Усиление захвата света в перовскит-кремниевых тандемных солнечных элементах с использованием массивов нанодочек

Аннотация

Перовскитные солнечные элементы используются в кремниевых тандемных солнечных элементах благодаря их настраиваемой запрещенной зоне, высокому коэффициенту поглощения и низкой стоимости подготовки. Однако относительно большой оптический показатель преломления нижнего кремния по сравнению с верхними поглощающими слоями перовскита приводит к значительным потерям отражения в двухконтактных устройствах. Следовательно, управление светом критически важно для улучшения фотопотоглощения в нижнем кремниевом элементе. В данной статье массив нанодочек, заполненных TiO₂, вводится в дизайн нижних элементов. Методами конечных разностей во временной области (FDTD) анализировались эффективность поглощения и плотность фототока в диапазоне 300–1100 нм, а также оптимизировались структурные параметры. Наши расчеты показывают, что плотность фототока стремится к насыщению с увеличением высоты нанодочек. Режимы усиления поглощения фотонов на разных длинах волн интуитивно проанализированы распределением электрического поля. Эти результаты обеспечивают жизнеспособный и удобный путь к высокоэффективному дизайну перовскит/кремний тандемных солнечных элементов.

Введение

Солнечная энергия — вид возобновляемой и чистой энергии, который имеет большое значение для устойчивого развития человечества. Эффективность фотоэлектрического преобразования и стоимость подготовки — ключевые коэффициенты, определяющие промышленное применение солнечных элементов, которые напрямую преобразуют световую энергию в электричество. В настоящее время кремниевые солнечные элементы являются основными, занимая 90% мирового фотоэлектрического рынка. Эффективность кремниевых солнечных элементов достигла 25,6%, близко к предельной эффективности Шокли-Куайссера (33,7%), но стоимость производства остается высокой. Развитие кремниевых солнечных элементов требует снижения производственных затрат и повышения эффективности элементов.

Из-за широкого энергетического распределения солнечного спектра, любой полупроводниковый материал может поглощать только фотоны, энергия которых шире ширины его запрещенной зоны. Следовательно, проверенный подход для лучшего использования солнечного спектра — формирование двухпереходных тандемных солнечных элементов. В принципе, Si-тандемные солнечные элементы способны селективно поглощать разные части солнечного спектра и превосходить однопереходной предел Шокли-Куайссера. Теоретический предел эффективности идеального двухпереходного кремниевого тандемного солнечного элемента сообщался как 46%.

Перовскитные солнечные элементы обладают большим фотоэлектрическим потенциалом, и их производительность значительно улучшилась всего за несколько лет. Фотоэлектрическая эффективность составляла 3,7% в 2009 году, а сейчас достигла 25,2%. Перовскит также считается самым перспективным поглощающим материалом для следующего поколения низкозатратных солнечных элементов. Когда ширина запрещенной зоны перовскита составляет 1,55 эВ, он может поглощать фотоны с длиной волны менее 800 нм, в то время как кремний с запрещенной зоной 1,12 эВ может поглощать фотоны с длиной волны более 800 нм в солнечном спектре. Когда они формируют тандемный элемент сверху вниз, их спектры поглощения дополняют друг друга, что значительно улучшает использование солнечного спектра и снижает стоимость подготовки.

Среди всех видов перовскит/кремний тандемных солнечных элементов, двухконтактный монолитный тандем имеет наибольший потенциал, потому что его можно изготовить путем прямого осаждения перовскитной пленки на нижний кремниевый элемент для получения интегрированного устройства. Буш и соавт. достигли эффективности 23,6% на заднем эмиттере SHJ нижнем элементе с p-i-n перовскитным верхним элементом с Eg = 1,63 эВ благодаря снижению паразитного поглощения в переднем электронно-селективном слое. Более того, Oxford PV достигла эффективности преобразования энергии 28% в 2018 году, что еще больше подтвердило, что перовскит/кремний тандем имеет большой потенциал для революции в технологиях солнечных элементов. Однако по сравнению с кремниевыми солнечными элементами, которые могут достичь 85% предельной эффективности, перовскит/кремний тандемные элементы все еще имеют большой простор для улучшения эффективности. Большинство исследований на перовскит/кремний тандемных элементах фокусируются на дизайне верхнего элемента и туннельного перехода, в то время как нижний элемент в основном использует текстурированную поверхность или слой SiNₓ для улучшения оптического поглощения. Стоит отметить, что эффективный способ усилить селективное поглощение — включить падающий свет в волноводный режим. Для вышеуказанных целей мы вводим массив нанодочек в дизайн нижнего подэлемента. Одновременно, по сравнению с обычной текстурированной поверхностью, поверхность массива кремниевых нанодочек более гладкая, что более способствует согласованию тока между верхним и нижним элементами.

Методы

В данном письме мы численно изучаем светопоглощающие свойства перовскит/кремний тандемного устройства с массивом кремниевых нанодочек в качестве нижних элементов, используя метод конечных разностей во временной области (FDTD). На рис. 1 и 2 показана схема предложенных нанодожево-структурированных перовскит/кремний тандемных элементов и вид сбоку отдельного периода соответственно.

В нашей модели массив нанодочек заполнен TiO₂ как туннельный слой между двумя переходами. Для фокусировки исследования на оптических свойствах наноструктурированного подэлемента толщины ITO, Spiro-OMeTAD, CH₃NH₃PbI₃, SiO₂ и TiO₂ фиксированы как 50 нм, 10 нм, 300 нм, 20 нм, 40 нм соответственно. Как показано на рис. 2, массив может быть охарактеризован периодичностью (P), диаметром нанодочек (D), высотой нанодочек (h) и общей высотой кремниевой подложки (H). Коэффициент заполнения определяется как η = D/P. Общая высота кремниевой подложки H фиксирована как 1 мкм. Более того, оптические константы кремния и других материалов, используемых в дизайне элемента, взяты из исследования Ф. Михи. Периодические граничные условия принимаются в направлениях x и y и применяются идеально согласованные слой граничные условия в направлении z. Источник света считается плоской волной в диапазоне 300–1100 нм, перпендикулярной массиву нанодочек вдоль направления z.

Плоский монитор над поверхностью верхнего элемента применяется для регистрации отражения (R), а второй монитор внизу кремниевой подложки записывает прохождение (T); поглощение (A) перовскит/кремний тандема определяется как A(λ) = 1 − R(λ) − T(λ). Поглощающая производительность будет оцениваться по плотности короткозамкнутого тока Jsc, которая определяется как:

Jsc = (e/hc) ∫ λ A(λ) Φ(λ) dλ (1)

где Φ(λ) — спектр плотности солнечной энергии AM1.5G, e — элементарный заряд, h — постоянная Планка, c — скорость света в вакууме. Расчет предполагает, что все фотогенерируемые носители заряда собираются электродами, так как длина диффузии мажоритарных носителей достаточно длинна в CH₃NH₃PbI₃ и кристаллическом кремнии.

Результаты и обсуждение

Для прояснения ролей, которые массив нанодочек играет в поглощении света в тандемных солнечных элементах и для правильного руководства дизайном оптических свойств, мы рассчитали кривую поглощения массива нанодочек под разными коэффициентами заполнения. В процессе моделирования эксперимента применяли 300-нм слой CH₃NH₃PbI₃ и 1-мм кремниевую подложку для захвата фотонов. Как показано на рис. 3а, б, высота нижних нанодочек оставалась неизменной на уровне 600 нм при разных периодах соответственно. С увеличением значения коэффициента заполнения от 0,1 до 0,9, кривая поглощения может быть разделена на три части. В начале поглощение демонстрировало убывающую производительность в коротковолновом диапазоне 300–600 нм. Затем поглощение перовскитного слоя наблюдалось, формируя уменьшение в диапазоне 600–850 нм, в то время как резонанс, напротив, достигает пика в своей начальной точке 600 нм. Третья часть попадает в диапазон 850–1100 нм и содержит всего три резонансных пика поглощения. Учитывая, что ограничение доминирования перовскитного слоя над поглощением длин волн может достигать до 850 нм, это значение также можно рассматривать как пороговую длину волны CH₃NH₃PbI₃ в нашей модели.

С рис. 3в видно, что плотность фототока и η показывают положительную корреляцию, то есть увеличивается с увеличением η. Что касается фиксированного параметра периода, увеличение плотности тока сначала появляется в стадии быстрого роста, и Ji постепенно входит в насыщенный диапазон, где коэффициент заполнения больше 0,5 из-за неравномерного распределения длинных и коротких длин волн в AM1.5G. С увеличением значения коэффициента заполнения, эффективность поглощения кремниевой подложки улучшалась соответственно; однако кремниевый материал кажется уменьшается в одном периоде. Следовательно, коэффициент заполнения массива кремниевых нанодочек должен представлять оптимальное значение. Пик резонансного поглощения достигает значения около 1000 нм в спектре, и пик можно считать достигшим максимума, когда период равен 500 нм по сравнению с другими двумя условиями. На рис. 3г показана кривая увеличения плотности фототока вместе с увеличением коэффициента заполнения при условии P = 500 нм. Кроме того, красная линия может быть получена через полиномиальную аппроксимацию. Можно заключить, что когда коэффициент заполнения достигает точно 0,5, точка перегиба появится в росте плотности фототока.

В соответствии с вышеуказанным анализом, оптимизированные параметры поглощения тандемных элементов на базе массива нанодочек находятся при периоде 500 нм и коэффициенте заполнения точно 0,5. Для дальнейшего прояснения механизма излучения поглощения света, спектры поглощения против разных высот нанодочек сравниваются в упомянутом условии. На рис. 3а, б показано изменение тренда спектрального поглощения и плотности фототока вместе с увеличением высот нанодочек соответственно. Можно резюмировать, что пик поглощения на длине волны 1000 нм показывает высокую зависимость от высоты нанодочек, в то время как зависимость других двух пиков поглощения, показанных на рис. 4б, от высоты нанодочек очень слаба. Такой результат указывает на то, что резонанс Мие доминирует в возбуждении. С рис. 4в, г значительное увеличение плотности тока можно наблюдать, поднимающееся от 14,53 до 15,68 мА/см², когда глубина меньше 300 нм, и когда значения h больше 300 нм, значение достигнет почти насыщенной цифры. Такая слабая зависимость от высоты нанодочек может быть полезна с точки зрения дизайна и производства массивов нанодочек на практике.

Как общий принцип, когда световая волна входит в интерфейсную структуру тандемных солнечных элементов, появляются эффекты рассеяния и излучения. Рассеяние световой волны, вызванное структурой массива нанодочек, удлинит путь распространения фотонов. Для дальнейшего анализа поглощения света перовскит/кремний тандемных солнечных элементов с массивом нанодочек, смоделированные эксперименты выбирают распределение поперечной интенсивности электрического поля (|E|²) при 500 нм, 600 нм, 700 нм, 800 нм, 900 нм и 1000 нм длине волны, в то время как высота проектируется фиксированной как значение h = 900 нм, что также показано на рис. 5. Пространственный профиль оптического поглощения на единицу объема в плоскости x–z может быть разделен на три части: перовскит, массив нанодочек и кремниевая подложка. В части массива нанодочек структурированный кремний разделен с TiO₂ заполненными нанодочками, что отмечено пунктирной линией на рис. 5а.

На рис. 5а, б предполагается, что верхний элемент может доминировать в поглощении коротких волн (< 600 нм); однако антирефлекторный эффект, производимый массивом нанодочек под длиной волны 600 нм, кажется более выдающимся по сравнению с длиной волны 500 нм. Однако из-за более низкого коэффициента поглощения кремния, его поглощение на средних длинах волн (500–600 нм) ниже, чем у плоской структуры. Также благодаря существованию периодических нанодочек, очевидный интерференционный эффект в верхнем перовскитном слое также может быть наблюдаем, что означает, что отражение света на 700 нм и 800 нм может вернуться в верхние элементы и усилить их поглощение.

При условии, что перовскит имеет резкий поглощающий край при 850 нм, а затем длина волны 900 нм и 1000 нм будут переданы и в основном поглощены нижними элементами, как показано на рис. 5д, е. С заполнением TiO₂ в массиве кремниевых нанодочек, периодическое распределение разности показателя преломления приводит к тому, что нижние элементы предназначены для поддержки проводимых мод, которые локализованы электромагнитное поле возле тандема, и связь падающего света с этими проводимыми модами приводит к выраженному увеличению поглощения. Для иллюстрации реализуемости этого подхода, четыре разных случая смоделировали для анализа под разными высотами массива нанодочек. Все эти поглощения имеют одни и те же параметры массива нанодочек как η = 0,5 и P = 500 нм, и их падающая длина волны света фиксирована при 900 нм, как показано на рис. 6. Взаимодействие поддерживаемых направляемых мод значительно усиливается вместе с увеличением высоты нанодочек.

Заключения

В резюме, данная статья изучала комбинацию перовскит/кремний тандемных солнечных элементов с массивом нанодочек как практичный способ для устройства достижения высокоэффективного тандемного устройства. Мы обнаружили, что если оптимизированный набор массива нанодочек η = 0,5 и P = 500 нм увеличивает значение от 14,53 мА/см² до 15,68 мА/см², когда глубина массива меньше 300 нм, такое устройство может служить предпосылкой для высокой эффективности. Затем через введение массива нанодочек, заполненных TiO₂, мы дополнительно доказали, что режим поглощения света тандемных элементов превратится в смешанный режим с различными режимами поглощения света. Селективное снижение в короткой волне приводит к уменьшению поглощения коротковолновых фотонов; однако интерференция, генерирующая захват света в верхнем элементе, и индекс-направляемый захват света в нижнем элементе могут функционировать как значительное усиление селективного поглощения тандема. Вышеуказанные экспериментальные результаты доказали, что это перспективный способ улучшить поглощение перовскит/кремний тандемных солнечных элементов.

Доступность данных и материалов

Выводы, сделанные в данной рукописи, основаны на данных (основной текст и рисунки), представленных и показанных в этой статье.

Аббревиатуры

FDTD:

Метод конечных разностей во временной области