GaAs наноантенный солнечный абсорбер: Ультраширокополосный захват света для высокоэффективных тонких элементов

Аннотация

Захват света — важная характеристика ультратонких солнечных элементов, так как он не только может увеличить оптическую абсорбцию в фотоактивной области, но и позволяет эффективную абсорбцию с очень малым количеством материала. Полупроводниковые наноантенны способны усиливать захват света и повышать эффективность переноса солнечной энергии. В этой работе представлен солнечный абсорбер на основе галлия арсенида (GaAs) наноантенн. Почти идеальная световая абсорбция (выше 90%) достигнута в диапазоне длин волн от 468 до 2870 нм, демонстрируя ультраширокополосный и почти идеальный захват света для солнечного излучения. Получена высокая плотность короткозамкнутого тока до 61,947 мА/см². Кроме того, солнечный абсорбер обладает хорошей структурной стабильностью и высокой температурной устойчивостью. Это открывает новые перспективы для достижения ультракомпактных эффективных фотоэлектрических элементов и термических излучателей.

Введение

Солнечная энергия, как возобновляемый, чистый и широко доступный источник энергии, широко изучается, так как она может быть преобразована в другие энергии для широких применений, таких как солнечные элементы [1,2,3], фотоэлектрические устройства [4, 5] и фототермические излучатели [6, 7]. С тех пор как Ленди и соавт. сообщили об идеальных абсорберах на основе трислойных металл-изолятор-металл метаматериалов [8], множество увлекательных наноструктур были спроектированы для сбора и использования солнечной энергии [9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]. Стоит отметить, что эффективный захват солнечной энергии является ключевым для этих применений. Поэтому солнечный абсорбционный отклик абсорберов обычно изучается для оценки производительности сбора солнечной энергии. Идеальный абсорбер обладает почти идеальной абсорбцией в широком диапазоне длин волн.

В принципе, идеальный абсорбер означает хороший термический излучатель в том же диапазоне длин волн. Для заданной температуры энергия излучения может быть хорошо описана и детектирована абсорбцией структуры [7]. Более того, отношение абсорбции к термическому излучению всегда равно излучательной способности при условиях термического равновесия. Благородные металлические наноструктуры обычно используются для получения идеальных абсорберов, необычного прохождения света или Фано резонансов через сильную связь света с поверхностными плазмонами [22,23,24,25,26,27,28,29,30]. Однако абсорбированная солнечная энергия приведет к повышению температуры (термическая нестабильность), что приводит к повреждению благородных металлических наноструктур с низкой точкой плавления [7]. Обратите внимание, что структурная стабильность и высокая температурная устойчивость могут быть гарантированы, когда рефрактарные металлы используются для замены благородных металлов в абсорберах [6, 9, 11, 12]. Хотя явления широкополосной световой абсорбции демонстрировались на этих платформах, эти методы могут страдать от проблем, таких как сложные геометрии [6, 18], относительно ограниченные абсорбционные полосы (< 750 нм) [9, 11, 12] или большие требования к благородным металлам [8, 10, 11, 18].

Полупроводниковые материалы также привлекли интенсивный интерес благодаря их низкой стоимости и высокой эффективности преобразования солнечной энергии по сравнению с обычными тонкопленочными устройствами [31,32,33,34,35,36,37,38,39]. Большинство солнечных абсорберов основаны на кремнии (Si) благодаря его естественному изобилию и почти идеальной запрещенной зоне [31, 34]. Однако эффективность солнечных элементов ограничена, когда толщина Si слоев уменьшается. Поэтому захват света стал одной из главных тем в тонкопленочных солнечных элементах [38]. Недавно галлий арсенид (GaAs) стал хорошим конкурентом благодаря своим уникальным оптическим свойствам и высокой эффективности преобразования [36,37,38,39], что было экспериментально продемонстрировано в сборе солнечной энергии. Например, Массио и соавт. представили металлическую нанорешетку для широкополосного мультирезонансного сбора света в ультратонких слоях GaAs с абсорбционной полосой 380 нм (от 450 до 830 нм) [40]. Ли и соавт. предложили солнечный элемент, комбинирующий золотые наночастицы и массивы нанопроводов GaAs для реализации широкой абсорбционной полосы в видимой области (300–850 нм) [39]. Однако их абсорбционные полосы почти в диапазоне 300–1100 нм. Недавно, размещая GaAs решетку на GaAs-вольфрамовой (W) двухслойной структуре, мы получили идеальный абсорбер [40]. Однако абсорбция (> 90%) полоса достигает только 1300 нм. Кроме того, в этой структуре рассматривалась только трансверсально-магнитная (TM) поляризация.

В этой работе мы предлагаем реализуемый солнечный абсорбер на основе полупроводника GaAs и рефрактарных металлов W и Ti. Одномерный (1D) периодический массив GaAs наноантенн, покрытый однослойным массивом антирафлексных (AR) наноантенн из оксида индия-олова (ITO), размещен на тонкой трехслойной W-GaAs-Ti структуре. Этот солнечный абсорбер демонстрирует ультраширокую абсорбционную полосу, охватывающую видимую и среднюю инфракрасную области, благодаря синергии резонансов управляемых мод (GMRs), кавитационных резонансных мод и поверхностных плазмонно-поляритонов (SPPs). Полоса абсорбции выше 90% превышает 2400 нм. Абсорбер также показывает хорошую толерантность к углу и поляризации падающего света. Кроме того, высокая плотность короткозамкнутого тока до 61,947 мА/см² достигнута под AM1.5 солнечным облучением. Это открывает новые перспективы для достижения ультракомпактных эффективных фотоэлектрических элементов и термических излучателей.

Материалы и методы

Схема предложенного абсорбера показана на рис. 1а. 1D массив GaAs наноантенн заключен между однослойным AR массивом из ITO наноантенн и тонкой трехслойной металл-полупроводник-металл (МПМ) структурой. Хотя благородные металлы незаменимы в создании широкополосных абсорбирующих структур, они страдают от низких точек плавления [41]. Кроме того, из-за эффекта малого размера точки плавления структурированных благородных металлических наноструктур значительно снижены [42]. Это приводит к тому, что благородные металлические наноструктуры не соответствуют рабочей температуре солнечных фотоэлектрических устройств. Поэтому материалы с ультравысокой термической стабильностью и способностью к световой абсорбции крайне желательны для сохранения стабильности солнечных абсорберов. Металлический W, титан (Ti) [6, 17] и полупроводник GaAs [36, 37, 39] все имеют высокие точки плавления (3422 °C, 1668 °C и 1238 °C при комнатной температуре соответственно) и поэтому используются для получения ультрашироких абсорбционных полос в этой работе. Период и ширина наноантенн обозначены как P и d соответственно. Толщина нижней W пленки — 100 нм. Толщины Ti и GaAs пленок обозначены как h₁ и h₂ соответственно. Толщины ITO и GaAs наноантенн обозначены как t₁ и t₂ соответственно. Оптимизированные параметры этого абсорбера установлены как P = 500 нм, d = 400 нм, t₁ = 80 нм, t₂ = 120 нм, h₁ = 70 нм и h₂ = 30 нм.

Оптические характеристики и распределения электромагнитного поля этого абсорбера рассчитаны методом конечных разностей во временной области (FDTD) [43]. Периодические границы использованы в x направлениях и идеально согласованные слои в z направлениях. Диэлектрические постоянные Ti, W и GaAs взяты из Палика [44], а показатель преломления ITO — 2,0 [35]. Если не указано иное, широкая частота плоская волна с линейной поляризацией вдоль x оси облучается сверху наноантенной метаповерхности (то есть TM поляризация) с расстоянием 540 нм между ними. Прохождение (T) в этом абсорбере равно нулю из-за непрозрачной металлической пленки, используемой внизу. Абсорбция (A) этого абсорбера может быть рассчитана как A = 1 − R, где R обозначает отражение. Конечная область с длиной 20 нм, шириной 500 нм и высотой 500 нм и уточненная сетка 1,6 нм выбраны для расчета плотности короткозамкнутого тока (остальные параметры те же, что при расчете отражения). Неоднородная сетка с минимальным шагом 0,25 нм и плоская волна с тремя диапазонами длин волн (280–400 нм, 401–1702 нм и 1705–4400 нм) используются для расчета стандартного солнечного спектра с использованием простой двумерной симуляции. Предложенный абсорбер может быть изготовлен следующими шагами: (1) последовательное осаждение W, GaAs и Ti пленок с определенной толщиной на кварцевую подложку методом осаждения [45, 46]; (2) осаждение слоя фоторезиста на структуре, изготовленной выше, и травление его электронно-лучевой литографией [47] для формирования одномерного наноантенного массива; (3) последовательное осаждение GaAs и ITO материалов с определенной толщиной на структуре, изготовленной на втором шаге; и (4) удаление фоторезистных наноантенн, покрытых GaAs и ITO материалами, методом лифт-офф.

Результаты и обсуждение

Рисунок 1б показывает спектр абсорбции оптимизированного абсорбера при нормальном падении (обозначен «Absorber», черная линия). Для сравнения спектры абсорбции МПМ структуры (обозначен «МПМ», красная линия) и МПМ структуры, покрытой только GaAs наноантеннами (обозначен «Структура без ITO слоя», синяя линия) также показаны на рис. 1б. Для структуры с простой трехслойной МПМ структурой абсорбция менее 70%. Когда периодический массив GaAs наноантенн размещен на МПМ структуре, достигнута ультраширокая абсорбционная полоса с усиленной абсорбцией от 657 до 2679 нм. Это указывает на то, что массив GaAs наноантенн здесь отвечает за сильную абсорбцию в широком диапазоне длин волн. Обратите внимание, что интенсивности абсорбции в диапазонах 991–1455 нм и 2004–2388 нм все еще менее 90%. Для предложенного абсорбера введенный 80-нм ITO наноантенный массив дополнительно усиливает абсорбцию и расширяет абсорбционную полосу. Учитывая A > 90%, обнаружено ультраширокое абсорбционное явление с абсорбционной полосой до 2402 нм, охватывающей видимую, ближнюю и среднюю инфракрасную области (468–2870 нм). Средняя абсорбция повышена до 95,5%. Это связано с тем, что 80-нм ITO слой играет антирефлекторную роль, которая может дополнительно усилить антирефлекторный эффект GaAs наноантенн. Кроме того, 80-нм ITO слой достаточно высок, чтобы обеспечить низкое поверхностное сопротивление, поэтому низкие потери бокового переноса носителей за сотни микрон к боковым металлическим контактам [35]. Следовательно, достигнуто огромное улучшение абсорбционной полосы и эффективности абсорбции, превышающее абсорберы на основе благородных металл-полупроводниковых композитных систем [32,33,34,35,36,37]. Огромное расширение абсорбции в основном происходит из-за возбуждения GMRs и кавитационных мод и их гибридизированных эффектов связи [18].

Распределения электромагнитного поля (|E| и |H|) и плотность тока (J) этого абсорбера на разных длинах волн (то есть 594 нм, 1430 нм и 2586 нм) изучены. При 594 нм энергия электрического поля в основном сосредоточена на интерфейсе наноантенна-воздух, а сильная энергия магнитного поля расположена в GaAs наноантенне и ITO слое (рис. 2а, б). Это указывает на возбуждение GMRs и кавитационных мод [18, 26]. Электрический ток в GaAs наноантеннах (рис. 2в) подтверждает эффективность GaAs наноантенн для этого усиления абсорбции [48, 49]. При 1430 нм сильное электрическое поле в основном существует в воздушных щелях рядом с наноантеннами (рис. 2г), что подразумевает возбужденные кавитационные моды [18, 26]. На рис. 2д энергия магнитного поля расположена на интерфейсах GaAs наноантенна-Ti пленка, указывая на то, что возбужденные GMRs и кавитационные моды оба способствуют связи света со структурой и дальнейшему возбуждению SPPs вблизи интерфейсов GaAs пленка-Ti пленка [9, 18, 20, 39]. Электрический ток, распределенный в Ti пленке, показан на рис. 2е, дает сильное доказательство того, что падающий свет полностью связан со структурой. При 2586 нм электромагнитные энергии в основном локализованы в щелях между наноантеннами и на интерфейсах GaAs наноантенна-Ti пленка и GaAs пленка-W пленка (рис. 2ж, з), а электрический ток в основном распределен на верхней поверхности W пленки (рис. 2и). Это снова демонстрирует, что свет связан с нижележащими слоями структуры GMRs, SPPs и кавитационными модами. Следовательно, делается вывод, что возбужденные GMRs, SPPs, кавитационные моды и их синергия приводят к широкополосной и почти идеальной абсорбции [18].

В практических применениях солнечных абсорберов световая абсорбция должна быть менее чувствительной к углам падения и поляризации [2, 3, 6, 18, 20]. Однако большинство абсорберов на основе GaAs материала редко включают исследование угла поляризации и угла падения [36, 39]. Рисунок 3а показывает эволюцию абсорбции для предложенного солнечного абсорбера под TM поляризацией с косым облучением. Очевидно, эффект абсорбции почти устойчив в диапазоне 468–3000 нм с углом падения до 55° и только незначительное уменьшение длины волны в средней инфракрасной области. Абсорбционная полоса резко сократится, когда угол падения превысит 55°. Рисунок 3б показывает абсорбцию света под различными состояниями поляризации, где 0° соответствует TM поляризации, а 90° — трансверсально-электрической (TE) поляризации. Наблюдается, что абсорбция может быть идеально сохранена в более коротком и более длинном диапазонах длин волн (468–1010 нм и 1800–3000 нм) при увеличении угла поляризации от 0 до 90°. Хотя абсорбция снижается в ближней инфракрасной области, она все еще выше 50%. В целом, угловая и поляризационная нечувствительность абсорбции должна атрибутироваться хорошему согласованию импеданса и внутренним потерям [18, 19].

Мы дополнительно проводим исследование солнечной абсорбции, помещая оптимизированный абсорбер под облучением AM 1.5 источника. Солнечный абсорбер показывает почти идеальную абсорбцию в видимой, ближней и средней инфракрасной областях, охватывающих основные области распределения энергии солнечного облучения (рис. 4а). Поскольку множественные резонансные состояния возникают одновременно, почти идеальная солнечная энергия захватывается абсорбером. Это демонстрирует высокую эффективность абсорбции солнечной энергии в такой структуре. Более того, использованные в этом абсорбере рефрактарные материалы способствуют поддержанию термической стабильности этой структуры при повышении температуры в определенном диапазоне. Следовательно, можно заключить, что наш предложенный абсорбер имеет более широкое применение в фотоэлектрических устройствах [50].

Как сообщалось в [36], плотность короткозамкнутого тока J_sc для AM1.5 солнечного облучения описывается формулой \( {J}_{\mathrm{sc}}={\int}_{400\ \mathrm{nm}}^{3000\ \mathrm{nm}}\frac{e\lambda}{hc}{\Phi}_{\mathrm{AM}1.5}\left(\lambda \right)\mathrm{A}\left(\lambda \right), \) где e — заряд электрона, h — постоянная Планка, λ — длина волны света, Φ_AM1.5(λ) — солнечное излучение при AM 1.5, A(λ) — абсорбция, и c — скорость света. Здесь мы исследовали плотность короткозамкнутого тока, меняя толщину GaAs наноантенн с другими неизменными параметрами. Когда t₂ настраивается от 30 до 210 нм с шагом 30 нм, собранный фотоконтакт получен как показано на рис. 5. Получена сильная регулярность с толщиной t₂, потому что J_sc в основном зависит от числа резонансных мод в диапазоне 300–3000 нм. Максимальное J_sc, равное 61,947 мА/см², получено при t₂ = 120 нм, что намного больше, чем сообщали Мэн и соавт. (30,3 мА/см²) [35].

Заключение

Мы представили солнечный абсорбер на основе GaAs наноантенн, покрытых однослойным ITO на тонкой трехслойной W-GaAs-Ti структуре. Достигнут ультраширокополосный почти идеальный абсорбер в диапазоне длин волн 468–2870 нм со средней абсорбцией выше 95%. Ультраширокополосное абсорбционное свойство происходит из синергии GMRs, кавитационных мод и SPPs. Ультраширокополосный солнечный идеальный абсорбер также обладает большой термической устойчивостью, нечувствительностью к углу и поляризации падающего света и лучшей плотностью короткозамкнутого тока до 61,947 мА/см². Это открывает новые перспективы для достижения тонкопленочных солнечных элементов, сбора солнечной энергии и термических излучателей.