Превосходное удержание света для массивов полупроводниковых нанопроволок, модифицированных гемиэллипсоидом и перевернутым гемиэллипсоидом

Фон

Солнечное электричество, основанное на фотоэлектрическом (PV) эффекте, добилось значительного прогресса за последние десятилетия и постепенно меняет структуру мировой энергетики [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]. Для удовлетворения постоянно растущего спроса на фотоэлектрическую электроэнергию необходимо срочно крупномасштабное развертывание фотоэлектрических модулей, которое пока ограничено относительно высокой ценой, которая в основном связана с высокими материальными затратами на доминирующие на рынке фотоэлектрические продукты на основе кристаллических кремниевых пластин [ 11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]. Хотя фотоэлектрические устройства на основе тонких пленок обладают огромным потенциалом снижения стоимости материалов, плохое поглощение света из-за ограниченной оптической толщины является большой проблемой и требует решения путем введения структур управления светом, таких как антиотражающие покрытия и / или текстурирование подложки, что приведет к дополнительным расходам [21,22,23,24,25,26,27].

В отличие от традиционных планарных структур, наноструктурированные полупроводниковые поглотители солнечной энергии обладают превосходными свойствами в управлении светом и сборе фото-генерируемых носителей и, таким образом, демонстрируют огромный потенциал в применении высокопроизводительных и недорогих оптоэлектронных устройств, включая солнечные элементы и фотодетекторы [28,29,30 , 31,32,33,34,35,36]. Благодаря обширным усилиям, приложенным соответствующими исследователями, различные полупроводниковые наноструктуры, такие как нанопроволока (NW) [37,38,39,40,41,42,43,44,45], наноконус [46,47,48,49, 50], наноямки [51,52,53] и нанополушарии [54, 55] были введены и исследованы как с теоретической, так и с экспериментальной точек зрения. Влияние режимов управления светом, включая модификацию пространственного показателя преломления для антиотражения, режима утечки, управляемого продольного резонанса, рассеяния света и поверхностного плазмонного резонанса на захват света, было понято и подчеркнуто с разным весом для разных наноструктур [56,57,58,59 , 60,61]. Однако каждый отдельный режим управления светом не может обеспечить эффективное удержание света в широком спектральном диапазоне, особенно для солнечных батарей. Соответственно, для полного увеличения спектрального поглощения необходимо комбинировать различные режимы управления светом. Между тем, учитывая проблемы, связанные с производственными проблемами, например, высокая воспроизводимость при низкой стоимости, требуется простая конструкция для светопоглотителей.

Чтобы реализовать более эффективное удержание света с ограниченной эффективной толщиной для массивов полупроводниковых ННК, в этой статье вводится верхняя модификация с использованием гемиэллипсоидных и перевернутых гемиэллипсоидных структур, которые систематически исследуются в поведении управления светом. Благодаря синергетическому эффекту эффективного антиотражения и рассеяния света, удержание света значительно усиливается с уменьшенной эффективной толщиной по сравнению с решетками NW без модификации. В случае массивов GaAs ННК 90% и 95% падающих фотонов с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны, могут быть захвачены решетками ННК, модифицированными инвертированным гемиэллипсоидом, с эффективной толщиной ~ 180 и 270 нм. Более того, дальнейшие исследования показывают, что соответствующие структуры обеспечивают отличное удержание света при наклонном падении.

Методы

В данной работе квадратно расположенные массивы ННК (см. Рис. 1а) с оптимизированным периодом 600 нм [56, 62] исследуются при различных структурных параметрах диаметра нанопроволоки ( D ), общая высота ( H ) и высота модификации ( h ), как показано на рис. 1b. Для расчета уравнений Максвелла и, следовательно, распределения потока энергии в оптических системах используется метод конечных разностей во временной области. Периодические граничные условия применяются к боковым стенкам блока для построения связанных массивов, что в свою очередь способствует экономии источника вычислений и времени. На верхней и нижней границах устройства граница слоя идеального согласования используется для поглощения всех исходящих фотонов и, таким образом, для определения отражения света ( R ) и передачи ( T ). Тогда поглощение света ( A ) получается при соотношении A =1– R - Т .

а Схема NW-массива, модифицированного гемиэллипсоидом, и b блок NW-массива, модифицированного перевернутым гемиэллипсоидом, для оптического моделирования. Структурные параметры, исследованные в этом исследовании, - диаметр нанопроволоки ( D ), общая высота ( H ) и высота модификации ( h ) как указано

В этой статье для исследования выбран типичный полупроводниковый оптоэлектронный материал GaAs. С учетом ширины запрещенной зоны 1,42 эВ и основной области энергии солнечного излучения исследуются оптические свойства в спектральном диапазоне 300–1000 нм. Для более количественного сравнения захвата света оптическими системами, нормализованная теоретическая плотность фототока, ^N Дж _ph , принята [27, 63], которая определяется как отношение теоретической плотности фототока исследуемой структуры к таковой (~ 32,0 мА / см ² при освещении AM 1.5G [64] для GaAs) идеального поглотителя с той же шириной запрещенной зоны при внутреннем квантовом выходе 100%.

Результаты и обсуждение

На рисунке 2 показаны ^N . Дж _ph как функция от h для массивов GaAs ННК, модифицированных гемиеллопсоидом и инвертированным гемиэллипсоидом, с H из (а) 1000, (б) 2000 и (в) 3000 нм; и D 100, 300 и 500 нм. Один отмечает, что ^N Дж _ph для всех массивов с D 100 нм монотонно убывает с увеличением h . Однако для таких массивов с большим D 300 и 500 нм улучшенное удержание света обычно наблюдается после введения верхней модификации с соответствующими размерами, за исключением случая D =300 нм и H =1000 нм. Более того, чем толще ННК, тем более заметное улучшение удержания света может быть достигнуто. Примечательно, что, как показано на рис. 2а, ^N Дж _ph 0,90 и 0,95 могут быть достигнуты для модификации перевернутого гемиэллипсоида с эффективными толщинами всего ~ 180 и 270 нм для массива с D =500 нм, H = h =1000 нм и массив с D =500 нм, H =1000 нм и h =750 нм соответственно.

Нормализованная теоретическая плотность фототока ( ^N Дж _ph ) для массивов ННК GaAs, модифицированных гемиэллипсоидом и перевернутым гемиэллипсоидом, в зависимости от высоты гемиэллипсоида ( h ) при разной общей высоте a 1000, b 2000 г. и c 3000 нм. Диаметр проволоки ( D ) составляют 100, 300 и 500 нм. Красная пунктирная линия и красная пунктирная линия на каждом рисунке обозначают значения ^N . Дж _ph 0,90 и 0,95 соответственно

Хорошо известно, что антиотражение является неотъемлемой функцией решеток ННК из-за уменьшения разницы между показателями преломления окружающей среды (обычно воздуха) и оптической структуры по сравнению с их аналогами из плоской пластины / пленки [27, 52]. Однако антиотражение, следовательно, не приводит к эффективному поглощению света из-за возможного увеличения пропускания света через поглотители. В этом исследовании массивы с D 100 нм обладают наименьшим коэффициентом заполнения и, следовательно, наименьшим эффективным показателем преломления. Хотя эти массивы демонстрируют отличное просветление, пропускание света значительно, особенно в длинноволновом режиме (см. Рис. 3а), то есть в области высокой плотности фотонов. Кроме того, как показано на рис. 3а, модификация верха имеет небольшой вклад в антиотражение, но приводит к усилению светопропускания, что ухудшает поглощение света (см. Рис. 3b) и приводит к уменьшению ^N Дж _ph для решеток диаметром 100 нм ННК. Кроме того, следует отметить, что основным механизмом удержания света является HE ₁₁ режим утечки (см. вставку на рис. 3b) для массивов NW D =100 нм [65].

а Отражение / передача и b поглощение массивов H =2000 нм и D =100 нм. c Отражение, d передача и e поглощение массивов H =2000 нм и D =500 нм. е Поглощение чистых массивов NW с D 100, 300 и 500 нм и H =2000 нм. Вставка b показывает распределение напряженности электрического поля HE ₁₁ режим, а белый пунктирный кружок очерчивает периферию провода. Вставка f показывает распределение напряженности электрического поля чистого массива NW с H =2000 нм и D =500 нм на длине волны 810 нм

Для массивов NW с большим D При 300 и 500 нм степень заполнения и, следовательно, эффективный показатель преломления увеличиваются, и отражение света становится очевидным, как показано на рис. 3c. Для этих массивов соответствующая модификация с использованием как гемиэллипсоида, так и инвертированного гемиэллипсоида может значительно уменьшить отражение света, тем самым увеличивая поглощение света (см. Рис. 3c и e). Кроме того, очевидно, что отличное удержание света может быть достигнуто в широком диапазоне высоты модификации, что обеспечивает удобство изготовления соответствующих высокопроизводительных устройств. Например, как показано на рис. 2b, ^N Дж _ph 0,95 может быть достигнуто для массива ННК диаметром 500 нм с перевернутым гемиэллипсоидом в диапазоне 350–2000 нм или с гемиэллипсоидом в диапазоне 600–2000 нм. Однако чрезмерное изменение (т. Е. h слишком велика), особенно в случае использования инвертированных гемиэллипсоидов, привело бы к значительному усилению светопропускания и уменьшению поглощения света около энергии запрещенной зоны, как показано на рис. 3d и e. Соответственно, первое увеличение и последующее уменьшение ^N Дж _ph наблюдается для соответствующих решеток ННК (см. рис. 2).

На рисунке 3f показаны спектры поглощения массивов чистых ННК с D 100, 300 и 500 нм и H 2000 нм. Очевидно, что край поглощения света смещается в сторону длинных волн, а между тем основной механизм управления светом меняется с режима утечки на рассеяние света как D увеличивается. Более того, для NW с D При длине волны 500 нм можно наблюдать некоторые осцилляции поглощения около 800 нм, которые приписываются направленным продольным резонансам, как показано на вставке к рис. 3f. Известно, что как D увеличивается, пороговая / самая длинная длина волны, которая может формировать направленную продольную моду, также увеличивается [56, 57]. Для длинноволнового света спад амплитуды при распространении вдоль оси провода относительно слабее, чем у коротковолнового света из-за меньшего коэффициента поглощения. Если длина провода не слишком велика, отраженная волна от нижней части СЗ может мешать набегающей волне, образуя направляемые продольные резонансы.

Чтобы лучше понять влияние верхней модификации на управление освещением, пространственное распределение скорости генерации несущей для массивов ( H =2000 нм и D =500 нм), модифицированный гемиэллипсоидами ( h =500 нм) и перевернутые гемиеллиопсоиды ( h =500 нм) при освещении AM 1.5G показано на рис. 4. Соответствующее распределение в массиве чистой ННК с H и D 2000 и 500 нм также представлены для сравнения. Очевидно, что область распределения фотогенерируемых носителей расширяется за счет синергетического эффекта усиленного антиотражения и светорассеяния после введения соответствующей модификации верха. Это соответствует увеличенному ^N Дж _ph / улучшенное удержание света для модифицированных решеток, как показано на рис. 2b. Более того, расширение распределения фото-генерируемых носителей выгодно для сбора носителей, особенно для плоских pn конфигурация стыка, и в то же время делает конструкции более устойчивыми к объемным дефектам / плохому качеству материала. Стоит отметить, что по сравнению с массивом чистых ННК модификация верха также приводит к заметному увеличению плотности носителей на поверхности, и пассивация поверхности необходима для уменьшения потерь поверхностной рекомбинации фотогенерируемых носителей для таких массивов [66, 67].

Пространственное распределение скорости генерации фотогенерируемых носителей при освещении AM 1.5G для массивов ( H =2000 нм и D =500 нм) с верхней модификацией (слева) гемиэллипсоидами ( h =500 нм) и (в центре) перевернутые гемиэллипсоиды ( h =500 нм). Скорость генерации (справа) в чистом массиве NW H =2000 нм и D =500 нм представлена ​​для сравнения

Как отличный поглотитель света, необходимо эффективное улавливание света при наклонном падении. На рисунке 5 показаны спектры поглощения при угле падения α . =0, 30 и 60 градусов (°) для массивов GaAs ННК, модифицированных гемиэллипсоидом (а) и инвертированного гемиэллипсоида (б) с такими же структурными параметрами, как у массивов, показанных на рис. 4. Примечательно, что даже при α =60 °, наблюдается только ограниченная деградация, что указывает на превосходное всенаправленное удержание света обеими модификациями. Расчетная плотность фототока, Дж _ph для этих двух массивов резюмируется на вставке рис. 5a и b. Один отмечает, что по сравнению с J _ph ~ 27,7 и 16,0 мА / см ² для идеального поглотителя из GaAs при α =30 ° и 60 °, соответственно, соответствующее значение для обеих модифицированных решеток NW показывает только ограниченное уменьшение.

Спектры поглощения a гемиэллипсоид- и b массивы GaAs ННК, модифицированные инвертированным гемиэллипсоидом ( H =2000 нм, D =500 нм и h =500 нм) при угле падения ( α ) 0, 30 и 60 °. Во вложенных таблицах приведены теоретические значения плотности фототока ( Дж _ph ) для этих двух решеток ННК, модифицированных сверху, при соответствующих углах падения, соответственно

Известно, что для экспериментально изготовленных ННК поверхности обычно не такие гладкие, как те, которые используются при моделировании. Чтобы проверить пригодность результатов моделирования для проведения экспериментальных исследований, оптические характеристики массивов GaAs ННК с ортогексагональным поперечным сечением проводов были смоделированы и сопоставлены с характеристиками соответствующих массивов ННК с поперечным сечением круглых проводов. На рисунке 6 сравниваются спектры поглощения этих двух типов массивов с одинаковым объемом (характеризуемым диаметром (100, 300 и 500 нм) окружности ННК) и длиной проволоки 2 мкм в спектральном диапазоне 310 нм (4 эВ). ) до 873,2 нм (1,42 эВ, т.е. ширина запрещенной зоны GaAs). Следует отметить, что нет явных различий в оптическом поведении этих двух типов решеток ННК в рассматриваемом спектральном диапазоне. Соответственно, считается, что результаты моделирования, полученные для массивов NW с круглым поперечным сечением проводов, также применимы к другим массивам с другим поперечным сечением проводов.

Сравнение спектров поглощения массивов чистых ННК GaAs с поперечным сечением окружности и ортогексагональной проволоки. Период решетки и длина проволоки составляют 600 нм и 2 мкм соответственно. Объемы проводов для соответствующих решеток ННК одинаковы и характеризуются диаметром (100, 300 и 500 нм) ННК с круговым поперечным сечением

Кроме того, из приведенного выше обсуждения видно, что комбинация верхней модификации для пространственной модуляции показателя преломления и улучшенного светорассеяния нижней структурой с согласованным характеристическим размером является легко управляемым ориентиром для руководящей конструкции высокоэффективных поглотителей света.

Выводы

В этой статье вводится верхняя модификация полупроводниковых нанопроволок с использованием гемиэллипсоидов и инвертированных гемиэллипсоидов для дальнейшего улучшения удержания света в соответствующих массивах. Систематические исследования показывают, что эффективное управление светом при ограниченной эффективной толщине может быть реализовано благодаря синергетическому эффекту улучшенного антиотражения и светорассеяния после внесения соответствующей модификации. Например, матрица нанопроволок GaAs, модифицированная перевернутым гемиэллипсоидом, может улавливать 90% и 95% падающих фотонов с энергией, большей, чем энергия запрещенной зоны, при эффективной толщине только ~ 180 и 270 нм. Обнаружено, что модифицированные сверху решетки ННК демонстрируют превосходную способность улавливать свет в широком диапазоне высоты модификации. Между тем, пространственное распределение фотогенерируемых носителей расширено для модифицированных массивов нанопроволок по сравнению с соответствующим массивом без верхней модификации, что дополнительно указывает на улучшенное управление светом. Это облегчило бы сбор носителей, особенно для плоских pn конфигурация соединения. Более того, дальнейшие исследования показывают, что модифицированные оптические структуры демонстрируют превосходное всенаправленное удержание света, как и ожидалось от усовершенствованных поглотителей света.

Сокращения

J _ph :

плотность фототока

^N Дж _ph :

нормализованная теоретическая плотность фототока

NW:

нанопроволока

PV:

фотоэлектрические