Промышленное производство
Промышленный Интернет вещей | Промышленные материалы | Техническое обслуживание и ремонт оборудования | Промышленное программирование |
home  MfgRobots >> Промышленное производство >  >> Industrial materials >> Наноматериалы

Плазмонно-усиленное поглощение света в (p-i-n) переходных GaAs-нанопроводных солнечных элементах:исследование метода моделирования FDTD

Аннотация

Разработан метод конечных разностей во временной области для исследования плазмонного усиления поглощения света от вертикально ориентированных массивов нанопроволок GaAs, украшенных наночастицами Au. Вертикально ориентированные нанопроволоки GaAs длиной 1 мкм, диаметром 100 нм и периодичностью 165–500 нм функционализированы наночастицами Au диаметром от 30 до 60 нм, нанесенными на боковые стенки нанопроволок. Результаты показывают, что металлические наночастицы могут улучшать эффективность поглощения за счет своих плазмонных резонансов, наиболее существенно в пределах ближней запрещенной зоны GaAs. За счет оптимизации параметров наночастиц достигается увеличение поглощения почти на 35% на длине волны 800 нм. Последнее увеличивает вероятность генерации большего количества электронно-дырочных пар, что приводит к увеличению общей эффективности солнечного элемента. Предлагаемая структура представляет собой многообещающую комбинацию материалов для высокоэффективных солнечных элементов.

Введение

В поисках возобновляемых источников энергии традиционные тонкопленочные фотоэлектрические элементы (ФЭ) оказались многообещающими кандидатами в коммерчески жизнеспособные источники [1, 2]. Однако недостаток материала, в том числе дислокации, и плохое поглощение тонкой пленки создают серьезные ограничения на производительность таких фотоэлементов [3]. Чтобы преодолеть эти ограничения, значительные усилия по исследованиям и разработкам были направлены на новые появляющиеся фотоэлектрические технологии [4,5,6,7,8,9,10,11]. Эти технологии могут подорвать и заменить преобладающий рынок традиционных фотоэлектрических систем в будущем за счет использования передовых методов поглощения света [12,13,14]. В этом контексте было обнаружено, что плазмонные металлические наночастицы (НЧ) и их оксиды, как в случайном, так и в периодическом распределении, усиливают генерируемый фототок в сочетании с фотодиодами [15, 16], фотодетекторами [17, 18], конструкцией солнечных элементов. [10, 11, 19, 20, 21, 22] и гибридные органические солнечные элементы [23, 24].

В поисках инновационного подхода к уменьшению размера и стоимости солнечных фотоэлектрических элементов наностержни и / или нанопроволоки (НН) в последние годы привлекли большое внимание ученых как новые интересные строительные блоки солнечных структур [25, 26]. Их захватывающие оптические и электрические свойства, такие как высокий коэффициент поглощения, прямая запрещенная зона, более быстрое разделение носителей заряда и более высокая поперечная проводимость, чем у трехмерного кристалла, привели к повышению солнечной эффективности [27, 28]. Многие из полупроводниковых нанопроволок III – V обладают впечатляюще высокой подвижностью носителей для высокоскоростных устройств [29] и гибкой электроники [30,31,32]. Ожидается, что в сочетании с плазмонными НЧ способность захвата света внутри этих одномерных ННК будет улучшена. Как правило, миниатюризация конструкции солнечных элементов приводит к смещению спектров поглощения и флуоресценции в нанопроволоках, что указывает на генерацию множественных локализованных экситонных состояний [33]. Несмотря на большое количество литературных публикаций, исследования комбинаций материалов с плазмонными полупроводниковыми ННК в качестве активных систем исследовались редко, тем более в полупроводниковых структурах ННК на основе AIIIBV. Несколько научных экспериментов было выполнено с использованием плазмонно-усиленных солнечных элементов III – V NW [34,35,36].

В текущем исследовании метод моделирования во временной области (FDTD) (пакет программ Lumerical) используется для исследования влияния плазмонов на оптический отклик осевых p-i-n-переходов нанопроволок арсенида галлия (GaAs NW) на основе структур солнечных элементов. Мы оптимизировали характеристики солнечной конструкции, применив различные NW D / P Рацион декорирован различными наночастицами Au размером от 30 до 60 нм. Наша цель - оценить электромагнитные поля (ЭМ-поля), которые обеспечивают сильную световую связь, с использованием метода захвата света с усилением плазмонов возбуждения. При этом используется включение металлических наночастиц Au, которые обладают относительно стабильными оптическими свойствами, для обеспечения света и, таким образом, повышения эффективности ячейки. Новизна данной работы заключается в параллельной реализации эффективного и практичного метода, который может облегчить изготовление высокоэффективных GaAs NW солнечных элементов. Прогресс нашей работы заключается в том, что особое внимание уделяется областям, где электромагнитное поле сильно сконцентрировано на границах раздела двух смежных комбинаций NP-NW.

Материалы и методы

На рис. 1а, б показаны иллюстрации предлагаемой нами структуры солнечного элемента с плазмонной нанопроволокой из GaAs. Каждая ячейка содержит периодический массив NW, из которого показан единственный NW. Структура состоит из периодических нанопроволок GaAs с p-i-n-переходом диаметром ( D =100 нм) и периодичность ( P =100–500 нм), боковая поверхность которого декорирована наночастицами золота (НЧ Au) диаметром от 30 до 60 нм (рис. 1а). Общая длина нанопроволок была оптимизирована ( L =1 мкм), чтобы уменьшить темновой ток, который зависит от длины ННК. В текущем исследовании нанопроволоки GaAs моделируются в подстилающей подложке GaAs. Для всех выполненных симуляций наночастицы золота включены в структуру солнечных элементов NW на боковой стенке NW в виде равномерно распределенного массива, так что свет попадает в NW со всех направлений, как показано на рис. 1b. НЧ золота диаметром от 30 до 60 нм включены в структуру солнечного элемента с ННК. Моделирование выполняется с периодическими граничными условиями в x - г направления для обеспечения периодичности всей конструкции. Кроме того, область моделирования закрыта сверху и снизу оптически подходящим прозрачным слоем, позволяющим отраженному и проходящему свету выходить из объема моделирования. Мониторы отражения и пропускания расположены сверху и снизу GaAs ННК соответственно. Чтобы гарантировать согласованные результаты, количество мощности, передаваемой через мониторы мощности, нормализуется к мощности источника для всего диапазона смоделированных длин волн. Кроме того, солнечный осветитель AM1.5G используется для представления падающего сверху света и устанавливается параллельно оси GaAs NW (in- z направление). Используется плоская волна падающей мощности с длинами волн от 300 до 1000 нм, перекрывающая диапазон поглощения материала GaAs. Критические параметры материала для моделирования структуры, такие как минимальная подвижность, время жизни СРГ, эффективная плотность состояний, коэффициент Оже, скорость поверхностной рекомбинации и дисперсионные свойства GaAs, в основном были взяты из литературы [37, 38]. Электрическое моделирование было частично выполнено с использованием программы решения электромагнитных волн Sentaurus (EMW) и S -пакеты модулей решателя, учитывающие основные физические свойства GaAs. Профили оптической генерации интегрируются в сетку конечных элементов ННК в электрическом инструменте.

а Структура плазмонного солнечного элемента с нанопроволокой из GaAs, декорированного наночастицами Au в трехмерном и b смоделированная структурная единица солнечного элемента с плазмонной нанопроволокой из GaAs. Вставки представляют собой вид сверху одиночной нанопроволоки GaAs, украшенной наночастицами Au (вверху) и p - я - нет наноструктура перехода (внизу)

Результаты и обсуждение

Оптимальный выбор геометрии СЗ или отношения диаметра насыпи к периодичности ( D / P ratio) обеспечивает высокоэффективное поглощение солнечного элемента. Поэтому мы оптимизировали D / P отношение NW путем оптического моделирования для достижения наилучших характеристик оптического поглощения в солнечном элементе с массивом нанопроволок GaAs с p - я - нет соединение. На рисунке 2 показана полная поглощенная мощность голого нанопроволока GaAs длиной ( L =1 мкм) и диаметром ( D =100 нм), с разной периодичностью от 165 до 500 нм и соотношением сторон от 0,6 до 0,2. Из рис. 2 видно, что для длин волн 300–600 нм эффективность поглощения ННК поддерживается выше 90% во всех моделях, независимо от ННК D / P соотношение, которое намного выше, чем для тонких пленок материала. Для Северо-Западного D / P При соотношении 0,2 (сплошная линия) резкое уменьшение поглощения происходит при энергиях фотонов, меньших, чем соответствующая ширина запрещенной зоны для голых GaAs ННК. От 600 нм до длины волны, близкой к ширине запрещенной зоны, рис. 2 показывает, что на поглощение ННК сильно влияет увеличение D / P соотношение. Наилучший спектр поглощения был получен при D / P коэффициент 0,6 (полые кружки). Поскольку периодичность СЗ уменьшается с увеличением D / P На рис. 2 показано, что эффект улавливания света ННК резко уменьшается на длине волны, близкой к ширине запрещенной зоны, для меньших ННК D / P соотношения. В литературе показано, что D / P соотношение играет важную роль в поглощении GaAs ННК [34,35]. Расчеты FDTD показывают, что оптическое поглощение ННК зависит от геометрических параметров, таких как диаметр ННК, длина и более D / P соотношение. Однако в сочетании с металлическими НЧ поглощение ННК с более низким D / P соотношение на длине волны около запрещенной зоны улучшается более значительно, чем при более высоком NW D / P соотношение. Воодушевленные этим наблюдением, мы выполнили оптическое моделирование для наших структур GaAs ННК, включающих НЧ разных размеров при меньших D / P соотношения 0,2 и 0,3 соответственно. В качестве типичного примера на рис. 3 показана рассчитанная полная мощность поглощения для GaAs ННК при D / P соотношение 0,2, включенное с различными диаметрами Au-NP 30 нм (закрашенные точки), 40 нм (закрашенные квадраты), 50 нм (закрашенные треугольники) и 60 нм (полые кружки), соответственно. Для сравнения также нанесено поглощение голой ННК (сплошная линия). Из рис. 3 можно сделать вывод, что, когда вводятся наночастицы золота, усиление поля в зависимости от размера наночастиц в пределах северо-западной части хорошо установлено. Вероятно, это связано с резонансным взаимодействием свободных электронов проводимости, называемых плазмонами, которое приводит к усиленному поглощению внутри ННК. Мы обнаружили, что по мере увеличения размера встроенных наночастиц поглощение наночастиц эффективно увеличивается, наиболее значительно при длине волны света над режущей кромкой от 650 нм до длины волны, близкой к ширине запрещенной зоны, равной 800 нм. Наилучшее поглощение в ННК достигается при включении НЧ Au диаметром 60 нм. С другой стороны, на коротких длинах волн 300–400 нм моделирование показывает умеренное падение характеристик поглощения почти на 20–30% после включения полноразмерного диапазона наночастиц Au. Кроме того, происходит резкое уменьшение мощности поглощения на длинах волн, соответствующих плазмонному резонансу внедренных НЧ Au (длины волн 440–470 нм). Вероятно, это связано с локализованными поверхностными плазмонными резонансами (LSPR), ограниченными внутри НЧ. Затем мы исследовали распределение поля внутри ННК на длине волны около запрещенной зоны 800 нм, где оптическое поглощение ННК эффективно усиливается поверхностными плазмонами. Мы сравнили распределение света внутри структуры ННК до и после декорирования ННК НЧ Au, как показано на Рис. 4. На последнем изображении показан вид сверху двумерного распределения интенсивности в x - г плоскости над поперечным сечением GaAs ННК, полученным с помощью верхних мониторов моделирования электрического поля | E | (а) и полная поглощенная мощность (б) на длине волны 800 нм до и после декорирования наночастицами золота диаметром 30, 40, 50 и 60 нм соответственно. Цветная полоса показывает нормированную на максимальное значение напряженность поля. Из результатов видно, что для малых размеров НЧ захваченное электрическое поле относится к моде локализованных поверхностных плазмонов низкого порядка, в то время как с увеличением диаметра НЧ возбуждается мода более высокого порядка. Из рис. 4 видно, что световая связь от НЧ Au в x -направление в соседние ННК GaAs становится очевидным и наиболее очевидным при увеличении размера включенных НЧ Au. Напротив, не обнаружено никакого эффекта усиления поля и / или светового взаимодействия в NW со стороны NP в y -направление. Коллективные колебания НЧ, по-видимому, сосредоточены в прямом и обратном направлениях НЧ, а не на взаимодействии с НЧ. Когда D / P коэффициент заполнения ННК увеличен до 0,3 (рис.5), а наночастицы золота диаметром 40 нм (закрашенные кружки), 50 нм (закрашенные треугольники) и 60 нм (полые кружки) включены, соответственно, общая эффективность поглощения NW остается выше 95% для различных размеров включенных NP. По сравнению с рис. 3, небольшое снижение эффективности поглощения наблюдается для длин волн, соответствующих плазмонному резонансу внедренных НЧ в диапазоне 440–470 нм. По мере увеличения размера включенных наночастиц золота поглощение наночастиц эффективно увеличивается, и снова наиболее значительно между длинами волн 650 нм - вплоть до края запрещенной зоны GaAs. Более того, наилучшее поглощение NW обнаруживается при включении Au NP диаметром 60 нм. Результаты моделирования на рис. 3, 4 и 5 убедительно свидетельствуют о том, что включение НЧ Au в ННК приводит к значительному усилению поглощения ННК GaAs даже при малых D / P соотношения, при которых поглощение голых ННК ниже, чем ожидалось. LSPR, возникающий на поверхности наночастиц Au, вероятно, является основным источником усиленного локального поля внутри выровненных нанокристаллов GaAs. LSPR сильно зависит от размера, формы наночастиц и свойств окружающего материала [13]. Чтобы более подробно прояснить усиленное плазмонами поглощение ННК, мы исследовали усиление поля ННК GaAs при декорировании одной НЧ диаметром 60 нм, что дало наилучшие результаты. Мы установили периодичность NW равной 0,2 и выбрали три типичных длины волны света:450, 600 и 800 нм. На этих длинах волн украшение NP, вероятно, влияет на поглощение NW. Мы сравнили распределение света внутри структуры ННК до и после декорирования НЧ, как показано на рис. 6a – h. На рис. 6а показан вид сбоку напряженности двумерного электрического поля на длине волны 450 нм для чистого GaAs ННК, рассчитанный с помощью FDTD. Как можно видеть, светораспределение голого НП на рис. 6а показывает хороший профиль поглощения в верхней, средней и нижней частях НП. С другой стороны, моделирование ННК GaAs с добавлением золота на рис. 6б показывает небольшое влияние на поглощение ННК, т.е. падающий свет практически не поглощается по всей длине ННК. Слабый E -распределение поля в северо-западном направлении указывает на плохое поглощение света. Кроме того, световое поле больше сосредоточено вокруг НЧ Au, чем внутри СЗ. Вероятно, это связано с меньшим коэффициентом экстинкции возбужденного ЛППР в ближней зоне [15]. На рисунке 6в показано распределение света для чистого GaAs на длине волны 600 нм. Рисунок показывает, что большая часть падающего света поглощается в верхней половине GaAs ННК. После декорирования наночастицами золота на рис. 6d показан улучшенный профиль поглощения по сравнению с рис. 6b. Небольшая часть E-поля равномерно распределена с более высокой интенсивностью по всей длине Северо-Запада с тенденцией к концентрации в верхней части Северо-Запада. Более того, рис. 6d показывает, что передача возбуждения является доминирующей внутри НЧ. На длине волны 800 нм поглощение чистого НП показывает однородное распределение поля сверху, посередине и внизу всего НП, как показано на рис. 6e. С другой стороны, поглощение ННК значительно усиливается после украшения Au-NP, а интенсивность поглощенного поля внутри GaAs ННК остается почти неизменной от верха к низу ННК (рис. 6f). Более того, хорошо видно концентрированное поле вокруг НЧ. На рис. 6g и h показан вид сверху распределения 2D E-поля внутри GaAs NW на длине волны 800 нм, как показано на рис. 6e и f соответственно. Учитывая, что наше исследование сосредоточено только на украшении GaAs ННК Au НЧ, по сравнению с опубликованными литературными результатами [34], наши результаты показывают, что металлические НЧ действительно улучшают поглощающую способность GaAs ННК даже при более низких D / P соотношение, то есть 0,2. Улучшение наших результатов заключается в возможности дальнейшего увеличения поглощения ННК на более высоких длинах волн, то есть 600 и 800 нм.

Полные характеристики поглощения GaAs ННК с различными D / P соотношения без включения металлических наночастиц Au

Полная эффективность поглощения GaAs ННК с D / P коэффициенты 0,2 ( a ) включенные с различными размерами наночастиц золота от 30 до 60 нм в диаметре по сравнению с чистыми наночастицами

Вид сверху на двумерное распределение света; а расчетная потребляемая мощность; б нанопроволока GaAs после включения наночастиц Au диаметром 30, 40, 50 и 60 нм, рассчитанная методом FDTD при длине волны света 800 нм по сравнению с голым GaAs NW

Полная эффективность поглощения GaAs ННК с D / P коэффициент 0,3, включенный с различными размерами наночастиц золота от 40 до 60 нм в диаметре, по сравнению с чистыми наночастицами

Вид сбоку на двумерное распределение света для голой нанопроволоки GaAs на длинах волн a 450, c 600 и e 800 нм по сравнению с ННК GaAs, украшенной 60 НЧ Au ( b ), ( d ) и ( f ). Цифры g и h показать вид сверху с рисунков ( e ) и ( f ) соответственно

Чтобы завершить набор для анализа, общая поглощенная мощность внутри GaAs NW рассчитывается после декорирования Au NPs диаметром 60 нм на трех длинах волн разрезающего света 450, 600 и 800 нм (рис. 7a-f). Опять же, для сравнения включена общая поглощенная мощность для чистого ННК на этих трех длинах волн света. Из рис. 7a – f можно сделать вывод, что повышенная поглощенная мощность наблюдается в пределах ННК после декорирования НЧ Au, особенно на более высоких длинах волн 600 и 800 нм, по сравнению с ННК GaAs без покрытия. Наилучшая поглощенная мощность обнаружена для ННК, декорированной GaAs-Au, на длине волны 800 нм (рис. 7f). Для последнего распределение поглощенной мощности сильно увеличивается в верхней половине GaAs NW, что согласуется с предыдущими результатами на рис. 3. На рис. 7g, h показан вид сверху 2D E -поле внутри GaAs ННК при 800 нм, как показано на рис. 7e, f соответственно. Эти результаты моделирования показывают, что концентрация света из-за возбуждения LSPR вокруг Au NP приводит к усилению локализованных фототоков в GaAs NW, что позволяет им служить в качестве эффективных наноразмерных антенн передачи энергии для падающего света. Чтобы получить более полное представление об эффективности поглощения нанопроволок, были рассчитаны данные поперечного сечения экстинкции (поглощение + рассеяние) GaAs ННК до и после декорирования наночастицами Au 60 нм. На рис. 8а, б показано сечение оптической экстинкции для голых нанопроволок GaAs (а) и нанопроволок, декорированных золотом (б), при перпендикулярном освещении. На рис. 8а показано максимальное поглощение голой ННК на длине волны около 400 нм. Последнее хорошо объясняет, что GaAs-ННК являются хорошими поглотителями в УФ-области ЭМ-спектра. Кроме того, в коэффициенте экстинкции на рис. 8а преобладает поглощение ННК, а рассеяние света минимально. На рисунке 8b показано сечение моделирования оптической экстинкции ННК GaAs, декорированной НЧ Au диаметром 60 нм. Как можно видеть, способность GaAs NW улавливать свет показывает два следующих пика поглощения:(1) в ближней инфракрасной области; поглощение ННК составляет ~ 8% на длине волны 650 нм. Предположительно, это LSPR, ограниченные боковой стенкой вокруг северо-западного направления; (2) В дальней зоне поглощение ННК составляет ~ 35% на длине волны ~ 800 нм при сохранении более высокого коэффициента оптической экстинкции. Сравнивая рис. 8a, b, можно сделать вывод, что оптическое сечение эффективно увеличивается. Легко заметить увеличение оптического сечения на порядок. Затем исследуются оптическая генерация и эффективность фотопреобразования нашей структуры солнечных элементов до и после декорирования наночастицами. На рис. 9а показана эффективность структуры солнечного элемента NW с (красная линия) и без декорирования наночастицами Au (черная линия) при освещении AM 1.5G. Отчетливо наблюдается повышенный фототок в результате декорирования НЧ Au. Напряжение холостого хода ( В oc ) немного увеличивается с 0,878 (для голых ННК) до 0,899 (для декорированных ННК). Кроме того, плотность тока короткого замыкания ( Дж sc ) резко возрастает с 18,9 (для неизолированных NW) до 24,3 мА / см 2 (для декорированных ЯО). На рисунке 9b показано возрастание эффективности фотопреобразования с увеличением D . / P коэффициент (максимум 0,6). На рисунке показано, что эффективность фотопреобразования увеличивается с увеличением D / P до значений от 0,5 до 0,6, выше которых достигается стабильность эффективности фотопреобразования. Предположительно это связано с тем, что падающий свет в полном диапазоне длин волн может поглощаться нанопроволокой GaAs, если D / P соотношение достаточно велико. Более того, отражение увеличивается при высоких D / P соотношения, которые уменьшили бы эффективность поглощения. Из рисунка видно, что эффективность новой конструкции повышается в 24 раза с 12,96 до 16,92%, когда D / P коэффициент равен 0,4. Поскольку эффективность фотопреобразования, по-видимому, зависит от многих факторов, из наших результатов можно предположить, что улучшение плотности фототока связано с включением НЧ Au в наши структуры ННК. Последний предоставляет метод улучшения захвата света при более низких D / P соотношения материала GaAs ННК. Наше исследование, объединяющее LSPR с массивами нанопроволок, оба из которых имеют очевидное влияние на захват света, дает представление о дальнейших исследованиях по повышению эффективности использования солнечной энергии и может снизить стоимость солнечных элементов при дальнейшей оптимизации.

Вид сбоку двумерного распределения мощности поглощения в голом GaAs на длинах волн a 450, c 600 и 800 нм e по сравнению с ННК GaAs, декорированной NPS ( b ), ( d ) и ( f ). Изображения g и h показать вид сверху из изображений ( e ) и ( f ) соответственно

Сечения поглощения, рассеяния и экстинкции (поглощение + рассеяние) для чистого GaAs ННК a при перпендикулярном освещении и b для СЗ, украшенных 60 НЧ Au (максимум 26 НЧ), соответственно

а Сравнение I - V характеристики между голыми ННК и ННК с наночастицами Au 60 нм; б эффективность фотопреобразования ННК с различным D / P украшен наночастицами Au размером 60 нм

Вслед за поглощением света мы выдвинули три возможных механизма плазмонного усиления в ННК, используя (1) рассеяние падающих фотонов, (2) перенос носителей заряда и (3) усиление ближнего поля. Учитывая механизм (1), наши НЧ диаметром 60 нм имеют достаточно большой объем, чтобы эффективно рассеивать свет. Это связано с тем, что интенсивность рассеянного света изменяется в шестой степени диаметра частицы [39]. В этом отношении плазмонные НЧ действуют как наноотражатели для падающих фотонов в прямом и обратном направлениях за счет механизмов поглощения и переизлучения [40]. Последнее приводит к удлинению среднего пути фотона, что приводит к увеличению скорости захвата падающих фотонов. Что касается механизма (2), то в комбинации плазмонный полупроводник-ННК барьер Шоттки, локализованный на границе раздела, блокирует перенос электронов от НЧ к ННК и наоборот. Однако, если поглощенная энергия горячих электронов при LSPR-возбуждении металлических НЧ достаточна, электроны могут преодолеть барьер и инжектироваться в зону проводимости ННК. На этом изображении механизм (2) способствует плазмонному усилению поглощения света внутри вертикально ориентированной нанопроволоки GaAs. Кроме того, падающий свет поглощается в подходящем спектральном диапазоне с одновременным перекрытием LSPR, а энергия запрещенной зоны может по существу запускать возбуждение запрещенной зоны полупроводника. С этой точки зрения, повышенная скорость электронно-дырочной генерации может быть достигнута в ННК-полупроводнике, подвергающемся действию электрического поля по механизму (3). Более того, иммобилизация НЧ Au в контакте с полупроводниковой ННК часто может способствовать разделению зарядов при генерации электронно-дырочных пар, поскольку уровни Ферми плазмонных НЧ намного ниже, чем уровни на краях зоны проводимости полупроводников [41]. . Поскольку механизм инжекции горячих носителей требует, чтобы металлические НЧ и ННК находились в предельном контакте, было обнаружено, что генерация носителей в полупроводнике усиливается за счет LSPR металла даже при электрической изоляции [42,43,44 , 45,46,47,48,49,50]. Вблизи НЧ наблюдается сильное электрическое поле; интенсивность которого на несколько порядков превышает интенсивность падающего дальнего поля [41]. Последнее было наглядно продемонстрировано в исследовании оптического моделирования с использованием метода конечных разностей во временной области (FDTD) [51].

Выводы

Таким образом, представлена ​​новая структура солнечных элементов, усиленных плазмонами, на основе массива нанопроволок GaAs, украшенных наночастицами Au. Результаты поглощения ННК GaAs оцениваются для диаметра ННК ( D =100 нм), ( L =1 мкм) и ( D / P =0,2–0,6). Наш расчет показывает, что лучшая поглощенная мощность для GaAs ННК занимает ~ 35% на длине волны ~ 800 нм при декорировании наночастицами Au 60 нм, что намного выше, чем у тонких пленок. Более того, моделируемая оптическая генерация в нанопроволоке GaAs сосредоточена в верхней половине нанопроволоки, в которой преобладает перенос возбуждения. LSPR, возникающий на поверхности наночастиц Au, считается основным источником усиленного локального поля внутри ориентированных нанопроволок GaAs. Концентрированный падающий свет приводит к увеличению скорости генерации электронно-дырочных пар в нанопроволоках, тем самым повышая общую эффективность солнечного элемента. Структура хорошо объясняет, что нанопроволоки GaAs являются хорошими поглотителями в УФ-области ЭМ-спектра. Наше исследование, объединяющее LSPR с массивами нанопроволок, обеспечивает захватывающий инструмент для дальнейших исследований по снижению стоимости солнечных элементов.


Наноматериалы

  1. Солнечный элемент
  2. Нанодеревья для сенсибилизированных красителем солнечных элементов
  3. Высокоэффективные графеновые солнечные элементы
  4. Нано-гетеропереходы для солнечных элементов
  5. Краткий отчет о достижениях высокоэффективных перовскитных солнечных элементов
  6. Синтез нанокристаллов ZnO и применение в инвертированных полимерных солнечных элементах
  7. Численное исследование эффективного солнечного поглотителя, состоящего из металлических наночастиц
  8. Последовательно выращенный из пара гибридный перовскит для плоских солнечных элементов с гетеропереходом
  9. Влияние различных морфологий CH3NH3PbI3 на фотоэлектрические свойства перовскитных солнечных элементов
  10. Оптимизация солнечных элементов с решеткой с нановолоконным GaAs с использованием гетеропереходов AlGaAs / GaAs