Повышение фотоэлектрической эффективности наноконусных GaAs p-i-n солнечных элементов за счет оптимизированного оптического поглощения

Аннотация

Исследуется фотоэлектрическая производительность осевых и радиальных p-i-n переходов GaAs наноконусных массивов солнечных элементов. По сравнению с цилиндрическими нанопроводами, наноконусы не только улучшают общее оптическое поглощение, но, что важнее, усиливают эффективное поглощение (поглощение в зоне истощения). Усиление эффективного поглощения атрибутируется нисходящему смещению и расширению области поглощения, вызванному сужающимся верхом, что драматически подавляет потери поглощения в высоколегированном верхнем регионе и усиливает поглощение в зоне истощения. Наивысшие коэффициенты преобразования для осевых и радиальных GaAs наноконусных солнечных элементов составляют 20,1% и 17,4%, полученные при угле склона 5° и 6° соответственно, оба значительно выше их цилиндрических аналогов. Наноконусные структуры являются перспективными кандидатами для высокоэффективных солнечных элементов.

Введение

Низкоразмерные материалы, включая квантовые точки (QD), нанопровода (NW) и двухмерные слоистые материалы, перспективны для фотоэлектрических приложений благодаря уникальным свойствам. По сравнению с планарными аналогами, III-V нанопроводные массивы имеют отличные оптические свойства, такие как антирефлексия и светозахват, показывая большой потенциал в высокопроизводительных солнечных элементах. Более того, ультрамалый площадь основания NW достаточно снижает расход материала и увеличивает терпимость к несоответствию решеток, позволяя реализовать низкозатратные солнечные элементы с меньшим материалом и дешевыми подложками. p-i-n переход является ключевой частью NW солнечного элемента, поглощающей свет и преобразующей фотоны в электронно-дырочные пары. Согласно геометрии p-i-n перехода, NW массив солнечные элементы делятся на осевые и радиальные (или core-shell) p-i-n солнечные элементы, оба широко изучаемые. Однако на данный момент лучшие эффективности для осевых и радиальных III-V NW массив солнечных элементов составляют 15,3% и 7,43% соответственно, все еще намного ниже их планарных аналогов.

До сих пор много усилий прилагалось для улучшения производительности NW массив солнечных элементов, в основном включая оптимизацию соотношения диаметр/период (D/P), диаметра и длины, для получения лучшего оптического поглощения всего NW массива. Однако усиление поглощения всего NW массива не обязательно ведет к увеличению конечной коэффициента преобразования. Для практических p-i-n NW массивов фотоноснители, сгенерированные в p (или n) области, быстро рекомбинируют из-за отсутствия встроенного электрического поля. Следовательно, в некоторой степени поглощение в зоне истощения, или эффективное оптическое поглощение, напрямую определяет конечную эффективность. Однако для типичных цилиндрических NW массивов большинство света поглощается верхней частью NW, тогда как поглощение зоны истощения, которая обычно располагается в середине, недостаточно. В частности, для осевых p-i-n NW массивов падающий свет должен пройти через p(n) область перед поглощением зоной истощения, что приводит к большим потерям света.

Один из возможных способов улучшить эффективное оптическое поглощение NW массивов — модулировать геометрию NW. Например, осевой p-i-n наклонный NW массив солнечный элемент сообщался для усиления поглощения зоны истощения за счет снижения поглощения верхнего p (или n) региона. Однако на практике D/P отношение должно быть намного ниже, чем для вертикальных NW массивов, чтобы избежать перекрытия соседних NW, что ограничивает коэффициент преобразования. Суженные NW, или наноконусы, ожидается усилят эффективное оптическое поглощение, так как падающий свет может быть непосредственно поглощен зоной истощения без прохождения через верхний регион. На сегодняшний день наноконусы с разными углами склона и аспектными соотношениями фabриковали Au-катализированным пар-жидкость-твердое тело и само-собранными безкатализаторными методами, и оптические свойства также моделировали. В практических солнечных элементах влияние легирования на транспорт и оптические свойства не может быть проигнорировано, и радиативная, Авгера и Шокли-Ред-Холл (SRH) рекомбинация также играет важную роль в фотоэлектрическом преобразовании. Однако, на наш ведении, фотоэлектрическая производительность наноконусных p(i)n солнечных элементов с учетом вышеуказанных факторов не изучалась детально.

В этой статье представлена связанная трехмерная (3D) оптоэлектронная симуляция для исследования фотоэлектрической производительности осевых и радиальных p-i-n переходов GaAs наноконусных солнечных элементов. Оптические свойства изучали с помощью модуля Sentaurus Electromagnetic Wave (EMW) Solver. Фотогенерационные профили затем включали в электрические симуляции для расчета вольт-амперных характеристик (J-V) методом конечных элементов (FEM). Легирование-зависимая подвижность, сужение запрещенной зоны и радиативная, Авгера и SRH рекомбинация учитывались в электрических симуляциях. Наивысшие эффективности для осевых и радиальных p-i-n наноконусных солнечных элементов составляют 20,1% и 17,4% соответственно, намного выше их цилиндрических аналогов. Механизм повышения эффективности обсуждается.

Методы

Модель осевого p-i-n GaAs наноконусного массива показана на рис. 1, состоящая из периодических осевых p-i-n GaAs наноконусов с диаметром D = 180 нм, периодом P = 360 нм и длиной L = 2 мкм. Оба p- и n-регионы имеют длину 200 нм и равномерно легированы до 3×10¹⁸ см⁻³ и 1×10¹⁷ см⁻³ соответственно. GaAs подложка n-легирована с концентрацией носителей 1×10¹⁷ см⁻³. Диаметр наноконуса определяется как среднее верхнего и нижнего диаметров. Угол склона (θ) — угол между боковой стенкой и нормалью к нижней поверхности (подложке). В симуляции угол склона меняли от 0 до 5° изменением нижнего и верхнего диаметров при сохранении среднего диаметра постоянным.

Оптические свойства структуры изучали через модуль Sentaurus EMW Solver. Минимальный размер ячейки FDTD сетки установлен 5 нм, число узлов на длину волны 20 во всех направлениях. Периодические граничные условия позволяли проводить симуляции в одной единичной ячейке для моделирования периодического массива. Для экономии ресурсов толщину GaAs подложки ограничили 0,4 мкм, однако используя идеально согласованный слой (PML) рядом с подложкой, проходящий свет полностью поглощается, что позволяет моделировать полубесконечную GaAs подложку. Длина волны-зависимый комплексный показатель преломления для описания дисперсии материала GaAs взят из работы Levinshtein et al. Падающий свет сверху задан параллельно оси NW. Использовали плоскую волну с интенсивностью мощности и длинами волн из дискретизированного AM 1.5G солнечного спектра (290–900 нм, типичная область поглощения GaAs) для моделирования солнечного света. Общая оптическая генерация под AM 1.5G освещением моделируется наложением взвешенных по мощности одиночных длина волны оптических генераций. Оптическая генерация G_ph получена из вектора Пойнтинга S:

$$ G_{ph}=\frac{\left|\overrightarrow{\nabla}\cdot \overrightarrow{S}\right|}{2\hbar\omega}=\frac{\varepsilon^{\prime\prime} |\overrightarrow{E}|^2}{2\hbar} $$

где ħ — приведенная постоянная Планка, ω — угловая частота падающего света, E — интенсивность электрического поля в каждой точке сетки, ε″ — мнимая часть проницаемости. Рефлексионный монитор расположен над верхней поверхностью NWA, трансляционный — на нижней поверхности подложки для расчета поглощенного света. Мощность, прошедшая через мониторы, нормализована к источник мощности на каждой длине волны. Рефлективность R(λ) и прохождение T(λ) рассчитываются уравнением:

$$ R(\lambda), T(\lambda)=0.5\int \mathrm{real}\{p(\lambda)_{\mathrm{monitor}}\} dS / P_{\mathrm{in}}(\lambda) $$

Спектр поглощения A(λ) GaAs NWA задается:

$$ A(\lambda)=1-R(\lambda)-T(\lambda) $$

Для электрического моделирования 3D оптические профили генерации включают в сетку конечных элементов NW в электрическом инструменте, который решает уравнения непрерывности носителей, связанные с уравнением Пуассона, самосогласованно в 3D. Легирование-зависимая подвижность, сужение запрещенной зоны и радиативная, Авгера и SRH рекомбинация учитываются в симуляциях устройств. Критические материальные параметры для симуляций устройств в основном взяты из модели Levinshtein.

Результаты и обсуждение

Осевые p-i-n GaAs наноконусные солнечные элементы

Рис. 2a–c показывает длина волны-зависимое поглощение, рефлективность и прохождение осевых GaAs наноконусных массивов с разными углами склона. По сравнению с цилиндрическими NW массивами (θ=0°), наноконусные массивы показывают более низкую рефлективность по всему диапазону длин волн, и явление становится более очевидным с увеличением угла склона. Антирефлекционная способность NW массивов атрибутируется низкому коэффициенту заполнения, снижающему эффективный показатель преломления и предлагающему хорошее согласование импеданса между GaAs и воздухом. Для наноконусных массивов с большим углом склона коэффициент заполнения на вершине массива крайне низок, ведущий к почти идеальному согласованию с воздухом и почти нулевой рефлексии. В коротковолновом диапазоне 300–700 нм поглощение увеличивается с ростом угла склона из-за подавления рефлексии. Однако поглощение длинноволнового света近 GaAs запрещенной зоны уменьшается при большом склоне из-за очень тонкого верха наноконуса, который не способен поддерживать оптические моды. Рис. 2d показывает AM 1.5G взвешенный интеграл спектров поглощения, рефлексии и прохождения для разных углов склона. При малых углах поглощение растет с увеличением угла склона из-за сниженной рефлексии. Когда угол склона превышает 3°, поглощение слегка снижается. Это, вероятно, атрибутируется уменьшению поглощающего пути, так как очень тонкий верх наноконуса не поддерживает длинноволновые моды. Тем не менее, общее поглощение наноконусов при разных углах склона (1–5°) имеет очень малое различие (в диапазоне 92–93,5%), предполагая, что угол склона мало влияет на общее поглощение. Альтернативно, угол склона считается имеющим сильное влияние на поглощение в интринзик регионе, которое доминирует в фотоэлектрическом преобразовании. Это будет подробно обсуждено ниже.

Общие оптические профили генерации осевых GaAs наноконусных массивов под AM 1.5G освещением показаны на рис. 3a. Видно, что при θ=0° большинство поглощенных фотонов концентрируется на вершине цилиндрических NW. Из-за высокой легированности и отсутствия встроенного электрического поля для разделения электронно-дырочных пар, рекомбинация фотоноснителей в верхнем p-регионе очень высока, приводя к большим потерям падающего света. Для наноконусных массивов позиция фотонного поглощения смещается вниз с увеличением угла склона, приводя к усилению поглощения в i-регионе. Как сообщалось, поглощение света NW доминирует резонансными модами, тесно связанными с диаметром NW. Благодаря уникальной геометрии наноконусов, мало длинноволновых мод могут поддерживаться в верхнем регионе с малым диаметром. Это подтверждается рис. 3b–g, представляющими длина волны-зависимые оптические профили генерации наноконусов при θ=0–5°. Видно, что в цилиндрических NW большинство поглощения концентрируется в верхнем регионе для всех длин волн. Однако по мере увеличения угла склона оптические моды, особенно длинноволновые, смещаются вниз в более толстый регион. Следовательно, увеличение угла склона не только приводит к усилению поглощения в среднем i-регионе, но и результатом снижения поглощения в верхнем регионе. Это объясняет, почему наноконусный массив с умеренным углом склона 3° имеет высокое общее поглощение, как показано на рис. 3e, так как поглощение в обоих верхнем p-регионе и среднем интринзик регионах относительно сильно при этом угле. Считается, что нисходящее смещение поглощения играет критическую роль в улучшении производительности устройства, так как оно не только подавляет потери поглощения в верхнем p-регионе, но и усиливает поглощение в среднем i-регионе.

Спектры поглощения i-региона показаны на рис. 4a. В коротковолновом регионе, по мере сужения диаметра p-региона с увеличением угла склона, и объем p-региона, и мощность света, которая может быть сконфайнена в наноконусе, уменьшаются, приводя к недостаточному поглощению в p-регионе и высокому поглощению в i-регионе. В длинноволновом регионе область поглощения расширяется в нижний n-регион в наноконусах при большом угле склона, что приводит к снижению поглощения в i-регионе. Рис. 4b показывает интеграл спектров поглощения в i-регионе. Поглощение каждой длины волны взвешено AM 1.5G спектром. Видно, что поглощение в i-регионе драматически увеличивается с увеличением угла склона, указывая на усиленное эффективное поглощение, которое ожидается улучшить коэффициент преобразования.

Фотогенерационные профили затем включают в электрический инструмент для изучения фотоэлектрической производительности осевого p-i-n наноконусного массива солнечного элемента. Рис. 5a показывает вольт-амперные характеристики при разных углах склона. По сравнению с цилиндрическими NW массивами, намного более высокие токи короткого замыкания (J_sc) получены в наноконусных массивах солнечных элементов. При θ=5° устройство дает J_sc 30,1 мА/см² (на 7,3 мА/см² выше цилиндрического) и V_oc 0,885 В, результатом в высокой фотоэлектрической эффективности (η) 20,1% (на 4,8% выше цилиндрического). Рис. 5b показывает зависимость коэффициента преобразования от угла склона. По мере увеличения угла склона от 0 до 5°, коэффициент преобразования монотонно возрастает от 15,3 до 20,1%. Как упоминалось ранее, поглощение всего наноконусных массивов насыщается при θ=2°, предполагая, что улучшение эффективности при большом угле склона не вызвано усилением поглощения всего массива. Вместо этого тренд коэффициента преобразования высоко согласуется с поглощением в i-регионе, показанным на рис. 4b, демонстрируя, что коэффициент преобразования доминирует эффективным оптическим поглощением в i-регионе.

Радиальные p-i-n GaAs наноконусные солнечные элементы

Модель радиального p-i-n GaAs наноконусного массива показана на рис. 6, состоящая из периодических радиальных p-i-n GaAs наноконусов с диаметром D = 360 нм, периодом P = 720 нм и длиной L = 2 мкм. Толщина i-региона 10 нм, и радиус ядра равен толщине оболочки. Легированности n-тип ядра и p-тип оболочки установлены такими же, как для осевых наноконусов. Угол склона меняют от 0 до 10° изменением нижнего и верхнего диаметров при постоянном среднем диаметре.

Длина волны-зависимое поглощение, рефлективность и прохождение радиальных GaAs наноконусных массивов с разными углами склона показаны на рис. 7a–c. Аналогично осевым структурам, радиальные наноконусы показывают более низкую рефлективность по всему диапазону длин волн по сравнению с радиальными цилиндрическими NW (θ=0°), и это явление становится более очевидным с увеличением угла склона. На рис. 7a видно, что в коротковолновом диапазоне 300–700 нм поглощение увеличивается с ростом угла склона из-за подавления рефлексии. В то время как при больших углах склона вершина наноконуса слишком тонка для поддержки длинноволновых мод, результатом в снижении поглощения. Рис. 7d показывает AM 1.5G взвешенный интеграл спектров поглощения, рефлексии и прохождения для разных углов склона. Видно, что по мере увеличения угла склона поглощение демонстрирует общий восходящий тренд с незначительными флуктуациями, указывая на отличные поглощающие свойства наноконусных структур.

Рис. 8 показывает общие оптические профили генерации радиальных GaAs наноконусных массивов под AM 1.5G освещением. Аналогично осевым массивам, большинство фотонов концентрируется на вершине цилиндрических NW. По мере постепенного увеличения угла склона поглощение смещается вниз. Поскольку i-регионная трубка в радиальном переходе пронизывает весь NW, нисходящее смещение поглощения не может напрямую привести к усилению поглощения, как в осевом p-i-n переходе. Однако вместе с нисходящим смещением поглощения, длина поглощения также расширяется, результатом в усиленном перекрытии между поглощением света и i-регионом. Следовательно, эффективное поглощение также считается усиленным.

Вольт-амперные характеристики радиальных наноконусных солнечных элементов показаны на рис. 9a. По сравнению с цилиндрическими NW массивами солнечных элементов, намного более высокие J_sc достигнуты в наноконусных массивах. При θ ≥ 6° все J_sc превышают 25 мА/см², в противовес J_sc 17,4 мА/см² при θ=0°. Рис. 9b показывает зависимость коэффициента преобразования от угла склона. При малых углах склона эффективность монотонно возрастает с углом склона и достигает максимума 17,4% при θ=6°, на 6,4% выше цилиндрического аналога. Когда угол дальше увеличивается, эффективность насыщается и даже слегка снижается. Это, вероятно, атрибутируется конкуренции между поглощением верхнего и среднего i-регионов. При большом угле склона вершина наноконуса слишком тонка для поддержки длинноволновых мод. Хотя поглощение средней части i-региона увеличивается из-за нисходящего смещения поглощения, поглощение в верхней части i-региона уменьшается, компенсируя прирост поглощения в средней части i-региона.

Заключение

В итоге, мы изучили фотоэлектрическую производительность осевых и радиальных p-i-n переходов GaAs наноконусных массивов солнечных элементов связанной 3D оптоэлектронной симуляцией. Результаты показывают, что поглощение в наноконусном массиве смещается вниз из-за сужающегося верхнего диаметра, что драматически подавляет потери поглощения в высоколегированном верхнем регионе и усиливает поглощение в зоне истощения. Наивысшие коэффициенты преобразования для осевых и радиальных GaAs наноконусных солнечных элементов составляют 20,1% и 17,4%, полученные при угле склона 5° и 6° соответственно, оба значительно выше их цилиндрических NW аналогов. Наноконусные структуры являются перспективными кандидатами для высокоэффективных солнечных элементов.

Аббревиатуры

3D

Трехмерный

D/P

Диаметр/период

EMW

Sentaurus Electromagnetic Wave

FDTD

Метод конечных разностей во временной области

FEM

Метод конечных элементов

NW

Нанопровод

PML

Идеально согласованный слой

SRH

Шокли-Ред-Холл