Фотонный дизайн и электрическая оценка двойных функциональных солнечных элементов для приложений преобразования энергии и отображения

Фон

После глобального энергетического кризиса и масштабной урбанизации значительные усилия были направлены на создание интегрированных в здания фотоэлектрических элементов (BIPV). Особое внимание было уделено зданиям нового поколения (с нулевым потреблением энергии) с потреблением электроэнергии, эквивалентным генерации [1,2,3,4,5]. К сожалению, обычные фотоэлектрические устройства показывают тусклые или черные цвета, и, следовательно, BIPV на основе таких солнечных элементов (СЭ) не может соответствовать требованиям эстетического восприятия [6]. В последнее время SC с регулируемой цветопередачей с преимуществами отображения различных цветов и ярких рисунков (помимо функций выработки электроэнергии) привлекают все больший интерес в связи с их огромными рыночными перспективами [7, 8].

С одной стороны, различные фотонные подходы могут использоваться для управления оптическими откликами SC для отображения определенных цветов, включая (1) использование фильтра Фабри-Перо (FP) на SC для управления цветом и чистотой путем настройки FP. резонанс [9,10,11] и (2) включение корректирующего цвета слоя (CAL) над (или позади) слоя прозрачного проводящего оксида (TCO) или полная замена TCO на CAL. Например, селективно прозрачный и проводящий фотонный кристалл (STCPC) можно использовать в качестве заднего контакта для управления спектром передачи и цветом через устройства BIPV [12, 13]; распределенный брэгговский отражатель (DBR) может быть интегрирован для отображения цветов тонкопленочных SC и органических фотоэлектрических элементов [14, 15]. Несмотря на то, что большая часть этой литературы сосредоточена на одновременном получении цветного дисплея и выработки электроэнергии, чистота цвета ниже, а цветовое пространство недостаточно для отображения шаблонов. Более того, эти методы слишком сильно жертвуют эффективностью преобразования энергии SC для достижения цветного отображения. Цветные СК с более высокой чистотой цвета имеют большое значение для развития технологии BIPV.

С другой стороны, теоретическая литература фокусируется преимущественно на оптической конструкции SC, чтобы отображать различные цвета [6, 8, 16]; однако без строгого изучения внутреннего поведения носителя внутри устройства. Для проектирования SC крайне необходимо исследовать, как специальная оптическая конструкция изменяет процессы генерации, транспортировки и сбора носителей в полупроводниковых переходах, которые играют ключевую роль в определении работы и производительности SC [17,18, 19]. Однако комплексное моделирование на уровне устройства для высоконаноструктурированных SC является сложной задачей, поскольку соответствующие устройства демонстрируют очень сложное многодоменное поведение, например, с очень богатыми оптическими резонансами и откликами генерации / рекомбинации / сбора носителей, которые демонстрируют сильную зависимость от пространства, длины волны , и многие другие ингредиенты [20,21,22]. Кроме того, поскольку изготовление таких специфических СЭ всегда требует времени и затрат, комплексная конструкция цветных СЭ, учитывающая как фотонные, так и внутренние отклики носителей, очень полезна для разработки этого типа солнечного устройства.

В этой статье мы представляем полное оптоэлектронное исследование СЭ a-Si:H с регулируемым цветом. Оптически, чтобы реализовать отображение красного-зеленого-синего (RGB) высокой чистоты, мы вводим DBR в качестве компонента выбора цвета и дополнительные двухслойные просветляющие покрытия (ARC) в качестве компонента оптимизации цвета. Это показывает, что цветовое пространство, полученное в результате этого исследования, может быть сопоставимо с цветовым пространством стандартной системы RGB (sRGB). С точки зрения электричества, собственная генерация, перенос, рекомбинация и сбор электронов и дырок в спроектированных RGB a-Si:H SC адресованы так, чтобы можно было получить полный список характеристик фотопреобразования SC. Оценивая спектры внешней квантовой эффективности (EQE) и вольт-амперные характеристики ( Дж - V ), мы находим, что эффективность преобразования мощности SC с высокой чистотой красного, зеленого и синего цветов составляет 4,88%, 5,58% и 6,54% соответственно. Наконец, чтобы продемонстрировать возможность создания изображений в формате RGB, был разработан и реализован логотип «Университета Сучжоу» с использованием SC a-Si:H с регулируемым цветом; Отображаемый рисунок хорошо выдерживается под большим диапазоном углов падения.

Методы

Оптический отклик рассчитывается путем решения уравнений Максвелла с помощью строгого анализа связанных волн (RCWA) и COMSOL Multiphysics. Можно получить отражение, поглощение каждым слоем и т. Д. Подробные электрические характеристики (например, генерация / рекомбинация / сбор носителей) получаются с помощью электромагнитных расчетов и расчетов переноса носителей, как подробно описано в наших предыдущих статьях [17,18,19,20,21,22]. Спектр оптического отражения может быть преобразован в соответствующие параметры в системе цвета CIE, а затем результирующий образец цвета может быть получен через координаты цветности CIE. Расчет этого преобразования следует серии стандартов цветности, разработанных CIE. Толщина ZnS и ZnO фиксируется на основании закона тонкопленочной оптики, а толщина SC фиксируется на уровне 500 нм. Комплексный коэффициент преломления материалов взят из Палика [23]. В моделируемой области использовался размер ячейки 5 нм, а идеально согласованные слои использовались в граничных условиях для оптического моделирования. Для электрического моделирования получены уравнение Пуассона и уравнения переноса носителей, в которых поверхностная рекомбинация и металлический контакт выбраны в качестве граничных ситуаций.

Результаты и обсуждение

На рис. 1 представлена ​​принципиальная схема предлагаемого a-Si:H SC с регулируемым цветом. Сверху вниз он состоит из слоев ARC, стека DBR, буферного слоя и a-Si:H SC. Здесь толщина активного слоя a-Si:H составляет 500 нм, который содержит 30 нм (50 нм) зону легирования n-типа (p-типа). Материалом заднего (переднего) электрода для транспорта электронов (дырок) является ZnO (ITO) толщиной 100 нм (20 нм). Буферный слой состоит из 55 нм TiO ₂ . для уменьшения отражения света [24] и улучшения чистоты цвета. РБО состоит из 6 пар ZnS / ZnO с толщиной в четверть длины волны для каждого слоя. Фактически, отражательная способность и спектральная ширина играют очень важную роль в определении качества цвета. Отражательная способность ( R ) DBR можно предсказать аналитически, используя следующее уравнение [25]:

где n ₀ , n ₁ , n ₂ , и n _s - показатели преломления воздуха, двух слоев РБО и подложки соответственно; N - количество пар DBR. Ширина полосы отражения (∆λ ₀ ) равно [25]:

где λ ₀ - центральная длина волны РБО. Отмечается, что увеличение разницы на n ₁ и н ₂ , R становится выше (т.е. увеличивается яркость цвета), но ∆λ ₀ и насыщенность цвета уменьшаются. Как следствие, относительно небольшая разница в n ₁ и н ₂ вместе с относительно большим N используется для обеспечения высокой насыщенности, чтобы представить высокую чистоту и яркость цвета.

Принципиальная схема предлагаемых SC a-Si:H с регулируемым цветом (слева) и подробная конфигурация устройства (справа)

Согласно тонкопленочной оптике, толщина DBR должна быть тщательно рассчитана, чтобы отображать цвета RGB, локализованные по-разному в видимом диапазоне. Здесь, исключая SC, мы сначала исследуем управляемость спектра отражения DBR для отображения RGB. На рис. 2а показаны спектры отражения РБО в схемах RGB с соответствующей структурой и толщиной пленки, приведенными на рис. 2б. Обнаружено, что отражения имеют максимум при λ ₀ =625, 520 и 445 нм соответственно, что хорошо соответствует центрам RGB. Более того, пиковые отражения достаточно сильны (то есть 74,82%, 72,1% и 76,31%), чтобы обеспечить яркость отображения. Фактически, для РБО существуют побочные волны вне запрещенной зоны. Такие волны вредны для достижения высокой чистоты цвета [26]. Рисунок 2а подтверждает наличие таких боковых волн.

Оптические отклики РБО и СЭ RGB a-Si:H. а Спектры отражения DBR, нацеленные на отображение RGB. б Конструктивные и материальные параметры проектируемого РБР. Спектры отражения ( c ) и координаты цветности CIE 1931 ( d ) SC a-Si:H с РБО RGB наверху. Спектры отражения ( e ) и координаты цветности CIE 1931 ( f ) разработанных СЭ a-Si:H с контролем цвета. Стандартная цветовая гамма sRGB вставлена ​​в ( f ) для сравнения

Выше RGB, DBR теперь интегрированы с SC a-Si:H, то есть RGB-DBR (вверху) + SC (внизу). Спектры отражения комбинированных систем SC, нацеленных на дисплей RGB, показаны на рис. 2c. Сначала было замечено, что центральные длины волн при включении SC были слегка смещены в красную область (с 625, 520 и 445 нм до 633, 528 и 453 нм для R, G и B клеток, соответственно); кроме того, пиковые отражения также увеличиваются до 87,66%, 82,52% и 79,44% соответственно. Это разумно, поскольку включение SC под DBR изменило конфигурацию системы и изменило резонансную ситуацию. Несмотря на это, вышеупомянутый эффект относительно слаб, не влияя на качество отображения. Однако действительно существует ключевой ингредиент, который сильно ухудшает чистоту цвета, то есть очень интенсивные боковые волны, возникающие из-за повышенных коэффициентов отражения на границах раздела SC. На рис. 2d показаны координаты цветности этих комбинированных систем SC, принятые Международной комиссией по экологии (CIE) за 1931 год. Для приложений отображения рисунков, чем больше цветовое пространство, тем больше цветовых элементов оно содержит и тем лучше отображает [27]. Когда основные цвета близки к языковой границе, может быть получено наибольшее цветовое пространство. Однако рис. 2d показывает, что достигнутые RGB относительно далеки от границы; поэтому нам необходимо дополнительно уменьшить полосу отражения, а также устранить боковые волны.

Чтобы улучшить производительность RGB, мы дополнительно вводим двухслойные ARC (MgF ₂ и SnO ₂ ) вместе с буферным слоем (TiO ₂ ). ARC сконфигурированы поверх DBR, а буферный слой зажат между DBR и a-Si:H SC, как показано на рис. 1. Основываясь на тонкопленочной оптике, толщиной ARC можно управлять с помощью [28]:

где n ₀ , n _t , n _b , и n _s - показатели преломления воздуха, верхнего слоя, нижнего слоя и подложки соответственно; г _t и d _b - толщина верхнего и нижнего слоев соответственно. На рис. 2e представлены спектры отражения разработанных SC a-Si:H с регулируемым цветом с АЦП, РБО и буферным слоем. Примечательно, что (1) длины волн пиков составляют 625, 515 и 445 нм, что близко к длинам волн автономных РБО; (2) резонансные полосы пропускания сильно уменьшены для ячейки с цветами RGB; (3) боковые волны резко подавляются даже по сравнению с результатами только РБО, показанными на рис. 2а. Как и ожидалось, после введения ARC и буферных слоев разность оптических путей изменилась, изменив резонансную ситуацию. В результате улучшаются центральные длины волн, ширина полосы отражения и боковые волны системы. Следовательно, усовершенствованные фотонные конструкции приводят к желаемому цвету с очень высоким качеством цвета, что подтверждается координатами цветности CIE 1931 на рис. 2f. По сравнению с sRGB, цветовые различия между разработанными RGB и sRGB следующие:ΔE _R =16,8 для красного, ΔE _G =47,6 для зеленого и ΔE _B =41,7 для синего. Несмотря на то, что различия в цвете показывают небольшое изменение между спроектированными RGB и sRGB с точки зрения наблюдателя, цветовое пространство для нашего дизайна сравнимо с sRGB. Например, цветовые пространства RGB приблизительно равны 52,7% (72%) цветовых пространств Национальной комиссии по телевизионным системам (NTSC) для разработанных и стандартных систем соответственно.

К настоящему времени мы успешно разработали СЭ на основе a-Si:H с использованием продвинутой тонкопленочной оптической стратегии. Однако для такой функции отображения неизбежно будет влиять электрический отклик SC. Следовательно, необходимо изучить детальный оптоэлектронный отклик SC a-Si:H с регулируемым цветом. В последние годы мы провели обширные исследования на уровне устройств моделирования полупроводниковых SCs, включая оптоэлектронное моделирование с учетом электромагнитных реакций и откликов переноса носителей [17, 18], а также продвинутое опто-электрическое-тепловое моделирование СК [19]. СЭ на основе (1) различных материалов (например, Si, GaAs и a-Si:H) и (2) различных наноструктур (например, одиночной нанопроволоки, нанотекстур и двойных переходов) были исследованы с целью найти способы управления внутренним мультифизическим поведением внутри SC и повышения эффективности фотопреобразования [20,21,22]. Следовательно, оптоэлектронный отклик специально разработанных СЭ на основе a-Si:H, представленных в этой статье, можно легко получить, выполнив соответствующее оптоэлектронное моделирование.

На рис. 3a – c показано поглощение ( A ) и спектры EQE RGB СК при освещении AM1.5. Во-первых, показано, что в спектрах поглощения наблюдаются явные провалы на определенных длинах волн, соответствующие пикам отражения для цветов R, G и B соответственно. Это связано с тем, что функция отображения цвета требует определенных отражений света в видимом диапазоне; таким образом, оптическое поглощение ( A ) и электрический отклик (EQE) SC неизбежно будут затронуты, что приведет к существенной разнице в EQE и A для красных, зеленых и синих СК. Кроме того, в диапазоне длин волн менее 380 нм мы видим, что свет почти полностью поглощается верхним слоем ITO; следовательно, соответствующее поглощение и EQE близки к нулю. Несмотря на это, общее поглощение устройством достаточно хорошо, чтобы показать пиковый A более 80%. Во-вторых, поскольку в данном исследовании рассматривается a-Si:H SC, эффект рекомбинации носителей существует почти во всей допустимой спектральной полосе (поскольку активный слой очень тонкий), так что EQE всегда ниже, чем A . Соответствующие вольт-амперные характеристики ( Дж - V кривые) показаны на рис. 3d, где на вставке показаны подробные значения плотности тока короткого замыкания ( Дж _SC ), напряжение холостого хода ( В _OC ), коэффициент заполнения (FF) и эффективность фотопреобразования (Eff) для ячеек RGB. Для сравнения, обычные СЭ a-Si:H с 100 нм SiO ₂ используется антиотражающий слой, который показывает эффективность ~ 7,59%, что аналогично отчету Anderson et al. [16, 29]. Было обнаружено, что дизайн RGB не оказывает очевидного влияния на V oc и FF. Признается, что V _OC и FF SC в основном определяются внутренними свойствами материала (например, запрещенной зоной), концентрацией легирования активного слоя и конфигурацией устройства; следовательно, дизайн RGB влияет на поглощение, а не на V _OC и FF. Как и ожидалось, цветные SC демонстрируют пониженную эффективность из-за цели отображения цвета. Более подробно, SC синего цвета имеет максимальную эффективность 6,54%, зеленый - 5,58% и красный - 4,88%. Красный элемент показывает самое большое снижение эффективности, поскольку отраженный красный свет имеет самую сильную солнечную энергию. Это разумная жертва для такого многофункционального SC.

Спектры поглощения и EQE контролируемых по цвету СЭ a-Si:H с цветом a красный, b зеленый и c синий. г ВАХ спроектированных a-Si:H SC, в которые для справки включена исходная система без дизайна RGB. Вставленная таблица показывает J _SC , V _OC , FF и Eff

Следует отметить, что, если мы хотим еще больше повысить эффективность преобразования энергии, можно ввести более сложную структуру. Оптически, например, (1) может использоваться эффект захвата света (например, TCO с текстурированной поверхностью); (2) поверхность TCO может быть покрыта TiO ₂ -ZnO просветляющие слои (например, улучшают квантовую эффективность на ~ 10% при 550 нм) [30]. С электрической точки зрения (1) метод химического осаждения из паровой фазы (PECVD) с триодной плазмой может использоваться для подавления эффекта деградации, индуцированной светом [31]; (2) наше оптоэлектронное моделирование может оптимизировать динамические характеристики переноса носителей для дальнейшего подавления рекомбинации носителей и увеличения выработки электроэнергии [18]. Более того, этот принцип конструкции применим и к другим типам СЭ (например, Перовскит, кристаллический Si, органические и гибридные СЭ) [32]. Следовательно, эффективность преобразования энергии спроектированного красочного КА может быть увеличена различными фотонными или электрическими средствами.

Далее мы продемонстрируем применение SC a-Si:H в отображении паттернов и эстетической архитектуре. На рисунке 4 показан разработанный логотип Университета Сучжоу (слева вверху), увеличенная часть логотипа (вверху посередине), подробная информация о структуре для дизайнов RGB (справа) и соответствующие значения RGB семи цветов в логотипе (внизу посередине). ). (1) В логотипе семь цветных элементов, состоящих из основных элементов RGB. (2) Четыре круга - красные, словари в нижней части внешнего кольца - зеленые, а китайские иероглифы в верхней части внешнего кольца - синие, непосредственно от SC с регулируемым цветом. (3) Фон имеет пурпурно-серый цвет, состоящий из равных вкладов RGB. Значение RGB в логотипе представляет три компонента:красный, зеленый и синий. Например, для красного цвета чем меньше значения зеленого и синего, тем больше насыщенность цвета [33]. Следовательно, насыщенность красного и синего цветов выше, чем у зеленого, что приводит к большему количеству значений R и B, чем G, в смешанном цвете и делает его пурпурным [34]. (4) Значения RGB недостаточно велики по сравнению с максимальным значением 255, что приводит к низкой яркости и серому цвету. Центральные китайские иероглифы имеют пурпурный цвет, состоящий из одинакового красного и синего цветов, как показано на увеличенной иллюстрации в правом верхнем углу рис. 4. (5) Хроматическая аберрация пурпурного меньше, чем у других смешанных цветов из-за лучшей пропорции. компонентов RGB. «SOOCHOW» (УНИВЕРСИТЕТ) - голубой (желтый), состоящий из зеленого и синего (красного и зеленого) соответственно. У обоих есть проблемы с пропорциональным дисбалансом RGB и низкой яркостью. Хотя есть возможности для дальнейшего улучшения, в целом картина четкая и различимая.

Логотип Университета Сучжоу, с пикселями, состоящими из SCs RGB a-Si:H. На вставке показан микроскопический состав пикселей, детали структуры SC RGB a-Si:H и значения RGB цветовых карт, смешанных с тремя основными цветами

В практических приложениях, в отличие от наноструктурированных СЭ, предлагаемые СЭ RGB в планарной конфигурации могут быть изготовлены с помощью очень зрелых промышленных процессов изготовления [35]. Внизу представлен типичный солнечный элемент a-Si:H с p-i-n структурой. Во-первых, слой аморфного кремния n-типа (na-Si:H) осаждается на подложку с покрытием TCO (стекло или пластик) с помощью PECVD, собственного аморфного кремния (ia-Si:H) и аморфного кремния p-типа ( Слои pa-Si:H) обрабатываются тем же методом. Затем верхним электродом обычно является слой TCO, который наносится распылением [36]. Затем на полный СК a-Si:H наносится буферный слой, за которым следует чередующийся слой РБО с использованием магнетронного распыления [37]. В конце концов, RGB a-Si:H SC завершается нанесением верхних двухслойных ARC с помощью магнетронного распыления. В процессе подготовки возможна вариация толщины от 1 до 5%. Поэтому, чтобы исследовать влияние изменения толщины, мы вводим случайное изменение толщины (например, от -5% до 5%) для каждого слоя. Результаты моделирования показывают, что цветовые различия (ΔE) варьируются от 1,9 до 11,2 для красного, от 1,3 до 15,7 для зеленого и от 0,5 до 2,9 для синего. Очевидно, что синие СК лучше всего переносят влияние изменения толщины. Хотя разница в цвете для красного (зеленого) составляет до 11,2 (15,7), их средние значения составляют около 4,3 (8). Кроме того, мы исследуем изменение толщины (например, -5% и 5%) для каждого слоя на Eff SC, соответствующий Eff показывает небольшое изменение в диапазоне от -0,1% до 0,4% для RGB SC. Таким образом, мы можем считать, что эффективность SC является устойчивой к типичному отклонению толщины DBR и ARC в экспериментах.

Наконец, мы исследуем влияние угла падения на создаваемые цвета. На рисунке 5a показано, как разработанные цвета RGB меняются с увеличением угла падения ( θ ). Очевидно, синий и зеленый SC лучше переносят наклонную заболеваемость по сравнению с красным, цвет которого был изменен с красного ( θ =0 °) в зеленый ( θ > 70 °). Для сравнения на рис. 5b показаны локусы разработанных цветов RGB в координатах цветности CIE 1931 с непрерывно увеличивающимся θ . Согласно диаграмме CIE, насыщенность всех цветов уменьшается с увеличением θ , особенно при большом θ =80 °, где цвета очень близки к точке E (самая низкая точка насыщенности). На рисунке 5c показан логотип Университета Сучжоу под разными углами падения. Целевой логотип состоит из семи стандартных цветов, каждый из которых имеет стандартный оттенок, насыщенность и яркость. Стандартный RGB состоит из стандартных красного, зеленого и синего цветов с другими цветами, созданными из их комбинаций. Оба используются для сравнения. Понятно, что логотип читается даже при больших углах падения; однако цвета рисунка были в некоторой степени изменены из-за увеличения угла падения. Это оставляет место для дальнейшей оптимизации в будущем.

а Эволюция цветов RGB, показанная разработанными СЭ a-Si:H с углом падения. б Изменения позитонов RGB в CIE 1931 координируются с увеличением угла падения. c Шаблоны логотипов, отображаемые a-Si:H SC под разными углами падения (0 °, 30 °, 45 ° и 60 °). В c , целевой логотип и логотип стандартного RGB включены для сравнения