rapport aux cellules solaires à base de silicium, qui peuvent atteindre 85 % de l'efficacité limite, les cellules tandem à base de pérovskite/silicium ont encore beaucoup de place pour l'amélioration de l'efficacité. La plupart des études sur les cellules tandem pérovskite/silicium se concentrent sur la conception de la cellule supérieure et de la jonction tunnel, tandis que la cellule inférieure adopte principalement la surface texturée ou le SiN_x couche pour améliorer l'absorption optique [18, 19]. Il convient de noter qu'un moyen efficace d'améliorer l'absorption sélective consiste à incorporer la lumière incidente dans le mode guidé par ondes [20]. Aux fins ci-dessus, nous introduisons un réseau de nanotrous dans la conception de la sous-cellule inférieure. Dans le même temps, par rapport à la surface normalement texturée, la surface du réseau de nanotrous de silicium est plus lisse, ce qui est plus propice à la correspondance actuelle entre les cellules supérieure et inférieure [21, 22].

Méthodes

Dans cette lettre, nous étudions numériquement les propriétés d'absorption de la lumière du dispositif tandem pérovskite/silicium avec un réseau de nanotrous de silicium comme cellules de fond en utilisant la méthode du domaine temporel des différences finies (FDTD). Les figures 1 et 2 montrent le schéma des cellules tandems pérovskite/silicium à structure nano-trous proposées et la vue latérale d'une période individuelle, respectivement.

Schéma des cellules tandems pérovskite/silicium structurées en nanotrous utilisées dans le modèle

un Schéma du réseau de nanotrous utilisé dans le modèle. b Vue latérale 2D d'une période individuelle

Dans notre modèle, le réseau de nanotrous est rempli de TiO₂ comme couche tunnel entre deux jonctions. Focaliser l'étude sur les propriétés optiques de la sous-cellule nano-structurée, l'épaisseur d'ITO, Spiro-OMeTAD, CH₃ NH₃ PbI₃ , SiO₂ et TiO₂ sont fixés à 50 nm, 10 nm, 300 nm, 20 nm, 40 nm, respectivement. Comme le montre la Fig. 2, le tableau peut être caractérisé par la périodicité (P ), le diamètre des nanotrous (D ), la hauteur des nanotrous (h ) et la hauteur totale du substrat de silicium (H ). Le taux de remplissage est défini comme \(\eta =D/P\). La hauteur totale du substrat de silicium H est fixé à 1 μm. De plus, les constantes optiques du silicium et d'autres matériaux utilisés dans la conception des cellules sont issues des recherches de F Miha [23]. Des conditions aux limites périodiques sont adoptées dans les directions x et y et appliquées des conditions aux limites de couche parfaitement adaptées dans la direction z. La source lumineuse est considérée comme une source d'ondes planes allant de 300 à 1 100 nm, perpendiculairement au réseau de nanotrous le long du z direction.

Un moniteur planaire au-dessus de la surface de la cellule supérieure est appliqué pour enregistrer la réflectance (R ), et un deuxième moniteur au bas du substrat de silicium enregistre la transmittance (T ); l'absorption (A ) des tandems pérovskite/silicium est déterminé par \(A(\lambda ) =1 - R(\lambda ) - T(\lambda )\). La performance d'absorption sera évaluée par la densité de courant de court-circuit \(J_{{{\text{sc}}}}\), qui est définie comme [14] :

où \(\Phi (\lambda )\) est le spectre de densité d'énergie solaire de AM1.5G, e est la charge élémentaire, h est la constante de Planck et c est la vitesse de la lumière dans le vide. Le calcul est supposé que tous les porteurs photo-générés sont collectés par des électrodes puisque la longueur de diffusion des porteurs minoritaires est suffisamment longue dans CH₃ NH₃ PbI₃ et du silicium cristallin.

Résultats et discussion

Dans le but de clarifier les rôles joués par le réseau de nanotrous sur l'absorption de la lumière dans les cellules solaires en tandem et afin de guider correctement la conception des propriétés optiques, nous avons calculé la courbe d'absorption du réseau de nanotrous sous différents taux de remplissage. En simulant le processus d'expérimentation, un CH₃ de 300 nm NH₃ PbI₃ et un substrat de silicium de 1 µm ont été appliqués pour capturer les photons. Comme le montrent les figures 3a, b, la hauteur des nanotrous inférieurs est restée immobile à 600 nm par rapport aux différentes périodes de temps, respectivement. Avec la valeur croissante du taux de remplissage de 0,1 à 0,9, la courbe d'absorption peut être divisée en trois parties. Au début, l'absorption présentait une performance décroissante dans une gamme de longueurs d'onde courtes de 300 à 600 nm. Ensuite, l'absorption de la couche de pérovskite a été observée pour former une diminution dans la plage de 600 à 850 nm, tandis que la résonance, au contraire, culmine à son point de départ de 600 nm. Les troisièmes parties se situent dans la plage de 850 à 1 100 nm et contiennent au total trois pics de résonance d'absorption. Considérant que la limitation de la dominance de la couche de pérovskite sur l'absorption des longueurs d'onde pourrait atteindre jusqu'à 850 nm, cette valeur peut également être considérée comme la longueur d'onde seuil de CH₃ NH₃ PbI₃ dans notre modèle.

Caractérisation optique de cellules solaires en tandem avec un réseau de nanotrous. un Spectres d'absorption en fonction des taux de remplissage à P fixe = 400 nm et h = 600 nm. b Spectres d'absorption en fonction des taux de remplissage à P fixe = 500 nm et h = 600 nm. c Densité de photocourant en fonction des taux de remplissage à différentes périodes. d Augmentation de la densité de photocourant par rapport aux taux de remplissage dans les conditions de P = 500 nm

À partir de la figure 3c, on peut voir que la densité de photocourant et présentent une corrélation positive, ce qui signifie qu'elle augmentera avec l'augmentation de . Comme pour le paramètre de période fixe, l'augmentation de la densité de courant apparaît d'abord dans une phase de croissance rapide, et le \(J_{i}\) entre progressivement dans la plage de saturation où le taux de remplissage est supérieur à 0,5 en raison de la distribution inégale des longueurs d'onde longues et courtes dans AM1.5G. Avec la valeur croissante du taux de remplissage, l'efficacité d'absorption du substrat de silicium a également été améliorée en conséquence ; cependant, le matériau de silicium semble avoir diminué en une seule période. Par conséquent, le taux de remplissage du réseau de nanotrous de silicium devrait présenter une valeur optimale. Le pic d'absorption de résonance atteint la valeur de près de 1000 nm dans le spectre, et le pic peut être considéré comme l'atteinte de son maximum lorsque la période est de 500 nm par rapport à celle des deux autres conditions. La figure 3d montre la courbe d'augmentation de la densité de photocourant avec l'augmentation du taux de remplissage dans les conditions où P = 500 nm. De plus, la ligne rouge peut être obtenue grâce à l'ajustement polynomial. On peut en conclure que lorsque le taux de remplissage atteint exactement 0,5, un point d'inflexion apparaîtra dans la croissance de la densité de photocourant.

Conformément à l'analyse ci-dessus, les paramètres d'absorption optimisés des cellules en tandem sur la base du réseau de nanotrous doivent être trouvés à la période de 500 nm et le taux de remplissage est au chiffre exact de 0,5. Afin de clarifier davantage le mécanisme d'émission de l'absorption lumineuse, les spectres d'absorption par rapport aux différentes hauteurs de nanotrous sont comparés dans la condition mentionnée. La figure 3a, b montre le changement de tendance de variation de l'absorption spectrale et de la densité de photocourant ainsi que l'augmentation de la hauteur des nanotrous, respectivement. On peut résumer que le pic d'absorption à la longueur d'onde de 1000 nm montre une forte dépendance avec la hauteur des nanotrous, tandis que la dépendance des deux autres pics d'absorption illustrés sur la figure 4b sur la hauteur des nanotrous est très faible. Un tel résultat indique que la résonance de Mie domine l'excitation. À partir de la Fig. 4c, d, l'augmentation significative de la densité de courant peut être observée pour passer de 14,53 à 15,68 mA/cm ² lorsque la profondeur est inférieure à 300 nm et lorsque les valeurs h sont supérieures à 300 nm, la valeur atteindra un chiffre presque saturant. Une telle faible dépendance vis-à-vis de la hauteur des nanotrous peut être utile en termes de conception ainsi que de fabrication de réseaux de nanotrous dans la pratique.

Caractérisation optique de cellules solaires en tandem avec un réseau de nanotrous. un Spectres d'absorption en fonction de la hauteur à P fixe = 500 nm et η = 0,5. b La vue agrandie des spectres d'absorption va de 800 à 1100 nm. c Densité actuelle en fonction de la hauteur à P fixe = 500 nm et η = 0,5

En règle générale, lorsque l'onde lumineuse pénètre dans la structure d'interface des cellules solaires en tandem, les effets de diffusion et d'émission apparaissent. La diffusion de l'onde lumineuse causée par la structure du réseau de nanotrous allongera le chemin de propagation des photons. Afin d'analyser plus en détail l'absorption de la lumière des cellules solaires tandem pérovskite/Si avec un réseau de nanotrous, les expériences simulées choisissent la distribution d'intensité de champ électrique en coupe \((|E|^{2} )\) à 500 nm, 600 nm , 700 nm, 800 nm, 900 nm et 1 000 nm de longueur d'onde, tandis que la hauteur est censée être fixée car la valeur de h reste à 900 nm, ce qui est également illustré à la Fig. 5. Le profil spatial de l'absorption optique par unité de volume dans x –z plan peut être divisé en trois parties, qui sont la pérovskite, le réseau de nanotrous et le substrat de silicium. Dans la partie du réseau de nanotrous, le silicium structuré est espacé du TiO₂ nanotrous remplis, qui sont marqués par une ligne pointillée sur la figure 5a.

Distribution de l'intensité du champ électrique des cellules solaires en tandem à une hauteur fixe de 900 nm a longueur d'onde à 500 nm, b longueur d'onde à 600 nm, c longueur d'onde à 700 nm, d longueur d'onde à 800 nm, e longueur d'onde à 900 nm, et f longueur d'onde à 1000 nm

La figure 5a, b suggère que la cellule supérieure pourrait dominer l'absorption des courtes longueurs d'onde (< 600 nm) ; cependant, l'effet antireflet produit par le réseau de nanotrous sous la longueur d'onde de 600 nm semble être plus remarquable que sous la longueur d'onde de 500 nm. Cependant, en raison du coefficient d'absorption plus faible du silicium, son absorption à mi-longueur d'onde (500-600 nm) est inférieure à celle de la structure plane. De plus, grâce à l'existence de nanotrous périodiques, un effet d'interférence évident dans la couche supérieure de pérovskite peut également être observé, ce qui signifie que la réflexion de la lumière à 700 nm et 800 nm pourrait revenir dans les cellules supérieures et améliorer son absorption.

À condition que la pérovskite ait un bord absorbant net à 850 nm, puis, la longueur d'onde à 900 nm et 1 000 nm sera transmise et sera principalement absorbée par les cellules inférieures, comme le montrent les Fig. 5e, f. Avec le remplissage de TiO₂ dans le réseau de nanotrous de silicium, la différence de distribution périodique de l'indice de réfraction conduit aux cellules inférieures est destinée à supporter les modes conducteurs qui se trouvent le champ électromagnétique à proximité des tandems, et le couplage de la lumière incidente avec ces modes conducteurs conduit à une augmentation importante de absorption. Pour illustrer la faisabilité de cette approche, quatre cas différents ont été simulés pour effectuer une analyse sous différentes hauteurs de réseau de nanotrous. Toutes ces absorptions ont les mêmes paramètres de réseau de nanotrous que η = 0,5 et P = 500 nm, et leur lumière de longueur d'onde incidente est fixée à 900 nm, comme le montre la figure 6. L'interaction des modes guidés pris en charge est considérablement améliorée le long de avec la hauteur croissante des nanotrous.

Distribution de l'intensité du champ électrique à 900 nm de cellules solaires en tandem avec réseau de nanotrous en fonction de la hauteur a h = 100 nm, b h = 300 nm, c h = 600 nm, d h = 900 nm

Conclusions

En résumé, cet article a étudié la combinaison de cellules solaires tandem pérovskite/silicium avec le réseau de nanotrous comme moyen pratique pour un dispositif d'obtenir un dispositif tandem à haute efficacité. Nous avons découvert que si un ensemble optimisé de matrice de nanotrous η = 0,5 et P = 500 nm augmente à partir de la valeur de 14,53 mA/cm ² à 15,68 mA/cm ² lorsque la profondeur du réseau est inférieure à 300 nm, un tel dispositif peut servir de prémisse pour une efficacité élevée. Puis par l'introduction d'un réseau de nanotrous remplis de TiO₂ , nous avons en outre prouvé que le mode d'absorption de la lumière des cellules tandem se transformerait en un mode mixte avec divers modes d'absorption de la lumière. La réduction sélective de la courte longueur d'onde conduit à la diminution de l'absorption des photons de courte longueur d'onde; cependant, l'interférence qui a généré le piégeage de la lumière dans la cellule supérieure et le piégeage de la lumière guidé par indice dans la cellule du bas peuvent fonctionner comme améliorant considérablement l'absorption sélective du tandem. Les résultats expérimentaux ci-dessus ont prouvé qu'il s'agit d'un moyen prometteur d'améliorer l'absorption des cellules solaires tandem pérovskite/silicium.

Disponibilité des données et des matériaux

Les conclusions tirées dans ce manuscrit sont basées sur les données (texte principal et figures) présentées et montrées dans cet article.

Abréviations

FDTD :

Domaine temporel aux différences finies