Фотоэлектрические характеристики солнечного элемента с гибридной матрицей на основе нанопроводов и квантовых точек

Фон

Включение квантовых точек (КТ) в солнечные элементы было предложено как многообещающий способ повышения эффективности преобразования устройств [1, 2]. Введение квантовых точек в активную область солнечного элемента позволяет спроектировать эффективную запрещенную зону материала и расширить спектр поглощения [3,4,5,6]. Это может быть использовано для усиления фототока однородного солнечного элемента [7,8,9] или для формирования изолированной промежуточной полосы в запрещенной зоне материала-хозяина для поглощения фотонов с энергией ниже запрещенной зоны материала-хозяина [10,11,12 , 13]. Однако, чтобы превзойти эффективность обычных устройств, необходимо значительно улучшить поглощение, вызванное квантовыми точками. Это может быть достигнуто за счет увеличения количества квантовых точек, увеличения оптического поглощения или комбинации того и другого [14]. В последние годы привлекательная структура была изготовлена ​​путем выращивания квантовых точек Странского-Крастанова (СК) на боковых стенках нанопроволок (ННК), что предлагает инновационный подход к объединению преимуществ двух типов наноструктур [15,16,17, 18,19]. Многослойные КТ могут быть выращены на боковых стенках ННК, что существенно увеличивает количество КТ, в то время как вертикально ориентированный массив ННК может значительно увеличить поглощение КТ благодаря отличной способности улавливания света [20,21,22,23,24 ]. Таким образом, ожидается, что фототок, вносимый КТ в массив гибридных наноструктур ННК / КТ, будет больше, чем в тонкопленочных структурах КТ. Более того, гибридная структура NW / QD может быть изготовлена ​​на недорогих кремниевых подложках, что делает ее перспективной для недорогих и высокоэффективных солнечных элементов [25]. Хотя изготовление и оптические свойства гибридных наноструктур NW / QD широко освещаются, характеристики солнечных элементов на основе гибридных структур еще не исследованы.

В этой статье представлено сопряженное оптоэлектронное моделирование для исследования фотоэлектрических характеристик гибридного солнечного элемента GaAs / InAs NW / QD. Рассматриваемая структура состоит из вертикально ориентированного массива НП, каждая из которых содержит пять слоев квантовых точек, расположенных перпендикулярно оси роста НП. Как квантовые точки, так и смачивающие слои (WL) способствуют поглощению фотонов в субзонной зоне, расширяя спектр поглощения до 950 нм. Каждая ННК состоит из радиального пин-перехода со всеми слоями КТ, расположенными во внутренней области. Сначала проводится сравнение спектров поглощения света между решетками ННК с КТ и без них с использованием трехмерного моделирования с конечными разностями во временной области (3D-FDTD). Рассчитаны также спектры поглощения их тонкопленочных аналогов. Затем профили фотогенерации включаются в электрические модели для расчета плотности тока в зависимости от напряжения ( I - V ) характеристики. Результаты показывают, что как в решетке NW, так и в тонкопленочных солнечных элементах включение квантовых точек может увеличить ток короткого замыкания ( Дж _sc ) за счет увеличения поглощения света; однако вырождение напряжения холостого хода ( В _oc ) происходит одновременно. Общее повышение эффективности преобразования энергии, вызванное квантовыми точками в солнечных элементах массива NW, в шесть раз выше, чем повышение эффективности в тонкопленочных солнечных элементах, которые содержат такое же количество квантовых точек, что указывает на то, что структура массива NW может улучшить фотоэлектрические характеристики солнечных элементов с квантовыми точками.

Методы

В нашем предыдущем исследовании [15] изготовление гибридных структур NW / QD было реализовано с использованием системы газофазного осаждения металлоорганических соединений (MOCVD) Thomas Swan Close Coupled Showerhead (CCS). Триметилгаллий (TMGa), триметилиндий (TMIn) и арсин (AsH ₃ ) использовались в качестве прекурсоров. Носителем был водород. Подложка из GaAs с покрытием Au была загружена в реактор MOCVD и отожжена в атмосфере AsH ₃ . окружающей среды для образования частиц сплава Au-Ga в качестве катализатора. Сначала выращивались ННК GaAs, а затем осаждалась первая оболочка КТ InAs путем выключения TMGa и повышения температуры. После роста слоя квантовых точек InAs на квантовых точках InAs выращивалась промежуточная оболочка из GaAs радиально. Многослойные структуры квантовых точек были реализованы путем повторения комбинации квантовых точек InAs и спейсерной оболочки из GaAs в течение определенного времени.

Схема гибридного солнечного элемента NW / QD представлена ​​на рис. 1a. Устройство состоит из периодических гибридных структур GaAs / InAs NW / QD. Каждая ННК содержит радиальный контактный переход с пятью слоями КТ, расположенными перпендикулярно оси роста ННК во внутренней области, как показано на рис. 1б. Концентрация легирования оболочки p-типа и сердцевины n-типа составляет 3 × 10 ¹⁸ и 1 × 10 ¹⁸ см ⁻³ , соответственно. Слои квантовых точек моделируются путем рассмотрения квантовых точек InAs, WL и материала GaAs, окружающего квантовые точки, как эффективной среды. Толщина каждой эффективной среды составляет 2 нм.

а Схематические изображения гибридного солнечного элемента NW / QD и его тонкопленочного аналога. б Подробные структуры единиц, отмеченные каркасами в a . c Коэффициент поглощения эффективной среды. Объемные доли КТ, WL и GaAs в эффективной среде равны 0,002882996, 0,649123 и 0,347994 соответственно

Для оптического моделирования, комплексный показатель преломления эффективной среды, зависящий от длины волны, вычисляется с помощью объемно-взвешенной суперпозиции КТ, WL и материала GaAs, как описано в [26], что выражается формулой. (1).

где F _QD , F _WL , и F _GaAs - объемные доли материалов QD, WL и GaAs в эффективной среде соответственно. Коэффициент поглощения КТ и ШП InAs получен из работы [26] при тех же размерах и плотности КТ. Остальные параметры материала получены из [27]. Коэффициент поглощения, использованный в данной работе, представлен на рис. 1в. Ниже запрещенной зоны GaAs наблюдаются два пика, один с центром на длине волны 876 нм, а другой с центром на 916 нм, которые приписываются слоям квантовых точек. Для сравнения также смоделирован тонкопленочный солнечный элемент, содержащий слои квантовых точек. Толщина тонкопленочного солнечного элемента устанавливается равной длине ННК, а общий объем слоев квантовых точек и толщина собственного слоя в тонкопленочных солнечных элементах устанавливаются такими же, как и в ННК. Гибридные солнечные элементы QD. Поглощающие свойства солнечных элементов рассчитываются с помощью программного пакета FDTD Solutions (Lumerical Solutions, Inc.). Помещая периодические граничные условия, моделирование можно проводить в одной элементарной ячейке для моделирования периодической структуры массива. Спектр AM1.5G разделен на 87 дискретных интервалов длин волн от 300 до 950 нм. Вклады поперечной электрической (TE) и поперечной магнитной (TM) мод накладываются для моделирования соответствующей неполяризованной особенности солнечного света. Полная оптическая генерация при освещении AM1.5G может быть смоделирована путем наложения спектрально разрешенных скоростей одноволновой фотогенерации.

Для электрического моделирования профили трехмерной оптической генерации включаются в конечно-элементную сетку устройств в программном пакете Device (Lumerical Solutions, Inc.), который самосогласованно решает уравнения неразрывности носителей в сочетании с уравнением Пуассона. Для моделирования транспортных свойств эффективной среды мы предполагаем, что генерируемые оптическими сигналами носители в барьерах из GaAs захватываются нижними запрещенными зонами 2D WL, а затем релаксируют в основное состояние КТ на временных масштабах 1–50 пс [28, 29]. Носители, сгенерированные в КТ или захваченные из WL, рекомбинируют или уходят обратно в WL посредством термоэмиссии [30]. Процесс захвата и ухода моделируется установкой эффективного смещения полосы 100 мэВ на границе раздела GaAs и эффективной среды в соответствии с энергией активации теплового излучения квантовых точек, описанной в литературе [30,31,32]. Аналогичный метод моделирования описан в [26], в которой исследованы характеристики многопереходных солнечных элементов с усилением квантовых точек. Диаграмма освещенных энергетических диапазонов гибридных солнечных элементов NW / QD показана на рис. 2.

Диаграмма освещенного диапазона энергий гибридных солнечных элементов NW / QD

При электрическом моделировании устройства учитываются радиационная, оже-рекомбинация и рекомбинация Шокли-Рида-Холла (SRH). Время жизни неосновных носителей в КТ описывается с использованием времени жизни излучательной рекомбинации 1 нс и времени рекомбинации SRH 10 нс [26], конечные времена жизни эффективной среды представляют собой взвешенную сумму времен рекомбинации КТ и GaAs ННК (при условии, что захваченные носители WL впоследствии захватываются QD), как описано в [26]. Коэффициент оже-рекомбинации эффективной среды установлен равным 4,2 × 10 ⁻²⁹ . см ⁶ / с [33]. А эффективные массы электрона и дырки установлены равными 0,053 м ₀ и 0,341 м ₀ соответственно [26]. При моделировании переноса барьерных носителей через эффективную область среды мы используем подвижность барьера (2500 см ² / Vs для электронов и 150 см ² / Vs для отверстий) [34], как описано в [35]. В модели устройства используется скорость поверхностной рекомбинации 3000 см / с, если предполагается, что поверхности нанопроволоки хорошо пассивированы [34, 36]. И скорость рекомбинации контактных неосновных носителей заряда установлена ​​равной 10 ⁷ . см / с [37].

Результаты и обсуждение

Спектры поглощения матричных солнечных элементов GaAs с ННК со слоями КТ и без них показаны на рис. 3. Радиус ННК установлен равным 100 нм, а период равен 360 нм. За счет введения слоев квантовых точек поглощение GaAs ННК резко увеличивается, а спектр поглощения расширяется до 950 нм. На рис. 3а – г показаны спектры поглощения при разной длине ННК. Видно, что поглощение заметно увеличивается слоями КТ на длине волны более 450 нм, поскольку слои КТ имеют более высокий коэффициент поглощения, чем ННК GaAs. По мере увеличения длины ННК разница в поглощении между массивами ННК со слоями КТ и без них становится меньше в диапазоне длин волн за пределами запрещенной зоны GaAs, что указывает на то, что поглощения GaAs более достаточно для более длинных ННК. В то время как в диапазоне длин волн ниже ширины запрещенной зоны GaAs, поскольку GaAs ННК вносят небольшой вклад в поглощение света, усиление поглощения, вызванное слоями КТ, становится более заметным по мере увеличения длины ННК. В диапазоне длин волн ниже ширины запрещенной зоны GaAs наблюдаются два пика поглощения с центрами на 876 и 916 нм, соответственно, соответствующих длинам волн, на которых эффективная среда имеет самый высокий коэффициент поглощения. По сравнению с гибридным солнечным элементом NW / QD, поглощение тонкопленочного солнечного элемента насыщается намного раньше с увеличением толщины пленки, поскольку основная потеря в тонкопленочном солнечном элементе - отражение. Поскольку объемная доля слоев КТ в тонких пленках намного ниже, чем в массиве ННК, усиление поглощения света, индуцированное слоями КТ, практически незначительно в диапазоне длин волн за пределами запрещенной зоны GaAs. В то время как в диапазоне длин волн ниже ширины запрещенной зоны GaAs, из-за отсутствия способности улавливать свет, поглощение слоев квантовых точек в тонкой пленке намного ниже, чем в массиве NW.

Спектры поглощения массива гибридных наноструктур ННК / КТ и его тонкопленочного аналога со слоями КТ и без них. Длина СЗ в а - г составляет 500, 1000, 2000 и 3000 нм соответственно

Профили оптической генерации рассматриваемых структур показаны на рис. 4. В этой части рассматриваются НП длиной 500 и 3000 нм (далее короткая НП и длинная НП соответственно). Очевидно, что генерация носителей заряда в эффективной среде намного выше, чем в GaAs, что свидетельствует об усилении поглощения за счет квантовых точек. В гибридных солнечных элементах NW / QD меньше носителей генерируется в области ядра NW, поскольку вместо этого некоторые носители концентрируются в областях QD. Ожидается, что это явление улучшит характеристики устройства, так как сильно легированная область сердцевины часто страдает от серьезных рекомбинационных потерь. В коротких NW оптические генерируемые носители распределяются по всей NW, тогда как в длинных NW носители в основном сосредоточены вверху, что указывает на то, что поглощение света в длинных NW является достаточным, хотя рассматриваемый массив NW не содержит никаких подложек. Можно заметить, что в длинных ННК область высокой генерации носителей заряда в слоях КТ растягивается дольше, чем в сердцевине ННК, и носители концентрируются в нескольких лепестках вдоль оси ННК. Это вызвано резонансными модами в длинноволновой области в ННК. Длинноволновый свет имеет большую длину поглощения и в основном поглощается в областях КТ, особенно свет в диапазоне длин волн ниже запрещенной зоны GaAs. Распределение электрического поля при неполяризованном освещении в ННК GaAs на 876 и 916 нм показано на рис. 4в, из которого видно, что электрическое поле сильно перекрывается с областями КТ, что дополнительно объясняет усиливающее влияние структур ННК на Поглощение КТ на этой длине волны. Профиль оптической генерации тонкопленочного солнечного элемента с длиной волны 500 нм показан на рис. 4d, и видно, что поглощение в тонкопленочных структурах намного слабее, чем в ННК. Для тонкопленочных структур носители, генерируемые в КТ, мало влияют на общий профиль генерации. В то время как в ННК, КТ с одинаковым объемом могут вносить значительный вклад в поглощение благодаря режимам управляемого резонанса в ННК [21].

а Вертикальное сечение профилей оптической генерации в коротких гибридных солнечных элементах NW и NW / QD. б Вертикальное сечение профилей оптической генерации в длинных гибридных солнечных элементах NW и NW / QD. c Распределения электрического поля в поперечном сечении ННК на 876 и 916 нм, на котором расположение слоев КТ выделено белыми линиями. г Вертикальное сечение профилей оптической генерации в тонкопленочных и гибридных тонкопленочных / квантовых элементах

Дальнейшие исследования сосредоточены на изучении потенциального увеличения эффективности фотоэлектрической энергии за счет увеличения поглощения, вызванного квантовыми точками. Ранее смоделированные профили фотогенерации включаются в программный пакет устройства для расчета I - V характеристики рассматриваемых устройств. Ожидается, что производство носителей будет увеличиваться в регионах QD; однако носители в областях QD страдают от более высокой скорости рекомбинации. В результате увеличение токов короткого замыкания ( Дж _sc ) в солнечных элементах с усилением квантовых точек часто сопровождается ухудшением напряжения холостого хода ( V _oc ) [38]. Влияние QD на эффективность устройства зависит от компромисса между J _sc увеличить и V _oc снижение. Я - V Характеристики солнечных элементов NW показаны на рис. 5a, b, а объединение квантовых точек в короткие NW приводит к J _sc усиление 1,09 мА / см ² и V _oc снижение 0,017 В. В длинных НЗ a J _sc увеличение на 1,22 мА / см ² и V _oc наблюдается снижение 0,021 В. Общее повышение эффективности составляет 0,67% для коротких NW и 0,45% для длинных NW. Увеличивая длину NW, J _sc усиление увеличивается, а также V _oc уменьшение за счет увеличения объема квантовых точек. На рисунке 5c показаны профили излучательной рекомбинации в ННК вблизи V _oc ; по сравнению с чистыми GaAs ННК скорости излучательной рекомбинации увеличиваются более чем на 3 порядка в слоях квантовых точек, что объясняет V _oc перерождение. Рассчитаны также эффективности преобразования тонкопленочных солнечных элементов с квантовыми точками и без них. Повышение эффективности, вызванное КТ, составляет всего 0,11%, что намного ниже, чем у солнечных элементов с ННК, хотя объемы КТ в ННК и тонкопленочных структурах одинаковы. Результат показывает, что массив NW выгоден для повышения эффективности солнечных элементов с квантовыми точками. Повышение эффективности, вызванное квантовыми точками, не так впечатляет в этой работе из-за вырождения V _oc ; однако было продемонстрировано несколько подходов к поддержанию V _oc в солнечных элементах с КТ [5, 39]. Ожидается, что повышение эффективности будет более удовлетворительным, если V _oc можно избежать дегенерации в гибридных солнечных элементах NW / QD. Кроме того, спектр оптического поглощения КТ сильно зависит от распределения точек по размерам [40, 41, 42]. Мы считаем, что, изменяя размер и плотность КТ, можно достичь более высокого коэффициента поглощения, что может привести к более значительному усилению поглощения и более высокой эффективности преобразования.

а Я - V характеристики коротких гибридных солнечных элементов NW и NW / QD. б Я - V характеристики длинных гибридных солнечных элементов NW и NW / QD. c Половина вертикального сечения скоростей излучательной рекомбинации коротких гибридных солнечных элементов NW и NW / QD. г Я - V характеристики тонкопленочных и гибридных тонкопленочных / QD солнечных элементов

Выводы

Таким образом, мы изучили фотоэлектрические характеристики гибридного солнечного элемента GaAs / InAs NW / QD. Результаты показывают, что спектры поглощения GaAs ННК могут быть расширены до 950 нм за счет включения многослойных квантовых точек InAs на боковые стенки ННК. Поглощение квантовых точек также значительно улучшается из-за эффекта захвата света массивом NW. Я - V характеристики показывают, что J _sc в солнечных элементах NW может быть увеличен за счет увеличения поглощения света, тогда как V _oc вырождается из-за более серьезной рекомбинации, индуцированной квантовыми точками. Общее повышение эффективности, вызванное квантовыми точками в солнечных элементах с NW, намного выше, чем в тонкопленочных солнечных элементах, что указывает на перспективность гибридной структуры GaAs / InAs NW / QD для солнечных элементов с квантовыми точками.

Сокращения

3D-FDTD:

Трехмерная конечная разность во временной области

AsH ₃ :

Арсин

CCS:

Душевая лейка с близкой связью

I - V :

Плотность тока в зависимости от напряжения

J _sc :

Ток короткого замыкания

MOCVD:

Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы

Новые версии:

Нанопроволока

QD:

Квантовые точки

S – K:

Странски-Крастанов

SRH:

Шокли-Рид-Холл

TE:

Поперечный электрический

TM:

Поперечный магнитный

TMGa:

Триметилгаллий

TMIn:

Триметилиндий

V _oc :

Напряжение холостого хода

WL:

Смачивающие слои