Оптимизация широкополосного поглощения света в тонкопленочных кремниевых солнечных элементах с двусторонними пирамидальными решетками

Аннотация

Использование двусторонней пирамидальной решетки на тонких пленках кристаллического кремния (CS) может существенно расширить характеристики поглощения света. Передняя решетка эффективно подавляет отражение в коротковолновой области, а задняя — в длинноволновой. В данном исследовании анализируется распределение поглощения фотонов для каждого компонента двусторонней структуры и сравнивается с голым CS. Теоретические моделирования показывают, что грамотная настройка параметров решетки резко снижает широкополосное отражение, способствуя созданию черного кремния и повышению общего захвата света. Однако результаты указывают на то, что добавление задней решетки не приводит к повышению эффективного поглощения в объеме кремния.

Введение

Прогресс в микрофабрикации сделал нанометровые поверхностные текстуры и спроектированные морфологии основой фотоэлектрики нового поколения. Для тонкопленочных солнечных элементов на основе CS оптимизация структурных параметров критична для приближения эффективности к теоретическому пределу Яблоновича. Поскольку каждый поглощенный фотон с энергией выше запрещенной зоны создает одну электрон-дырочную пару, распределение поглощения фотонов по слоям элемента определяет предельную КПД. В работе рассматривается влияние передних (FPG), задних (RPG) и комбинированных (DSPG) пирамидальных решеток на поглощение фотонов в слое CS.

Общее поглощение фотонов A разбивается на три вклада: поглощение в передних решетках (A_F), в объеме кремния (A_Si) и в задних решетках (A_R), как показано на рис. 1. Эти величины удовлетворяют соотношению сохранения R + T + A = 1. Важно, что A_Si рассчитывается по-разному для каждой структурной вариации.

Методы

Моделирование сочетает метод чистого излучения с эффективно-средней аппроксимацией, сочетание, которое согласуется с экспериментальными данными для кремниевых решеток. На рис. 2 показана многослойная система: N-слойная структура со сложными показателями преломления N_i на каждом интерфейсе (i = 1…N-1). Входящие и исходящие энергетические потоки обозначаются Q_i,a, Q_i,b, Q_i+1,c, Q_i+1,d.

Энергетический баланс на каждом интерфейсе описывается уравнениями, где r_i,i+1 и t_i,i+1 — коэффициенты отражения и прохождения Френеля. Коэффициент затухания поглощения слоя i: τ_i = exp[-α_id_i/cosφ_i], где α_i = 4πk_i/λ, k_i — мнимая часть N_i. При нормальном падении Q_1,a=1 и нулевом исходящем потоке сзади Q_N,d=0 коэффициент поглощения слоя i равен A_i = Q_i,a - Q_i,c + Q_i,d - Q_i,b.

Эффективные показатели преломления для пирамидальных слоев получают по формуле Бруггемана с учетом объемных долей кремния и воздуха. Общий поглощенный фотонный поток в слое i: Φ_i = ∫ A_i F(λ) λ/(h₀c₀) dλ, где F(λ) — солнечный спектр AM1.5. Суммарный поглощенный поток Φ = ΣΦ_i.

Результаты и обсуждение

Для честного сравнения толщину слоя CS зафиксировали H = 10 мкм. Высота пирамид и диаметр основания: H₁=H₂=200 нм, D₁=D₂=100 нм. Отношение периода к диаметру для передней решетки P₁/D₁=1. Для задней исследуют P₂/D₂=1 и 10. Двусторонняя конфигурация объединяет эти наборы параметров.

Рис. 3 суммирует оптическую производительность каждой структуры. Передние решетки драматически снижают широкополосное отражение и повышают общее поглощение, особенно в коротковолновой области (области I и II). Задние решетки дополнительно подавляют отражение в инфракрасной области (область II) при P₂/D₂=10. Вместе DSPG может приблизиться к пределу Яблоновича и достичь близкого к нулю отражения во всем спектре — признак черного кремния. Интересно, что задние решетки увеличивают пропускание в видимом и ближнем ИК, что может быть полезно для фотодетекторов.

Для анализа локализации поглощения построены трехмерные контурные карты для FPG и RPG (рис. 4, 5). Они показывают, что для FPG увеличение высоты пирамид усиливает общее поглощение, но в конечном счете снижает поглощение в объеме кремния, когда передний слой становится слишком высоким. Оптимальная геометрия передней решетки: P₁/D₁=1,05 и H₁=53 нм.

Для RPG большее отношение периода к диаметру (P₂/D₂=10) в сочетании с меньшей высотой пирамид повышает ИК-поглощение за счет перенаправления света обратно к активному слою. Однако поглощение в объеме кремния практически не меняется, так как задние решетки отражают многие фотоны, а не захватывают их. Следовательно, хотя задние решетки улучшают общее поглощение, они не повышают эффективное поглощение в теле CS.

Рис. 6 обобщает четыре представительных набора параметров DSPG. Когда отношение передней решетки слишком велико (например, P₁/D₁=10 при H₁=10 нм), отражение растет, а поглощение падает. Только конфигурация P₁/D₁=1,05, H₁=53 нм в паре с P₂/D₂=1,03, H₂=170 нм дает близкое к нулю отражение и максимальное поглощение по всему спектру. Даже в этом оптимальном DSPG доля фотонов, поглощенных объемом кремния, не превосходит лучшей отдельной FPG, что подтверждает: задние решетки дают незначительную пользу для объемного поглощения.

Подводя итог: задняя решетка может адаптировать спектральный отклик и снизить отражение, но не улучшает эффективное поглощение в объеме кремния. Геометрия передней решетки остается ключевым фактором для максимизации объемного поглощения и создания высокоэффективных малорефлектирующих кремниевых солнечных элементов.

Заключение

Стратегия двусторонней пирамидальной решетки повышает общее поглощение света и может подавлять отражение по всему спектру. Однако она не улучшает эффективное поглощение в объеме кремния. Для оптимальной производительности рекомендуется отношение периода к диаметру передней решетки ниже 1,4 и высота от 10 до 600 нм. Задние решетки дают минимальную пользу для объемного поглощения и могут быть опущены в пользу упрощенного, экономичного дизайна, сосредоточенного на передней текстуре.

Аббревиатуры

CS

Кристаллический кремний

DSPG

Двусторонняя пирамидальная решетка

FPG

Передняя пирамидальная решетка

RPG

Задняя пирамидальная решетка