Превосходное замыкание света в массивах GaAs нанопроводов с гемиэллипсоидальными шапками при минимальной эффективной толщине

Аннотация

Мы сообщаем о новом классе массивов полупроводниковых нанопроводов (NW) с гемиэллипсоидальными и инвертированными гемиэллипсоидальными шапками на нитриде галлия (GaAs) нанопроводах. Геометрия шапки одновременно улучшает антирефлексию и рассеивает падающий свет, приводя к исключительному замыканию света даже при ультратонких эффективных слоях. Для массивов с инвертированными гемиэллипсоидальными шапками 90 % и 95 % фотонов выше запрещенной зоны GaAs захватываются, когда эффективная толщина составляет всего ≈180 нм и ≈270 нм соответственно. Эта производительность надежна в широком диапазоне высот шапок и углов падения, делая структуры идеальными для солнечных поглотителей следующего поколения.

Введение

Фотовольтаическая (PV) технология быстро развивалась, но стоимость кристаллических кремниевых модулей остается барьером для массового развертывания. Тонкопленочные устройства предлагают меньшее потребление материала, но страдают от ограниченного поглощения света из-за их уменьшенной оптической толщины. Стратегии управления светом, такие как антирефлексионные покрытия и текстурирование поверхности, могут смягчить это, но добавляют сложности и расходов. Наноструктурированные поглотители — нанопровода, наноконусы, нанопоры, наногемисферы — предоставляют внутренние оптические преимущества, включая градиентный показатель преломления и управляемые резонансы, без необходимости дополнительных слоев.

Несмотря на эти преимущества, никакая одиночная наноструктура не оптимально балансирует широкополосное поглощение и простоту fabrication. Поэтому мы исследуем гибридный подход, сочетающий верхнюю гемиэллипсоидальную или инвертированную гемиэллипсоидальную шапку с массивом GaAs нанопроводов. Этот дизайн использует низкий индексный контраст на вершине нанопровода для подавления отражения, в то время как геометрия шапки рассеивает свет в управляемые моды, достигая высокого поглощения при минимальной эффективной толщине.

Методы

Массивы моделировали на квадратной решетке с периодом 600 нм. Каждая элементарная ячейка включала GaAs нанопровод диаметра D, общей высоты H и высоты шапки h (см. Рис. 1). Метод конечных разностей во временной области (FDTD) решал уравнения Максвелла с периодическими боковыми граничными условиями и идеально согласованными слоями сверху и снизу. Отражение (R), пропускание (T) и поглощение (A = 1 − R − T) извлекали в диапазоне 300–1000 нм, покрывающем запрещенную зону GaAs (1,42 эВ) и основную часть солнечного спектра.

GaAs был выбран из-за его 1,42 эВ запрещенной зоны и высокой подвижности носителей. Для количественной оценки усиления поглощения мы рассчитывали нормализованную теоретическую плотность фотогенерации ^NJ_ph, определенную как отношение идеального фотогенерационного тока структуры к тому идеального поглотителя (≈32,0 мА/см² при AM 1.5 G). Значение 1,0 соответствует 100 % сбору фотонов выше запрещенной зоны.

Результаты и обсуждение

Рисунок 2 иллюстрирует ^NJ_ph в зависимости от высоты шапки h для массивов с H = 1000, 2000 и 3000 нм и диаметрами 100, 300 и 500 нм. Малые диаметры (100 нм) показывают монотонное снижение ^NJ_ph по мере увеличения h, потому что низкий эффективный показатель преломления ограничивает замыкание света, а шапка усиливает пропускание. Для больших диаметров (300–500 нм) существует оптимальное h, максимизирующее поглощение: для D = 500 нм и H = 1000 нм инвертированные гемиэллипсоидальные шапки высот 1000 нм и 750 нм достигают ^NJ_ph 0,90 и 0,95 соответственно, с эффективными толщинами всего ≈180 нм и ≈270 нм.

Антирефлексия внутренняя для массивов NW, потому что их эффективный показатель преломления постепенно совпадает с воздухом. Однако для тонких проводов (100 нм) низкий коэффициент заполнения приводит к высокому пропусканию, особенно в длинноволновом режиме (Рис. 3а). Добавление шапки не улучшает отражение, но увеличивает пропускание, снижая общее поглощение (Рис. 3б). Доминирующим механизмом здесь является HE₁₁ утекающий режим, как показано на вставке Рис. 3б.

Для больших диаметров (300–500 нм) коэффициент заполнения растет, повышая эффективный показатель преломления и отражение. Здесь гемиэллипсоидальная или инвертированная шапка драматически снижает отражение и усиливает поглощение (Рис. 3в, е). Оптимальный диапазон h широк: для D = 500 нм инвертированные шапки между 350–2000 нм и гемиэллипсоидальные между 600–2000 нм поддерживают ^NJ_ph > 0,95. Чрезмерно высокие шапки, однако, усиливают пропускание بالقرب запрещенной зоны и уменьшают поглощение, производя характерный подъем-падение тренд, видимый на Рис. 2.

Рисунок 3ж отображает спектры поглощения для чистых NW массивов с тремя диаметрами. По мере увеличения D край поглощения сдвигается к более длинным волнам, и доминирующий механизм переходит от утекающих режимов к рассеиванию. Осцилляции около 800 нм для 500 нм проводов возникают из управляемых продольных резонансов, заметных на вставке.

Пространственное распределение скорости генерации фотоносителей под AM 1.5 G для массивов с H = 2000 нм и D = 500 нм, модифицированных (слева) гемиэллипсоидами (h = 500 нм) и (середина) инвертированными гемиэллипсоидами (h = 500 нм), показано на Рис. 4. Скорость генерации в чистом NW массиве показана справа для сравнения.

Верхние шапки расширяют объем, в котором генерируются носители, улучшая сбор носителей — особенно для планарных p-n переходов — и увеличивая толерантность к объемным дефектам. Однако шапка также повышает поверхностную плотность носителей, подчеркивая необходимость эффективной поверхностной пассивации для подавления рекомбинации.

Рисунок 5 демонстрирует, что и гемиэллипсоидальные, и инвертированные шапки сохраняют высокое поглощение даже при косом падении. При 60° поглощение падает менее чем на 5 %, а теоретическая плотность фотогенерации остается в пределах 5 % от значения при нормальном падении, подтверждая отличную всенаправленную производительность.

Для валидации симуляции мы сравнили круглые поперечные сечения проводов с реалистичными ортошестиугольными (тот же объем, 2 мкм длина). Спектры поглощения совпадали в диапазоне 310–873 нм, подтверждая, что находки применимы к экспериментально изготовленным проводам с некруглыми поперечными сечениями.

Эти результаты иллюстрируют, что простое модификация верхней шапки, в сочетании с соответствующим размером основания нанопровода, предоставляет практический путь к высокоэффективным, низкотолщинным световым поглотителям.

Заключение

Мы продемонстрировали, что добавление гемиэллипсоидальных или инвертированных гемиэллипсоидальных шапок к массивам GaAs нанопроводов драматически улучшает замыкание света, сохраняя эффективную толщину ниже 300 нм. Усиленная антирефлексия и рассеивание синергетически усиливают поглощение, достигая 90–95 % захвата фотонов выше запрещенной зоны с эффективными толщинами, контролируемыми высотой шапки, ≈180 нм и ≈270 нм. Модифицированные массивы также демонстрируют надежное всенаправленное поглощение и расширенный профиль генерации носителей, что выгодно для планарных p-n устройств. Эти находки предоставляют прямой принцип дизайна для продвинутых, низкозатратных солнечных поглотителей.