Эффективное поглощение света с использованием решеток двусторонней пирамиды для тонкопленочных кремниевых солнечных элементов

Фон

С развитием технологии микропроизводства нанометровая морфология поверхности и дизайн структуры стали более распространенными и действительно важными [1, 2]. Оптимизация параметров становится более актуальной и необходимой, особенно для тонкопленочных солнечных элементов на основе кристаллического кремния (CS) [3,4,5,6]. Есть несколько отчетов о конструкции двусторонней решетки, применяемой к тонкопленочным солнечным элементам CS, и все они выражают схожие мнения о том, что такая структура может обеспечить увеличение широкополосного поглощения света, которое может достигать предела Яблоновича [7,8 , 9,10]. Нет сомнений в том, что конструкция двусторонней решетки может улучшить общую способность солнечных элементов CS к улавливанию света. В конце концов, генерация и разделение электронно-дырочных пар происходит внутри КП, и рассмотрение каждого поглощенного фотона с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, дает одну и только одну электронно-дырочную пару, так как поглощение фотона распределяется между различными частями солнечной батареи CS является предметом данной статьи. Кроме того, нашей целью является увеличение поглощения фотонов самой CS до максимума путем настройки параметров.

В данной работе изучаются распределения поглощения фотонов передней решеткой пирамиды (FPG), решеткой задней пирамиды (RPG) и решеткой двусторонней пирамиды (DSPG). Полное поглощение фотонов A далее разделен на три различные части, как показано на рис. 1, поглощение фотонов решетками передней поверхности, часть CS и решетки задней поверхности, и помечены как A _F , А _Си , и A _R , соответственно. Отражение света R , трансмиссия T , и полное поглощение A удовлетворить R + Т + A =1. A _Си не рассчитывается одинаково для разных моделей конструкций.

Различные структуры тонкопленочных солнечных элементов из кристаллического кремния (CS) с пирамидальными решетками или без них. а Чистый кристаллический кремний (BCS). б Решетка передней пирамиды (ФПГ). c Решетка задней пирамиды (РПГ). г Двусторонняя пирамидальная решетка (ДСПГ). ( А _F , А _Си , и A _R представляют собой поглощение света решетками передней поверхности, частью CS и решетками задней поверхности соответственно. H - толщина слоя CS; P ₁ , D ₁ , H ₁ и P ₂ , D ₂ , H ₂ представляют период, нижний диаметр и высоту кремниевой пирамиды передней или задней поверхности соответственно)

Методы

В наших теоретических расчетах метод чистого излучения и приближение эффективной среды используются вместе из-за хорошего совпадения результатов моделирования и экспериментов [4, 11]. Как показано на рис. 2, многослойная система среды N слои, N _я - комплексный показатель преломления i среда и интерфейсы помечены как i =1,…, N - 1, где i - общее количество интерфейсов. Индексы a , d и b , c представляют собой входящее и выходящее электромагнитное излучение соответственно. Соотношения между исходящими и входящими потоками энергии ( Q ) на каждом интерфейсе можно выразить в терминах отражения на интерфейсе и передачи, проходящей через среду. Для каждого интерфейса i , есть четыре уравнения,

Схематическая структура многослойной среды кремниевых решеток пирамиды с условной нумерацией границ раздела (1,…, i ,…, N - 1), комплексный показатель преломления ( N ₁ ,…, N _я ,…, N _N ) и потоки электромагнитного излучения ( Q _{я , а} , Q _{я , b} , Q _{я +1, c ,} Q _{я +1, d} ,…)

г _{я , я +1} и t _{я , я +1} ( г _{я , я +1} + t _{я , я +1} =1) - коэффициенты отражения и пропускания, соответственно, которые определяются с использованием законов Френеля на каждой из границ раздела. Нижние индексы указывают потоки энергии, передаваемые из слоя i . на слой i +1 и наоборот. τ _я - коэффициент ослабления поглощения в слое i , определенный

где α _я =4π k _я / λ коэффициент поглощения слоя i и d _я / cos ( φ _я ) - расстояние, пройденное через слой толщиной d _я с углом распространения φ _я . к _я - мнимая часть комплексного показателя преломления N _я = n _я - ik _я . Оба реальных показателя преломления n _я и коэффициент экстинкции k _я являются функциями от λ . Предполагая перпендикулярный падающий поток энергии Q _{1, а} =1 и Q _{N , d} =0, то для каждого слоя i , коэффициент поглощения энергии A _я = Q _{я , а} - В _{я , c} + Q _{я , d} - В _{i, b} можно проработать.

Эффективная многослойная структура кремниевой пирамиды также показана на рис. 2, а комплексные показатели преломления различных слоев могут быть решены с помощью формулы приближения эффективной среды

где f ₁ и f ₂ - отношение объемного заполнения решеток кремниевой пирамиды и воздуха, соответственно, и f ₁ + f ₂ =1. N _Си , N _Воздух , и N _Эфф - комплексные показатели преломления CS, воздуха и прослойки кремниевых решеток пирамиды соответственно.

Комбинируя приведенные выше формулы, можно рассчитать поглощенный поток фотонов каждого слоя по следующей формуле:

А _я - коэффициент поглощения энергии каждого слоя; F ( λ ) - распределение спектральной интенсивности солнечного излучения на поверхности Земли в спектре AM1.5. λ длина волны падающего света, h ₀ и c ₀ - постоянная Планка и скорость света в вакууме соответственно. Общее количество поглощенных фотонов можно выразить как Φ =∑ Φ _я .

Результаты и обсуждение

Для различных структур решеток пирамиды и для целей сравнения соответствующие параметры выбираются следующим образом. Во-первых, толщина слоя CS H =10 мкм; высота и нижний диаметр кремниевой пирамиды устанавливаются H ₁ = H ₂ =200 нм и D ₁ = D ₂ =100 нм соответственно. Для FPG отношение периода к диаметру дна установлено P ₁ / D ₁ =1, а для РПГ - два соотношения P ₂ / D ₂ =1 и P ₂ / D ₂ =10 считаются. Наконец, для DSPG сравниваются различные комбинации вышеуказанных параметров.

Оптические характеристики различных структур решеток пирамиды при заданных параметрах показаны на рис. 3. Как видно из рис. 3 (а) и (б), решетки на передней поверхности могут значительно уменьшить отражение света всей полосы и улучшить общее поглощение света, особенно в областях I и II. Между тем, в области II поглощение инфракрасного света может быть улучшено решетками на задней поверхности при надлежащих параметрах соотношения ( P ₂ / D ₂ =10). Следовательно, их совместное использование для DSPG и регулировка правильных параметров может не только максимизировать поглощение света до предела Яблоновича [7], но также достичь нулевого отражения света всей полосы, что может сделать настоящий черный кремний. Кроме того, пирамидальные решетки на задней поверхности могут увеличивать пропускание видимого и ближнего инфракрасного света, видимого на рис. 3 (c), что выгодно для использования в фотодетекторах ближнего инфракрасного диапазона и других областях [9, 10]. P>

Оптические свойства различных структур кремниевых решетчатых пирамид при заданных параметрах по сравнению с BCS той же толщины (BCS ( H =10 мкм), FPG ( P ₁ / D ₁ =1, H ₁ =200 нм), РПГ ( P ₂ / D ₂ =1 или P ₂ / D ₂ =10, H ₂ =200 нм), DSPG ( P ₁ / D ₁ =1, P ₂ / D ₂ =1 или P ₂ / D ₂ =10, H ₁ = H ₂ =200 нм)). ( а ), ( b ) и ( c ) - полная светоотражающая способность, поглощающая способность и коэффициент пропускания соответственно

Конечной целью солнечных элементов CS является значительное увеличение поглощения света, особенно в корпусе CS. Следовательно, необходимо дальнейшее изучение распределения поглощенных фотонов между различными частями. Для структуры FPG и структуры RPG трехмерные контурные карты поглощения фотонов в каждой части показаны на рисунках 4 и 5 соответственно.

Контурные карты распределения поглощения фотонов в разных частях для структуры FPG. ( а ) Полное поглощение фотонов A . ( б ) Поглощение фотонов решетками передней поверхности A _F . ( c ) Поглощение фотонов частью CS A _Си . (Пунктирная линия на рисунке представляет абсорбцию BCS)

Контурные карты распределения поглощения фотонов в разных частях структуры РПГ. ( а ) Полное поглощение фотонов A . ( б ) Поглощение фотонов частью CS A _Си . ( c ) Поглощение фотонов решетками задней поверхности A _R . (Пунктирная линия на рисунке представляет абсорбцию BCS)

Для структуры FPG, изменяющей геометрические параметры массивов пирамид, общее распределение поглощения фотонов по сравнению с распределением поглощения фотонов каждой части показано на рис. 4. Из рис. 4 (а) видно, что общее количество поглощенных фотонов возрастают с увеличением высоты пирамиды, тогда как большее отношение периода к диаметру неэффективно для поглощения фотонов. Таким образом, это означает, что более высокая высота и меньший зазор будут собирать больше высокочастотных фотонов, и то же самое кажется верным для поглощения FPG, показанного на рис. 4 (b). Однако, если высота FPG продолжает увеличиваться, это снижает поглощение фотонов CS, расположенного ниже, как показано на рис. 4 (c). Очевидно, что существует оптимальная конфигурация параметров, при которой P ₁ / D ₁ =1,05, H ₁ =53 нм. Кроме того, если предположить, что фотоны, поглощенные кремниевой пирамидой, не участвуют в преобразовании электронно-дырочных пар в КП, на основе этих расчетов также получаются подходящие диапазоны геометрических параметров ГПН и сравниваются с голыми кремний, показанный на рис. 4 (c). Короче говоря, чем выше высота FPG, тем ниже коэффициент отражения, но это не означает, что светопоглощение более эффективное.

Таким же образом, для структуры RPG, распределения поглощения фотонов в целом и каждой части показаны на рис. 5. Для полного поглощения, показанного на рис. 5 (a), по сравнению со структурой FPG, наблюдается значительный Разница в том, что поглощение фотонов усиливается с увеличением отношения периода к диаметру дна и более низкой высоты пирамиды. Это означает, что, с одной стороны, большее отношение P ₂ / D ₂ и меньше H ₂ уменьшают передачу низкочастотных фотонов, и фотоны поворачиваются назад, тем самым увеличивая отражение. Но, с другой стороны, фотоны при этом поглощаются. Очевидно, что конфигурация параметров, которая приводит к наименьшему поглощению, равна P ₂ / D ₂ =1,01, H ₂ =168 нм, и подходящие диапазоны геометрических параметров РПГ также получены по сравнению с голым кремнием, показанным на рис. 5 (а). Однако в части CS, показанной на рис. 5 (b), нет очевидного улучшения эффективного поглощения света, потому что большое количество фотонов отражается. Рисунок 5 (c) показывает, что фотоны, поглощаемые решеткой на задней поверхности, на два порядка меньше, чем фотоны, поглощаемые CS, и наблюдается аналогичная тенденция, которая выглядит как тенденция полного поглощения, показанная на рисунке 5 (a). Здесь также конфигурация параметров P ₂ / D ₂ =1.03 и H ₂ =170 нм и почти то же, что и выше.

Как видно из распределения поглощения FPG и RPG, первый, очевидно, играет важную роль в улучшении поглощения фотонов, показанных на рис. 4 (c), в то время как последний подразумевает, что поглощение фотонов в CS-части ослаблено из-за наличие решеток на задней поверхности, показанных на рис. 5 (б). Комбинируя полученные выше данные, изучаются оптические свойства четырех наборов различных параметров, которые представляют собой DSPG, и показаны на рис. 6.

Оптические свойства четырех наборов различных параметров для DSPG ( P ₁ / D ₁ =10, H ₁ =10 нм и P ₂ / D ₂ =1,03, H ₂ =170 нм или P ₂ / D ₂ =10, H ₂ =10 нм; P ₁ / D ₁ =1,05, H ₁ =53 нм и P ₂ / D ₂ =1,03, H ₂ =170 нм или P ₂ / D ₂ =10, H ₂ =10 нм) по сравнению с BCS ( H =10 мкм) и FPG ( P ₁ / D ₁ =1,05, H ₁ =53 нм и P ₁ / D ₁ =10, H ₁ =10 нм). ( а ), ( b ), ( c ) и ( d ) - это общая светоотражающая способность, коэффициент пропускания, поглощающая способность и поглощающая способность части CS, соответственно

Из-за слабой способности передачи высокочастотных фотонов, показанной на рис. 6 (b), если отношение периода к диаметру дна не подходит ( P ₁ / D ₁ =10 и H ₁ =10 нм), это не только не снижает коэффициент отражения, но также вызывает увеличение отражения и уменьшение поглощения, как показано на рис. 6. Только подходящие параметры ( P ₁ / D ₁ =1,05 и H ₁ =53 нм) позволяет добиться значительного увеличения поглощения света. Для CS, из-за его собственной неспособности поглощать фотоны более низкой частоты, как показано в области III, модуляция решеток на передней и задней поверхности влияет только на распределение света между отражением и пропусканием. Становится очевидным, что задние решетки играют основную роль в областях II и III, и при подходящем согласовании параметров решеток передней поверхности ( P ₁ / D ₁ =1,05, H ₁ =53 нм, и P ₂ / D ₂ =1,03, H ₂ =170 нм) может быть реализовано практически нулевое отражение всего диапазона волн. По сравнению с FPG с теми же параметрами, для полного поглощения, показанного на рис. 6 (c), в области II, наличие решеток на задней поверхности с соответствующими параметрами может фактически улучшить поглощение инфракрасного света ( P ₂ / D ₂ =10, H ₂ =10 нм), что подтверждает предыдущие выводы о том, что несовпадающая конструкция двойной решетки может позволить значительно улучшить характеристики устройства [10]. Однако для поглощения части CS, показанной на рис. 6 (d), использование конструкции решеток на задней поверхности мало влияет на улучшение поглощения света CS. Следовательно, в этом смысле, хотя RPG может отражать свет и перенаправлять его обратно к фотоактивным областям солнечного элемента [12], он не дает дополнительных преимуществ для эффективного поглощения света. Необходимо разработать некоторые новые конструкции для настройки спектра поглощения для оптимальной интеграции [1, 13].