Значительное повышение эффективности солнечных элементов на основе гибридных массивов нанопроводов GaAs/InAs квантовых точек

Аннотация

В данном исследовании представлен гибридный солнечный элемент на основе нанопроводов GaAs/InAs с квантовыми точками (НП–КТ), достигающий удивительного расширения спектра поглощения до 950 нм. Осаждение пяти слоев квантовых точек InAs на боковые грани 500-нм нанопроводов GaAs обеспечивает одновременное спектральное расширение и светозахват. Прирост коэффициента преобразования энергии (КИЗ) превышает усиление в обычных тонкопленочных элементах в шесть раз, что подчеркивает превосходную роль массива нанопроводов в производительности солнечных элементов на квантовых точках.

Введение

Квантовые точки (КТ) давно рассматриваются как перспективный путь повышения КПД солнечных элементов за счет проектирования эффективных запрещенных зон и расширения поглощения в субзонную область. При интеграции в активную область КТ могут генерировать промежуточную зону, позволяя фотонам с энергией ниже запрещенной зоны хоста способствовать фототоку. Однако для реализации чистого улучшения КПД требуется существенное увеличение поглощения — либо за счет добавления большего количества КТ, либо усиления их оптической связи, либо обоих факторов.

Недавний прорыв заключается в выращивании КТ Странски–Крастанова непосредственно на боковых гранях вертикально выровненных нанопроводов (НП). Этот гибридный подход дает два синергетических преимущества: (1) геометрия НП позволяет достигать высокой плотности многослойных КТ, и (2) врожденная способность массива к светозахвату усиливает поглощение КТ. Такие гибриды НП–КТ могут быть изготовлены на недорогих кремниевых подложках, что делает их привлекательными для масштабируемой высокоэффективной фотовольтаики. Хотя структурные и оптические свойства гибридов НП–КТ хорошо документированы, их полный фотовольтаический потенциал еще не был оценен.

Здесь мы представляем связанную оптоэлектронную симуляцию, оценивающую производительность солнечного элемента GaAs/InAs НП–КТ. Устройство обладает радиальным p-i-n переходом, со всеми пятью слоями КТ, расположенными в собственной области. Мы сравниваем массив НП с эквивалентной тонкопленочной структурой, чтобы выделить преимущества, предоставляемые геометрией нанопроводов.

Методы

Гибриды НП–КТ изготавливались с использованием системы MOCVD с душевой головкой Thomas Swan Close‑Coupled Showerhead (CCS) с предшественниками триметилгаллий, триметилиндий и арсин. После формирования катализатора на Au-покрытом GaAs подложке выращивались нанопроводники GaAs. Последующие температурные рампы и переключение предшественников осаждали первый оболочечный слой InAs КТ, за которым следовал GaAs пробковый слой. Повторение этой последовательности давало пять концентрических слоев КТ вдоль боковых граней НП.

Геометрия устройства (рис. 1a) состоит из периодических нанопроводников GaAs/InAs высотой 500 нм, радиусом 100 нм и шагом 360 нм. p-тип оболочка и n-тип ядро были легированы соответственно 3×10¹⁸ см⁻³ и 1×10¹⁸ см⁻³. Слои КТ, смазывающие слои (СС) и окружающий GaAs рассматривались как эффективная среда толщиной 2 нм, используя объемно-взвешенные показатели преломления (уравнение 1).

a Схема гибридного элемента НП–КТ и его тонкопленочного аналога. b Детальное сечение элементарной ячейки. c Коэффициент поглощения эффективной среды; объемные доли: 0,0029 (КТ), 0,649 (СС), 0,348 (GaAs).

Оптические симуляции проводились методом 3D-FDTD (Lumerical) с периодическими граничными условиями и спектром AM1.5G, дискретизированным на 87 длин волн. Полученные профили генерации импортировались в решатель конечных элементов (Lumerical Device), который самосогласованно решает уравнения непрерывности переносиков и уравнение Пуассона, учитывая рекомбинацию: излучательную, Оже и Шокли–Реда–Холла. Захват переносиков из GaAs в СС и последующая релаксация в КТ моделировались с поправками полосы 100 мэВ, отражающими экспериментальные энергии активации. Подвижность в барьерах: 2500 см²/В·с (электроны) и 150 см²/В·с (дырки); скорость поверхностной рекомбинации 3000 см/с.

Результаты и обсуждение

Рисунок 3 демонстрирует, что слои КТ драматически усиливают поглощение за 450 нм и расширяют спектр до 950 нм. По мере увеличения длины НП преимущество поглощения КТ выше запрещенной зоны GaAs уменьшается, так как объемное поглощение GaAs становится доминирующим. Однако ниже запрещенной зоны вклад КТ растет с удлинением НП, образуя два выраженных пика на 876 нм и 916 нм — в соответствии с профилем поглощения эффективной среды (рис. 1c). Тонкопленочные структуры быстро насыщаются с толщиной; их меньшая объемная доля КТ ограничивает преимущества поглощения, особенно выше запрещенной зоны.

Спектры поглощения гибридного НП–КТ и тонкопленочного устройств для длин НП 500, 1000, 2000 и 3000 нм.

Карты оптической генерации (рис. 4) показывают, что переносчики, сгенерированные в эффективной среде, превосходят по числу те, что в GaAs, подтверждая усиление поглощения КТ. В коротких НП переносчики распределены по всей структуре, тогда как в длинных они концентрируются у верха, где резонанс направленных мод на длинных волнах усиливает поглощение КТ. Графики электрического поля на 876 нм и 916 нм демонстрируют сильное перекрытие со слоями КТ, иллюстрируя преимущество светозахвата массива НП. В то же время профиль генерации в тонкопленочном устройстве заметно слабее, подчеркивая ограниченную роль КТ в плоских структурах.

a Генерация в коротких НП. b Генерация в длинных НП. c Распределение поля на 876 нм и 916 нм. d Генерация в тонкопленочной структуре.

Расчеты производительности устройств (рис. 5) показывают, что включение КТ повышает плотность короткого замыкания (J_sc) на 1,09 мА/см² (короткие НП) и 1,22 мА/см² (длинные НП), но снижает открытое напряжение (V_oc) на 0,017 В и 0,021 В соответственно. Следовательно, общее улучшение КПД составляет 0,67% для коротких НП и 0,45% для длинных НП. Увеличение потерь V_oc вызвано трехпорядковым ростом излучательной рекомбинации в слоях КТ (рис. 5c). Тонкопленочные устройства при идентичной загрузке КТ демонстрируют прирост КПД всего 0,11%, что подтверждает ключевую роль геометрии нанопроводов для использования поглощения КТ.

a I-V коротких НП. b I-V длинных НП. c Сечение излучательной рекомбинации. d I-V тонкопленочных устройств.

Будущая работа может смягчить потери V_oc путем оптимизации размера, плотности и пространственного распределения КТ, потенциально давая более высокие коэффициенты поглощения и лучший сбор переносиков. Однако полученные результаты убедительно демонстрируют, что гибриды НП–КТ дают шестикратное преимущество над тонкопленочными аналогами, позиционируя их как перспективную архитектуру для солнечных элементов нового поколения на квантовых точках.

Выводы

Мы показали, что многослойные InAs КТ на нанопроводниках GaAs расширяют поглощение до 950 нм и усиливают КПД в шесть раз по сравнению с тонкопленочными конструкциями. Хотя КТ увеличивают J_sc, они также вводят дополнительную рекомбинацию, деградирующую V_oc; тщательная инженерия может компенсировать этот компромисс. Гибридная структура GaAs/InAs НП–КТ таким образом представляет убедительную платформу для высокоэффективных солнечных элементов на квантовых точках.

Аббревиатуры

3D‑FDTD:

Трехмерная метод конечных разностей во временной области

AsH₃:

Арсин

CCS:

Close Coupled Showerhead (душевая головка близкого сопряжения)

I‑V:

Вольт-амперная характеристика

J_sc:

Ток короткого замыкания

MOCVD:

Металлоорганическая химическая осаждение из паровой фазы

NW:

Нанопроводник

QD:

Квантовая точка

S‑K:

Странски–Крастанов

SRH:

Шокли–Ред–Холл

TE:

Трансверсально-электрический

TM:

Трансверсально-магнитный

TMGa:

Триметилгаллий

TMIn:

Триметилиндий

V_oc:

Открытое напряжение

WL:

Смазывающий слой (Wetting layer)