Plačiajuosčio ryšio absorbcijos pagerinimas plazmoninių nanosruogelių pagrindu pagamintuose ypač plonuose mikrokristaliniuose saulės elementuose | mokslinės ataskaitos

Plačiajuosčio ryšio absorbcijos pagerinimas plazmoninių nanosruogelių pagrindu pagamintuose ypač plonuose mikrokristaliniuose saulės elementuose | mokslinės ataskaitos

Anonim

Dalykai

  • Nanodalelės
  • Silicio fotonika
  • Saulės energija ir fotovoltinė technologija

Anotacija

Siekdami sukurti plazmoninę saulės elementą su padidinta foto srove, mes ištirsime plazmoninių nanodalelių, įterptų į ypač ploną mikrokristalinį silicio saulės elementą, vaidmenį didinant ląstelės plačiajuosčio šviesos spąstais pajėgumą ir tuo pačiu sumažinant parazitinį. praradimas. Nagrinėjamo mikrokristalinio silicio (μc-Si) sluoksnio storis yra tik ~ 1/6 įprastų μc-Si pagrindu pagamintų saulės elementų, tuo tarpu plazmoniniai nanosėdeliai yra sudaryti iš silicio dioksido ir aukso, atitinkamai šerdies ir apvalkalo, derinio. Mes analizuojame ląstelių optinį atsaką, keičiant geometrinius ir optinius viso prietaiso parametrus. Visų pirma, nanodalelių šerdies spindulys ir metalo storis, periodiškumas, saulės spinduliuotės kritimo kampas ir jos bangos ilgiai yra įvairūs reikšmingiausiuose diapazonuose. Toliau paaiškiname absorbcijos padidėjimo priežastį, apskaičiuodami elektrinio lauko pasiskirstymą, susijusį su prietaiso rezonansais. Mes tvirtiname, kad tiek Fabry-Pérot, tiek lokalizuoti plazmono režimai vaidina svarbų vaidmenį šioje srityje.

Įvadas

Vienas iš didžiausių fotoelektros iššūkių yra iškastinio kuro technologijų sąnaudų, palyginti su vatais, sumažinimas. Iš fotoelektrinių prietaisų pagamintos elektros energijos sąnaudų ir vatos santykis yra bent 1, 5 karto didesnis už elektros energiją, pagamintą iš iškastinio kuro 1 . Vienas iš svarbiausių veiksnių, turinčių įtakos sąnaudų ir vatos santykiui, yra aktyvioji medžiaga (daugiausia kristalinis silicis, c-Si). C-Si saulės modulių atveju 30–40% kainos už vatą sudaro silicio substratas 2, 3 .

Veiksmingas ir patikimas būdas sumažinti sąnaudų ir vatos santykį yra pagrįstas plonasluoksnių saulės elementų technologijomis 4, 5, kuriose yra amorfinis silicis (a-Si: H), mikrokristalinis silicis (μc-Si), kadmio telluridas (CdTe) ir varis. indio galio selenidas (CIGS) gali būti naudojamas kaip aktyviosios medžiagos. Šiame darbe pagrindinis dėmesys skiriamas plonos plėvelės μc-Si saulės elementams 6 . Kaip ir kristalinis Si, taip pat μc-Si yra netiesioginis juostos puslaidininkis, turintis mažą optinę absorbciją bangų ilgiams nuo 600 iki 800 nm. 1 pav. (A) ultra plono (300 nm storio) μc-Si sluoksnio absorbcijos spektras normaliai krintančiai šviesai lyginamas su AM1.5G saulės spektru 7 . Diagrama aiškiai parodo, kad mikrokristalinio silicio sluoksnis, kurio bangos ilgis nuo 600 nm iki 1100 nm, mažai sugeria šviesą, artėjant nulinei absorbcijai, viršijančiai 800 nm. Šį rezultatą galima paaiškinti μc-Si optinėmis savybėmis, kaip parodyta 1 pav. (B). Šviesos sugertis yra pirmas žingsnis link labai efektyvių saulės elementų, tada būtina naudoti šviesos spąstus, kad būtų padidinta aktyvioji absorbcija, ypač kai ultra ploni μc-Si saulės elementai (~ 1/6 nuo įprasto μc-Si pagrindo storio) saulės elementai 8 ).

Image

a ) AM1.5G pasaulinė saulės radiacija (mėlynoji linija), palyginti su saulės spinduliuote, sugeriamą 300 nm μc-Si (raudona linija). Didėjant bangos ilgiui pastebimas stiprus absorbcijos mažėjimas. Šis elgesys gerai atitinka μc-Si optines savybes, kaip parodyta b punkte. Visų pirma parodyta μc-Si lūžio rodiklio tikroji (n) ir įsivaizduojama dalis (k). Intarpas pabrėžia mažą k vertę, ypatingą dėmesį skiriant spektriniam diapazonui, užtikrinančiam aukščiausią spektrinę apšvitą. Manoma, kad a punkte šviesa paprastai patenka į μc-Si paviršių.

Visas dydis

Per pastaruosius dešimtmečius buvo pasiūlyta keletas šviesos spąstais grįstų architektūrų, pradedant piramidžių rinkiniais ir baigiant fotoniniais kristalais 9 ar plazmoninėmis struktūromis. Visų pirma, plazmonika išnaudoja metalinių mikro / nano objektų galimybes sutelkti šviesą į jų faktinį paviršių.

Iki šiol buvo pasiūlyta trijų rūšių fotovoltinių elementų panaudojimo per plazmonines nanostruktūras tvarka: i) metalinės grotelės, esančios priekiniame ir galiniame saulės elementų kontaktuose. Gali sužadinti tiek bangos, tiek plazmoniniai režimai (lokalizuoti ir sklindantys), kad padidintų absorbciją aktyviojoje medžiagoje 10 ; ii) metalinės nanodalelės dedamos ant saulės elemento viršaus. Jų vaidmuo yra išsklaidyti krintančią šviesą, pirmiausia, į mikrokristalinį silicį, panaudojant jo aukštą lūžio rodiklį. Rezultatas yra padidėjęs aktyviosios srities optinis storis, kuris leidžia puslaidininkių substratui absorbuoti didesnį elektromagnetinės spinduliuotės kiekį 11, 12 ; iii) puslaidininkio sluoksnyje įterptos metalinės nanodalelės. Jie veiks kaip nanoantenos, ty plazmoninis elektrinio lauko artimasis lauko sustiprinimas padidina efektyviosios absorbcijos greitį puslaidininkio viduje 13 .

Svarbi problema, iškylanti svarstant metalinių nanostruktūrų panaudojimą PV, yra foto srovės nuostoliai dėl parazitinės absorbcijos metale 14, 15 . Neseniai Brownas ir kt. 16 buvo pasiūlyta metalines nanodaleles padengti plonais dielektriniais sluoksniais, kad būtų sumažintas parazitinės absorbcijos ir rekombinacijos poveikis, jei dažai yra jautrus saulės elementams. Tačiau per stori dielektriniai sluoksniai apribotų vietinio lauko sustiprėjimą aktyviojo sluoksnio viduje, taigi visa ląstelė būtų mažiau efektyvi. Panašiu būdu Paz-Soldan ir kt. 15 sėkmingai įrodė metalinių sferinių nanozildelių naudojimą koloidiniuose kvantiniuose taškuose plonos plėvelės saulės elementuose, o Guilatt ir kt. 17 iliustruotas vamzdinių metalinių nanodalelių su skirtingomis geometrijomis, įterptų į 50 nm Si, panaudojimas atliekant 2-D skaitmeninius modelius. Neseniai P. Cheng ir kt. 18, 19 teoriškai parodė, kad įdedant sferinius nanodalelių apvalkalą ant silicio plonos plėvelės sluoksnio, šviesos sugertis gali būti padidinta sužadinant lokalizuotus paviršiaus plazmonus. Be to, W. Zhang ir kt. 20 parodyta, kad perovskito plonasluoksnėse saulės baterijose naudojamas įterptasis metalinis nanokratukas, kad būtų pasiekta sumažinta eksitono surišimo energija, o laisvieji krūviai padidintų jų generaciją. Visi paminėti darbai parodo, kaip metaliniai nanokrateliai iš tiesų gali būti labai svarbi priemonė saulės elementų veikimui pagerinti. Vis dėlto dar reikia suprasti, kurios yra optimalios sąlygos maksimaliai padidinti aktyviosios medžiagos absorbciją plačiajuosčiu ryšiu, kai atsižvelgiama į bendruosius ląstelės parametrus, ypač tuo atveju, kai tai yra ypač ploni mikrokristaliniai saulės elementai. Tiesą sakant, tikimasi, kad ne tik nano apvalkalų forma gali įtakoti aktyviosios medžiagos absorbcijos reakciją, bet panašų poveikį galima priskirti ir tokiems parametrams kaip periodiškumas, matmenys, kritimo kampas ir medžiagų optinės savybės.

Šiame darbe mes sukūrėme trijų matmenų plazmoninių ypač plonos plėvelės saulės elementų modelį, įdėdami periodišką 21, 22, 23 rutulinių metalinių nanozildelių rinkinį į ploną μc-Si aktyviosios medžiagos sluoksnį. Idėja yra išnaudoti jų artimojo lauko koncentracijos galimybes 24, 25 ir tuo pat metu stipriai slopinti parazitinius nuostolius. Tikslas - optinės absorbcijos padidinimas plačiame spektro diapazone (400–1100 nm), veikiant AM1.5G saulės spinduliuotei. Visų pirma, įgyvendindami baigtinių elementų metodo (COMSOL) metodą, mes aptariame metalinių nanorūdelių optines savybes ir apibūdiname jų leistinumą kaip metalo apvalkalo storio funkciją. Be to, buvo atliktas metalinių nanoskalpelių matricos (dydžio ir laikotarpio) optimizavimo tyrimas siekiant maksimalaus optinio padidinimo. Galiausiai, kalbėdami apie svarbų aspektą, kuris dažnai yra pamirštamas, peržengėme įprastą dažnio prielaidą, ištyrę kritimo kampo įtaką bendram optinės absorbcijos padidėjimui. Tiesą sakant, buvo įvertinta tiek TE, tiek TM poliarizacija, norint įvertinti Saulės nepoliarizuotos kritinės šviesos poveikį siūlomai struktūrai.

Rankraščio struktūra yra tokia. Rezultatų skiltyje pristatome tiriamą struktūrą ir modeliavimo metodą, po kurio aprašomos metalinių nanorūdelių optinės savybės. Šiuo atžvilgiu mes naudojame modifikuotą metalo pralaidumą, galintį atsižvelgti į paviršiaus nanoskorpuso išsibarstymo poveikį. Vėliau, diskusijų skyriuje, toliau optimizuosime plazmoninių nanozildelių matricą, kad maksimaliai sugertų saulės spindulius: ypatingas dėmesys skiriamas dydžio, periodiškumo, kritimo kampo ir poliarizacijos poveikiui. Galiausiai pateikiamos išvados ir būsimi pokyčiai.

Rezultatai

Siūloma struktūra ir modeliavimo metodas

Mūsų siūlomoje plonų plėvelių saulės elementų architektūroje aktyviąją sritį sudaro 300 nm mikrokristalinis silicis, įterptas tarp 100 nm aliuminio, veikiančio kaip galinis elektrodas, ir 1 nm storio daugiasluoksnis grafenas, turintis skaidraus viršutinio laidžiojo sluoksnio funkciją 26 . Grafeno pagrindu pagaminto viršutinio sluoksnio pasirinkimą lemia būtinybė įveikti kai kuriuos klausimus, susijusius su dažniausiai naudojamu indio titano oksidu (ITO): padidėjusios indio sąnaudos dėl jo trūkumo 27 ir jautrumo rūgščiai ir šarminei aplinkai 28 . Be to, grafenas pasižymi puikiomis optinėmis ir elektrinėmis savybėmis, ypač suteikia didesnį pralaidumą platesniame bangų ilgių diapazone, palyginti su ITO 29 . Galiausiai jis pasižymi stipresnėmis mechaninėmis savybėmis tiek, kiek buvo pasiūlyta pakeisti ITO ir kitus skaidrius laidus 30 . Tada rutulio formos aukso nanodalelių dalelės įterpiamos į aktyviojo regiono centrą. Jų schema seka periodiniu kvadratiniu masyvu. Siūlomos architektūros perspektyvinis vaizdas parodytas 2 pav. (A, b). Kiekvieno nano apvalkalo geometriją sudaro dielektrinė šerdis (SiO 2 ), kurios spindulys R1, padengtas aukso metalo (Au) apvalkalu, kurio spindulys R2, kaip parodyta 2 pav. (C). Nanozardelių masyvo laikotarpis žymimas P.

Image

a ) paprastasis stiklas (be aukso nanokratelių) / stiklas / grafenas / μc-Si / Al kaip etaloninė struktūra; b ) dispersinių SiO 2 / Au nanoshells matricų stiklo / grafeno / μc-Si / Al konfigūracijoje. c ) 2-D architektūros skerspjūvis. Manoma, kad artinantis šviesai AM1.5G spektras.

Visas dydis

Svarbu tai, kad siūlomą plokštuminę struktūrą lengvai įmanoma įgyvendinti. Įmanomas ir suprantamas gamybos procesas, kuriuo nanodalelės įdedamos į norimą 2-D geometrinį išdėstymą, apimtų šiuos 31, 32, 33 etapus : pirmiausia mikrokristalinis Si sluoksnis (300 nm) ant aliuminio kolektoriaus nusodinamas žemos temperatūros fizikinių garų pagalba. nusodinimas (PVD), nusodinant cheminiu garų būdu (CVD) arba sustiprinus cheminį nusodinimą plazmoje plazmoje (PECVD) 34, 35 . Po to, naudojant litografiją, sukuriamas norimas geometrinis išdėstymas, o aukso nanoskorpusai dedami kontroliuojamu garinimu ir (arba) trifaziu kontaktinės linijos judėjimu. Išsamų šio žingsnio aprašymą galima rasti nuorodose. 33, 35. Vėliau, valymo būdu atliekant RCA, gamybos proceso liekanos ir nepageidaujamos organinės medžiagos (pvz., Nanosriebalų ligadai) pašalinamos. Galiausiai polikristalinis Si nusodinamas CVD 35, kol pasiekiamas norimas storis.

Mikrokristalinės silicio medžiagos optinės konstantos, ty nuo bangos ilgio lūžio rodiklis n + ik, paimtos iš O. Isabella ir kt. 36, o Al yra paimtas iš Palik 37, o grafeno optinės savybės apibrėžtos remiantis nuorodomis 38, 39. Analogiškai apskaičiuojamos Au apvalkalo optinės konstantos, atsižvelgiant į apvalkalo storį į standartinį Drude-Lorentz formalizmą 40 . Visa sistema apšviečiama iš viršaus linijiškai poliarizuota plokštumos banga, besitęsiančia kampu θ paviršiaus normaliojo paviršiaus atžvilgiu. Visų pirma, bangos ilgis svyruoja nuo 400 nm iki 1100 nm (AM1.5G apšvietimas). Imitacijos buvo atliktos be galo ištiestam kvadratiniam nanolukštelių masyvui, naudojant periodines ribines sąlygas x ir y kryptimis, kaip apibrėžta 2 pav. (C). Vietoj to, buvo naudojamos viršutinės ir apatinės ribos, tiksliai suderintos sluoksnio (PML) sąlygos. Tikimasi, kad užsidegę auksiniai nanodalelės padidins šviesos sugertį, sužadindami įvairius režimus μc-Si aktyviojoje medžiagoje.

Norėdami apskaičiuoti aktyvaus μc-Si sluoksnio absorbcijos efektyvumą ( eff) ( λ ), būtent, jo sugebėjimą sugauti šviesą, mes integravome Poinčio vektoriaus divergenciją

Image
pagal μc-Si tūrį ir normalizavo jį, atsižvelgiant į įėjimo galios srautą P, esant 41, 42 :

Image

kur P abs ( λ ) yra absorbuota galia μc-Si sluoksnyje prieš normalizavimą,

Image
yra bendra kritinė galia, lygi AM1.5G, atsižvelgiant į Žemės paviršių, matomą visuotinę saulės spinduliuotę (žr. 1 pav. (a)), o uca yra vienetinio elemento plotas. Absorbcijos efektyvumas buvo apskaičiuotas dviem konfigūracijoms, tai yra ląstelėms su (2 pav. (B)) ir be jų (2 pav. (A)). Tiesą sakant, rezultatai buvo naudojami įvertinti fotoelemento J enh sustiprėjimą, apibrėžtą kaip 43, 44 :

Image

Bangos ilgio diapazonas nuo 400 nm iki 1100 nm buvo pasirinktas remiantis μc-Si optiniu atsaku, kaip parodyta 1 pav. (A).

Paviršiaus plazma ir optinės metalinių nanorūdelių savybės

Tobulėjant gamybos ir apibūdinimo technikai, buvo sukurti nauji sudėtinių nanodalelių tipai, pasižymintys stipriu optiniu rezonansu. Metaliniai nanokrateliai yra geriausias tokių rūšių sudėtinių nanodalelių pavyzdys45. Kalbant apie fotoelektrinį panaudojimą, nanokrateliai gali būti panaudoti norint padidinti šviesos sugertį į plonasluoksnių saulės elementų puslaidininkių sluoksnį. Kadangi nanokrautuose yra kontroliuojami optiniai rezonansai, jie gali būti naudojami kaip perspektyvios struktūros panaudojant plazmoninius rezonansus fotoelektrinėms reikmėms su stipriai slopinamu parazitų praradimu.

Plasmoniniai rezonansai, sužadinti nanokrautuose, gali būti paaiškinti plazmono hibridizacijos modeliu 46, apibūdinančiu plazmoninių režimų hibridizaciją, palaikomą sąsajose tarp dielektrinės šerdies / metalo apvalkalo ir metalo apvalkalo / aplinkinės terpės. Kai metalinio apvalkalo storis yra pakankamai plonas, abu režimai gali sąveikauti tarpusavyje, todėl jų energijos lygis gali būti padalijamas į simetrišką arba mažos energijos (sukibimo, ω - ) režimą ir antisimetrišką arba didelę energiją (anti-sukibimą)., ω + ) režimas, kaip parodyta 3 pav. (a) schemoje. Iš tikrųjų šių režimų sąveikos stiprumą kontroliuoja metalo apvalkalo sluoksnio storis. Jei metalinio apvalkalo storis yra mažesnis už vidutinį laisvąjį laidžių elektronų kelią (~ 30 nm auksui matomame diapazone), elektronai bus linkę išsibarstyti su metalo paviršiumi. Šis reiškinys verčia pakeisti metalinio apvalkalo 47, 48 leistinumą :

Image

a ) Apskaičiuotas vienos sferinės formos nanodalelės, kurios branduolio spindulys R1 = 50 nm, o Au storis R2 - R1 = 30 nm, ekstinkcijos spektras, įterptas į μc-Si terpę. Stebimos dvi plazmono smailės ilgesniame ir trumpesniame bangos ilgiuose, atitinkamai atitinkamai simetriniame (ω - ) ir antisimetriniame (ω + ) režimuose. Pradėjimas: paviršiaus plazmono rezonanso hibridizacijos modelis nanoskepelyje. Sferos ir ertmės režimai sąveikauja tarpusavyje, sudarydami simetrinius (ω - ) ir antisimetriškus (ω + ) plazmoninius rezonansus. Pliuso / minuso simboliai paveiksle apibūdina krūvio pasiskirstymą. Normalizuota elektrinio lauko norma (| E | / | E | in ) b ) simetriniam režimui ( λ = 930 nm) ir c ) antisimetriniam režimui ( λ = 850 nm). d ) Ekstinkcijos spektrai esant skirtingam apvalkalo storiui su 50 nm spindulio silicio dioksido šerdimi. e ) Ekstinkcijos spektrai, apskaičiuoti esant kintamam šerdies spinduliui, kai apvalkalo storis fiksuotas ties R2 - R1 = 30 nm.

Visas dydis

Image

kur

Image

ir v F yra Fermio greitis (1, 4 × 10 6 ms −1 ) 48, d yra apvalkalo storis, A yra parametras, susijęs su elektronų išsibarstymo kampiniu pobūdžiu, kai yra metalinių nanoskorpusų (paprastai vienybės tvarka) ir Γ birus yra birių susidūrimų dažnis. Ek. (3) pirmasis įnašas yra laisvojo Drude elektronų terminas, kur ω p yra plazmos dažnis. Antrasis terminas apibūdina elektronų tarpbanginius perėjimus, kuriuos galima apibūdinti Lorentzo modeliu 40 :

Image

čia k yra bendras generatorių, kurių dažnis ω i, stipris f i ir eksploatavimo laikas Γ i, bendras generatorių skaičius.

Pirmasis žingsnis link visos dimensijos visos plazmoninės saulės baterijos modeliavimo yra apskaičiuoti vieno silicio dioksido / aukso rutulio nanoskepto optinį atsaką. SiO 2 šerdies leistinumo vertė yra ε c = 2, 25, o Au apvalkalas apskaičiuojamas pagal Eq. (3). Be to, kaip aplinkinė medžiaga buvo pasirinktas μc-Si. Ši paprasta sistema buvo apšviesta tiesiškai poliarizuota plokštumos banga, kurios amplitudė buvo 1 V / m, ir buvo naudojami tobulai suderinti sluoksniai (PML), kad būtų išvengta bet kokio atspindžio nuo sienų į skaičiavimo sritį. 3 pav. (A) parodytas ekstinkcijos spektras iš silicio dioksido / aukso nanoskorpuso, kurio šerdies dydis R1 = 50 nm, o apvalkalo storis R2 - R1 = 30 nm, bangos ilgio intervale nuo 400 nm iki 1100 nm. Ekstinkcijos spektre atsiranda dvi smailės, susietos su lokaliais plazmono rezonansais, sužadintais nanosusteliuose: simetriškos, kai λ = 930 nm, ir antisimetriškos, kai λ = 850 nm. 3 paveiksle (b, c) pavaizduoti atitinkami elektrinio lauko pasiskirstymai, kur pavaizduota amplitudė ir lauko linijos. Svarbu tai, kad pastarasis patvirtina atitinkamai simetrinį ir antisimetrinį ω - ir ω + režimų pobūdį. 3 pav. (D) pavaizduotas tolimas lauko optinis nanoskorpuso atsakas keičiant metalo storį, išlaikant šerdies dydį pastoviu ties R1 = 50 nm. Diagrama rodo plazmoninio rezonanso poslinkį ilgesnių bangų ilgių atžvilgiu, mažinant apvalkalo storį. Panašus efektas gaunamas padidinant nanoskorpuso šerdies dydį, išlaikant pastovų apvalkalo storį (R2 - R1 = 30 nm), kaip parodyta 3 pav. (E). Šie rezultatai leidžia manyti, kad nanokrautukai gali būti labai tinkamos struktūros efektyviam saulės elemento optinio atsako sureguliavimui, kad saulės spinduliuotė būtų geriausia derinti.

Metaliniai nanokrateliai, kaip ir bet kuri plazmoninė struktūra, absorbuojami parazitiškai, ty praranda šilumą metalo viduje esančiuose fotonuose. Tuomet bandoma sumažinti šį žalingą poveikį, kad būtų padidinta fotonų absorbcijos tikimybė aktyviojoje medžiagoje. Tuomet svarbu nepamiršti ir absorbavimo skerspjūvio (kuris turėtų būti sumažintas iki minimumo), ir nanodalelės sklaidos skerspjūvio (kuris turėtų būti maksimalus). 4 (a, b) paveiksle pavaizduota tiek vienos nanodalelės σ sklaida (vientisa linija), tiek σ abs (punktyrinė linija), keičiant jos šerdies spindulį R1 ir metalinio apvalkalo storį R 2 - R 1 plačiame bangų ilgių diapazone, kai μc-Si yra laikoma aplinkine medžiaga. Pasirinktas bangų ilgių diapazonas yra nuo 400 nm iki 1100 nm, atsižvelgiant į μc-Si juostos tarpą (žr. 1 pav. (A)). Visų pirma, rezultatas rodo, kad padidinus metalo storį arba šerdies spindulį, padidėja ir absorbcijos skerspjūvis σ abs (ty parazitiniai nuostoliai) 49, 50 . Galiausiai, padidinus šerdį arba sumažinus apvalkalo storį, atsiranda raudonas poslinkis. Iš šių stebėjimų galime daryti išvadą, kad ir šerdies matmenys, ir apvalkalo storis yra atsakingi už sklaidos ir absorbcijos santykio padidėjimą bei parazito absorbcijos sumažinimą. Visų pirma tikimasi, kad tam tikras šerdies spindulio ir apvalkalo storio derinys turėtų sudaryti idealias sąlygas, kai maksimalus σ išsibarstymas ir σ abs sumažinimas. Pažymėtina, kad skaičiai taip pat parodo, kad nedaug nanometrų pasikeitus nanoskorpuso geometrijai gali reikšti didelį bendro optinio atsako skirtumą. Taigi iš šio rezultato galime daryti išvadą apie nanokratelių naudojimą plazmoninių saulės elementų optiniam atsakui sureguliuoti.

Image

Apskaičiuotas σ išsibarstymas (vientisa linija) ir σ abs (punktyrinė linija) izoliuotiems nanodalelėms, turinčioms du skirtingus metalo šerdies dydžius ( a ) R 1 = 50 nm, ( b ) R 1 = 60 nm. Abiejų šerdžių apvalkalo storis yra įvairus (10 nm, 15 nm, 20 nm). Panašiai pranešama ir σ abs (punktyrinė linija). ( c, d ) parodo artimojo lauko brėžinius, atitinkamai apskaičiuotus esant λ = 550 nm ir λ = 930 nm, kai nanoskepelis, kai R1 = 50 nm, o R2 - R1 = 20 nm. E ) normalizuoto lauko profiliai, apskaičiuoti išilgai punktyrinių linijų ( c, d ). Šešėlinis plotas žymi nanosuktelį. Visais paveikslais pasirinkta aplinkinė medžiaga yra μc-Si.

Visas dydis

Išsprendus parazitų absorbcijos klausimą, svarbus aspektas, į kurį reikia atsižvelgti, yra išsklaidyto lauko erdvinis pasiskirstymas. Tiesą sakant, ideali padėtis yra laukas, daugiausia sutelktas į aktyviąją medžiagą, ir tuo pačiu metu ne per arti elektrodų, kad būtų pakankamai vietos / laiko fotonų eksitono konversijai įvykti. Esant linijiškai poliarizuotam šviesos šaltiniui, SiO 2 / aukso nanoskorpuso sukurtas artimo lauko vaizdas yra pateiktas 4 pav. (C, d). Visų pirma, buvo svarstomas branduolio spindulio R 1 = 50 nm ir apvalkalo storio R 2 - R 1 = 20 nm nanokompresorius. Fig. 4e parodytas atitinkamas normalizuotas elektrinis laukas, apskaičiuotas išilgai punktyrinių linijų, nurodytų 4 pav. (C, d). Šie brėžiniai parodo, kad šviesa linkusi pasitraukti iš nanokrauto į aktyviąją medžiagą esant ne rezonanso sąlygoms (žalia linija), gerai derinant su tolimojo lauko grafikais, pateiktais 4 pav. (A). Tuomet reikia tinkamo nanoskalpelių inžinerijos, kad lauko sustiprinimas būtų kiek įmanoma išplėstas į aktyviąją medžiagą.

Diskusija

Galima optimizuoti įvairius geometrinius parametrus, kad būtų galima optimizuoti įvestų plazmoninių saulės elementų veikimą. Visų pirma, mes parodėme, kaip nanoskalpelių dydis (tiek šerdis, tiek apvalkalas) gali sukelti plazmono rezonansų poslinkį (3 pav.). Be to, 2 pav. Pavaizduota ląstelė parodo įprastą nanodalelių, turinčių atstumą tarp dalelių, modelį P. Šiuo atžvilgiu mes galime tikėtis, kad abipusė nanodalelių sąveika taip pat gali įtakoti ląstelės optines savybes. Galiausiai, be nanosustelio geometrijos ir periodiškumo, bus svarstomas dar vienas parametras: saulės spinduliuotės kritimo kampas.

Absorbcijos efektyvumo A eff (žr. 1 lygmenį) priklausomybė nuo sferinių SiO 2 / aukso nanoskorpusų šerdies dydžio R1 ištirta 5 pav. (A). Visų pirma, šerdies dydis kinta nuo 40 iki 60 nm, o apvalkalo storis laikomas lygus 30 nm, o periodas P palaikomas pastovus 300 nm esant kvadrato formos šablonui. 5 pav. (A) parodytas pagerėjęs šviesos rinkimo pajėgumas, kai nanosukuliai yra įterpti į saulės elementą. Kad būtų galima palyginti bendrą ląstelės veikimą, kai naudojami metaliniai nanodaleliai arba metalinės nanodalelės, 5 pav. (B) buvo nubraižytas apskaičiuotas foto srovės stipris J enh, kai nanokrikštai (mėlyna-kieta kreivė) arba nanodalelės (raudona-kieta kreivė) ) yra laikomi. Rezultatai rodo geresnį visų nagrinėjamų geometrinių parametrų nanoplokštės veikimą. Tiesą sakant, galima pastebėti fotoelektros efektą, kuris yra apie 20%, kai įterpiami nanozildai, kurių šerdies spindulys R 1 = 50 nm, rezultatas yra žymiai didesnis nei geriausias našumas, pasiektas naudojant metalines nanodaleles. Įdomu tai, kad fotoelektrinės plokščiakalnis yra tarp R1 = 45 nm ir R1 = 55 nm, o tai, kalbant apie ląstelių pagaminimą, leidžia atsipalaiduoti. Be to, 5 pav. (B) taip pat parodytas bangos ilgio vidutinis A eff, vidutinio sugerties efektyvumas nanokrautuke / nanodalelėje, apibrėžtame kaip:

Image

a ) Apskaičiuotas absorbcijos efektyvumas, kai bangos ilgis 300 nm μc-Si su įterptu sferiniu silicio dioksido / aukso nanokrautukais, apskaičiuotais skirtingais šerdies spinduliais R1 ir apvalkalo storiu, lygiu 30 nm. linija apibūdina A eff, apskaičiuotą konfigūracijai neturint nanokraučių (stiklas / grafenas / μc-Si / Al, 2 pav., a). ( b ) Apskaičiuotas foto srovės stipris, kai yra nanodalelių (mėlynos spalvos vientisos linijos) arba sferinės aukso nanodalelės ( raudona vientisa linija) yra įterptas į μc-Si sluoksnį. Vidutinis bangos ilgio absorbavimo efektyvumas tiek nanokrautukui (mėlyno taško linija), tiek nanodalelėms (raudonojo taško linijai). Abiem paveikslams ( a, b ) laikotarpis P pasirinktas lygus iki 300 nm, o apvalkalo storis išlaikomas pastovus ties R2 - R1 = 30 nm. ( c, d ) atitinkamai yra apskaičiuota σ sklaida ir σ abs izoliuotam nanokratui, kurio šerdies dydis R1 = 50 nm, apvalkalo storis R 2 - R1 = 30 nm, o aukso nanodalelės R1 = 60 nm.

Visas dydis

Image

Iš paveikslo galima pastebėti, kad nanodalelės ir nanodalelių didžiausio srovės tankio skirtumo srityje absorbcija nanodalelėse yra didesnė nei absorbcija nanokrikštos viduje. Šis rezultatas yra dar įdomesnis, kai palyginami tikrieji abiejų konfigūracijų metalų tūriai: metalo tūris nanosėdelyje yra maždaug 4 kartus didesnis nei metalo tūris nanodalelėse, o tai nepaprastai patvirtina švelninantį poveikį parazitinei nanosruogelių absorbcijai.

5 pav. (C, d) atitinkamai parodytas išsisklaidymo ir absorbcijos skerspjūvis iš izoliuotojo nanoskorpuso, kurio spindulys R1 = 50 nm, o apvalkalo storis R2 - R1 = 30 nm (mėlyna linija), ir iš aukso nanodalelių, kurių spindulys 60 nm (raudona linija). Šie geometriniai parametrai atitinka 5 pav. (B) dabartinio tankio brėžinių maksimumus. Grafikai aiškiai parodo, kad nanokratui būdingas didesnis išsklaidymas ir mažesnė absorbcija (ty parazitinė) nei nanodalelėms. Tai, savo ruožtu, reiškia, kad nanokratukas gali užtikrinti didesnę fotono-eksitono konversijos galimybę, susijusią su mažesniu kaitinimu, būtent geresnėmis fotoelektrinėmis savybėmis nei nanodalelėmis.

Matėme, kad siūlomame projekte parametras J enh vaidina svarbų vaidmenį apibrėžiant labai našias ląsteles. Savo ruožtu tai reiškia konkretų optimalų šerdies spindulį ir apvalkalo storį. Tačiau turime atsiminti, kad dabartinė konfigūracija atsižvelgia į 300 nm storio ląsteles, todėl reikia atkreipti ypatingą dėmesį, kad būtų išvengta artumo efekto tarp išorinio nanoskorpuso sluoksnio ir aktyviosios medžiagos ribų. Tiesą sakant, dėl šios situacijos radiacija galėtų patekti iš nanoskorpuso į išorinę terpę, o tai turėtų neigiamą poveikį tiek absorbcijos efektyvumui A eff, tiek foto srovės stiprinimui J enh .

5 pav. (B) nubraižyta J enh priklausomybė nuo šerdies spindulio R 1, kai apvalkalo storis yra pastovus. Panašiai, 6 pav., Mes ištiriame apvalkalo storio ir laikotarpio P įtaką foto srovės padidėjimui, kai šerdies spindulys laikomas lygus 50 nm. Iš paveikslo galime pastebėti du svarbius aspektus: i) vienatūrį J enh padidėjimą, kai korpuso storis yra iki idealaus maksimumo. Vėliau J enh pradeda mažėti; ii) akivaizdi J enh priklausomybė nuo periodiškumo. Visų pirma, nagrinėjamuose apvalkalo storio ir P intervalų diapazonuose gaunamas maksimalus (brūkšniuotas apskritimas paveikslėlyje) J enh = 15, 89 mA / cm 2, atitinkantis ≈ 20% padidėjimą ląstelės, kurioje nėra įterptų nanoskorpusų, atžvilgiu. esant R2 - R1 ≈ 30 nm ir P ≈ [280–340] nm. Įdomu tai, kad keičiant apvalkalo storį (kaip jau matyti 5 pav. B)) arba ląstelės periodą, galime pastebėti sklandų J enh pokytį. Šis aspektas yra gana svarbus, iš tikrųjų jis užtikrina galimybę pagaminti saulės elementą be būtinybės visiškai kontroliuoti geometrinius parametrus, o tai, savo ruožtu, sumažina sąnaudas.

Image

Sferinio silicio dioksido / aukso nanoskorpo šerdies spindulys R 1 = 50 nm. Punktyrinis apskritimas žymi sąlygas, maksimaliai padidinančias J enh .

Visas dydis

Mes išsiaiškinome, kaip plonasluoksnių saulės elementų su įterptais metaliniais nano apvalkalėliais našumą galima pagerinti suderinus nanoparodų geometrinius parametrus kartu su susijusio masyvo periodu. Iš 6 pav. Mes nustatėme optimalų apvalkalo storį 30 nm ir periodą nuo 280 nm iki 340 nm, kai pasirinktas šerdies spindulys R1 = 50 nm. Šis optimizuotas plonasluoksnių saulės elementų su įterptais rutuliniais nano apvalkalėliais, kuriuose kaip priekinis elektrodas naudojamas grafenas, dizainas gali pagerinti apie 20% fotoelemento foto srovę, palyginti su siūlomos konstrukcijos etalonine struktūra (be nanokraužių).

7 (a) pav. Parodytas optimizuoto projekto, to paties optimizuoto projekto be įterptųjų nanokratelių ir pliko μc-Si substrato, absorbcijos efektyvumas. Akivaizdu, kad naudojant metalinius nanokračius, padidėja absorbcijos efektyvumas visame bangos ilgio diapazone nuo 400 nm iki 1100 nm. Analizuodami artimojo lauko reakciją 7 pav. (B), atitinkančią 7 pav. (A) I – IV viršūnes, galime pastebėti, kad absorbcijos pagerėjimą daugiausia lemia elektrinio lauko padidinimas, susijęs su optiniais atsirandančiais rezonansais. pagal nanoskepelius. Apskritai, ląstelės rezonansus galima suskirstyti į du tipus: Fabry-Perot (FP) ir lokalizuoto plazmono (LP) režimus. Visų pirma, idealūs FP režimai apibūdina šviesos uždarumą, atsirandantį dėl atspindžio tiek iš Al / μc-Si, tiek į grafeno / μc-Si sąsajų, kaip parodyta 7 pav. (C). LP režimo atveju elektrinis laukas yra gana ribotas nanodalelio srityje. Svarbu tai, kad šie du režimai nėra vienas kito stačiakampiai, tai reiškia, kad jie gali egzistuoti kartu, kad sudarytų sudėtingesnį elektrinio lauko modelį.

Image

a ) Apskaičiuotas absorbcijos efektyvumas i) optimizuotam dizainui, sudarytam iš sferinio silicio dioksido / aukso nanozolių, kurių branduolio spindulys R1 = 50 nm, o apvalkalo storis R2 - R1 = 30 nm, įterptas į 300 nm storio μc-Si sluoksnį. Laikotarpis lygus 300 nm (mėlyna linija); (ii) kaip aprašyta aukščiau, be nanokratelių (raudona linija); iii) 300 nm storio μc-Si sluoksnis, apsuptas oro (rausva linija). Atkreipkite dėmesį į plačiajuosčio ryšio sugerties savybes, kurias skatina naudoti nanosukteliai. b ) Normalus optimalios struktūros elektrinio lauko stipris, kai apšvietimas AM1.5G, kai artimoji šviesa poliarizuota išilgai x ir sklinda išilgai z krypties. Laikoma, kad bangos ilgiai, susieti su keturiomis mėlynos kreivės smailėmis, nurodytomis a punkte: (I) λ = 950 nm; (II) λ = 850 nm; (III) λ = 790 nm; (IV) λ = 660 nm. c ) Fabry-Perot režimų vaizdas iš arti esančiame lauke, parodytas ( a ) raudona kreive. Režimai yra gerai ribojami tarp Al ir Grafeno sluoksnių.

Visas dydis

I režimą, susietą su λ = 950 nm, galima apibūdinti keturkojo LP režimu, būtent, šviesos absorbcija μc-Si dažniausiai vyksta aplink nanosustelį. Esant II režimui ( λ = 850 nm), situacija pradeda keistis: kartu su FP režimu galima pastebėti šešiapolį LP režimą, būtent, didesnis absorbcijos tūris μc-Si dalyvauja šviesos sugertyje. Panašus elgesys stebimas ir mažesnių bangų ilgių, III smailės ( λ = 970 nm) ir IV smailės ( λ = 660 nm) atžvilgiu. Galiausiai, smailės V ( λ = 930 nm) ir VI ( λ = 690 nm) gerai apibūdina grynuosius FP režimus, palaikomus be nanokraučio struktūros, kurie, jei konfigūracija yra su įterptaisiais nanokrikštais, prisideda prie I ir I režimų susidarymo. II. Svarbu tai, kad šie rezultatai pabrėžia nanodalelių indėlį į absorbcijos efektyvumą, ypač spektrinėje srityje, kur μc-Si pasižymi mažomis absorbcijos galimybėmis (virš 600 nm).

Plonos plėvelės saulės elementų veikimas atsižvelgiant į kritimo kampą yra labai svarbus klausimas, net jei daug kartų buvo pamiršta. Iš tikrųjų, normali įskaudinimo sąlyga realioje sistemoje atsiranda tik labai trumpą laiką. Šiuo atveju darome prielaidą, kad azimutinis kampas ϕ lygus nuliui, o polinis kampas θ yra nuo 0 ° iki 90 ° (žr. 8 pav. (C)). 8 (a, b) pav. Absorbcijos efektyvumas parodytas λ ir kritimo kampu θ, kai atskirai atsižvelgiama į TE ir TM poliarizacijas. Visų pirma parodyta absorbcijos efektyvumo θ priklausomybė kintant kritimo bangos ilgiui, kai atsižvelgiama į optimalią struktūrą (R1 = 50 nm, R2 - R1 = 30 nm, P = 300 nm). Pastebėta, kad virš 60 ° A efektas smarkiai krinta per visą stebimą spektrinį diapazoną, o du minimumai randami tiesiai virš 800 nm ir 1000 nm, kaip galima tikėtis iš 7 pav. (A) brėžinių.

Image

a ) 300 nm μc-Si plėvelės saulės elementų su įterptais rutuliniais silicio dioksido / aukso nanoskepeliais, kurių šerdies spindulys R 1 = 50 nm, o apvalkalo storis R 2 - R 1 = 30 nm, absorbcijos efektyvumas atsižvelgiant į polinį kampą / bangos ilgį. Parodytos tiek TE (elektrinio lauko // Y), tiek TM (elektrinio lauko // X) poliarizacijos. b ) Saulės elemento schema, vaizduojanti poliarinį ir azimutinį kampus. c ) Vaizdo srovės stiprinimas J enh , palyginti su pamatinėmis konstrukcijomis, apšviestomis AM1.5G (įdėklas: vaizdas iš arti aplink 20 ° polinį kampą). Skaičiuojant buvo atsižvelgiama tiek į TE, tiek į TM poliarizacijas.

Visas dydis

8 pav. (D) vietoje to parodyta fotoelemento srovė, palyginti su poliniu kampu θ. Tokiu atveju TE ir TM poveikis yra sudedamas kartu, taigi gaunamas realistiškesnis rezultatas, primenantis nepoliarizuotą šviesą. Paveikslėlyje parodyta, kad optimali vertė gaunama intervale nuo 20 ° iki 30 °, kur nustatyta 21% padidėjimas. Svarbu tai, kad paveikslas parodo ląstelės sugebėjimą efektyviai rinkti šviesą esant įvairiems kritimo kampams (0 ° –50 °), o tikrasis efektyvumo kritimas prasideda nuo 60 °. Šis puikus rezultatas atskleidžia, kad ląstelių absorbcijos efektyvumas nėra jautrus kritimo kampui, todėl jis yra tinkamesnis tikriems prietaisams.

Išvada

Norėdami realizuoti ir optimizuoti plačiajuosčio ryšio absorbciją, mes pasiūlėme μc-Si plonasluoksnių saulės elementų projektavimo strategiją, pagrįstą reguliariai įterptais sferiniais silicio dioksido / aukso nanosakeliais. Nanokrateliai buvo panaudoti siekiant sulaikyti šviesą išlaikant mažus parazitinius nuostolius. Atliktas išsamus geometrinių parametrų, tokių kaip šerdies skersmuo ir metalo storis, vaidmuo nanosoduose ir ląstelių periodiškumas. Rezultatai rodo, kad suderinus šiuos parametrus galima pasiekti optimalų foto srovės padidėjimą apie 21%, tačiau išsaugant tvirtą ląstelės optinį atsaką. Be to, būdo analizė parodė, kad į Fabry-Pérot ir plazmoninius režimus derinys yra atsakingas už padidėjusį plazmoninės ląstelės efektyvumą. Visų pirma, buvo parodyta, kaip svarbūs vaidmenys yra nanosodelių apvalkaluose, ypač esant ilgiems bangų ilgiams, kai veikliosios medžiagos absorbcija yra mažiausia. Galiausiai buvo ištirtas ląstelės optinis veikimas keičiant įeinantį kampą. Rezultatai rodo, kad virš 60 ° absorbcijos efektyvumas greitai sumažėja, o jis yra maždaug pastovus nuo normalaus kritimo iki 50 °, taigi, rodo šio požiūrio įgyvendinamumą, ypač realiame įrenginyje.

Žvelgiant iš perspektyvos, nanosėdelių įdėjimo į aktyviąją medžiagą koncepcija, žinoma, neapsiriboja μc-Si, kuris buvo pasirinktas kaip reprezentacinė medžiaga. Indeed, other kinds of active materials can be chosen, such as a-Si:H, crystalline silicon, gallium arsenide, in fact this technique can be thought to be extended even to multi-junction solar cells 51 .

Papildoma informacija

How to cite this article : Raja, W. et al. Broadband absorption enhancement in plasmonic nanoshells-based ultrathin microcrystalline-Si solar cells. Mokslas. Rep. 6, 24539; doi: 10.1038/srep24539 (2016).

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.