Повышенное оптическое поглощение в тандемных солнечных элементах из перовскита / Si с массивом наноотверстий

Введение

Солнечная энергия - это разновидность возобновляемой и чистой энергии, которая имеет большое значение для устойчивого развития человека. Эффективность фотоэлектрического преобразования и стоимость подготовки являются ключевыми соотношениями, определяющими промышленное применение солнечных элементов, которые напрямую преобразуют световую энергию в электричество. В настоящее время кремниевые солнечные элементы являются основным направлением солнечных элементов, составляя 90% мирового рынка фотоэлектрических систем. КПД кремниевых солнечных элементов достиг 25,6%, что близко к предельному КПД Шокли – Кайссера (33,7%), но стоимость производства остается высокой [1, 2]. Разработка кремниевых солнечных элементов должна снизить производственные затраты и повысить эффективность элементов.

Из-за широкого распределения энергии солнечного спектра любой полупроводниковый материал может поглощать только фотоны, значение энергии которых превышает ширину запрещенной зоны. Таким образом, проверенным подходом к лучшему использованию солнечного спектра является создание тандемного солнечного элемента с двойным переходом [3, 4]. В принципе, тандемные кремниевые солнечные элементы способны избирательно поглощать различные части солнечного спектра и превосходят однопереходные солнечные элементы Шокли – Кайссера. Теоретическая предельная эффективность идеального двухпереходного кремниевого тандемного солнечного элемента составляет 46% [5,6,7].

Перовскитные солнечные элементы обладают огромным фотоэлектрическим потенциалом, и их характеристики были значительно улучшены всего за несколько лет. Эффективность фотоэлектрического преобразования составляла 3,7% в 2009 г., а до настоящего времени КПД достигал 25,2% [8,9,10]. Перовскит также считается наиболее многообещающим светопоглощающим материалом для следующего поколения недорогих 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 шириной запрещенной зоны 1,12 эВ может поглощать фотоны с длиной волны более 800 нм в солнечном спектре. Когда они образуют тандемную ячейку сверху вниз, их спектры поглощения дополняют друг друга, что значительно улучшает использование солнечного спектра и снижает стоимость подготовки [11,12,13,14].

Среди всех видов тандемных солнечных элементов перовскит / кремний двухконтактный монолитный тандем имеет наибольший потенциал, поскольку он может быть изготовлен путем прямого осаждения перовскитовой пленки на кремниевый нижний элемент для получения интегрированного. Буш и др. достигла эффективности 23,6% на нижнем элементе SHJ с тыловым излучателем с верхним элементом из перовскита p-i-n с E _g =1,63 эв из-за уменьшения паразитного поглощения в переднем электрон селективном слое. Более того, в 2018 году Oxford PV достигла эффективности преобразования энергии 28%, что еще раз подтвердило, что тандем перовскит / кремний имеет большой потенциал для революции в технологиях солнечных элементов [15,16,17]. Однако по сравнению с солнечными элементами на основе кремния, эффективность которых может достигать 85% от предельной, у тандемных элементов на основе перовскита / кремния все еще есть много возможностей для повышения эффективности. Большинство исследований тандемных ячеек перовскит / кремний сосредоточено на конструкции верхней ячейки и туннельного перехода, в то время как нижняя ячейка в основном использует текстурированную поверхность или SiN _x слой для улучшения оптического поглощения [18, 19]. Стоит отметить, что эффективным способом увеличения селективного поглощения является включение падающего света в волноводный режим [20]. Для вышеуказанных целей мы вводим массив наноотверстий в конструкцию нижней ячейки. В то же время, по сравнению с нормально текстурированной поверхностью, поверхность массива кремниевых наноотверстий более гладкая, что в большей степени способствует согласованию тока между верхней и нижней ячейками [21, 22].

Методы

В этом письме мы численно изучаем светопоглощающие свойства тандемного устройства перовскит / кремний с массивом кремниевых наноотверстий в качестве нижних ячеек, используя метод конечных разностей во временной области (FDTD). На рисунках 1 и 2 показаны схемы предлагаемых тандемных ячеек перовскит / кремний со структурой наноотверстий и вид сбоку отдельного периода соответственно.

Схема тандемных ячеек перовскит / кремний со структурой наноотверстий, используемых в модели

а Схема массива наноотверстий, использованных в модели. б 2D вид сбоку отдельного периода

В нашей модели массив наноотверстий заполнен TiO ₂ как туннельный слой между двумя стыками. Чтобы сфокусировать исследование на оптических свойствах наноструктурированных субэлементов, толщину ITO, Spiro-OMeTAD, CH ₃ NH ₃ PbI ₃ , SiO ₂ и TiO ₂ фиксируются как 50 нм, 10 нм, 300 нм, 20 нм, 40 нм соответственно. Как показано на рис. 2, массив можно охарактеризовать периодичностью ( P ), диаметр наноотверстий ( D ), высота наноотверстий ( h ) и общая высота кремниевой подложки ( H ). Коэффициент заполнения определяется как \ (\ eta =D / P \). Общая высота кремниевой подложки H фиксируется как 1 мкм. Более того, оптические константы кремния и других материалов, используемых в конструкции ячеек, взяты из исследования Ф. Михи [23]. Периодические граничные условия принимаются в направлениях x и y и применяются идеально согласованные граничные условия слоя в направлении z. Источником света считается источник плоских волн в диапазоне от 300 до 1100 нм, перпендикулярных массиву наноотверстий вдоль z направление.

Планарный монитор над поверхностью верхней ячейки применяется для регистрации отражательной способности ( R ), а второй монитор в нижней части кремниевой подложки регистрирует коэффициент пропускания ( T ); поглощение ( A ) тандемов перовскит / кремний определяется как \ (A (\ lambda) =1 - R (\ lambda) - T (\ lambda) \). Характеристики поглощения будут оцениваться по плотности тока короткого замыкания \ (J _ {{{\ text {sc}}}} \), которая определяется как [14]:

где \ (\ Phi (\ lambda) \) - спектр плотности солнечной энергии AM1.5G, e - элементарный заряд, h постоянная Планка и c это скорость света в вакууме. В расчетах предполагается, что все фотогенерированные носители собираются электродами, поскольку длина диффузии неосновных носителей достаточно велика в CH ₃ NH ₃ PbI ₃ и кристаллический кремний.

Результаты и обсуждение

С целью прояснения роли, которую массив наноотверстий играет в поглощении света в тандемных солнечных элементах, и для правильного определения оптических свойств, мы рассчитали кривую поглощения массива наноотверстий при различных коэффициентах заполнения. При моделировании процесса эксперимента 300-нм CH ₃ NH ₃ PbI ₃ Для захвата фотонов наносились слой кремния толщиной 1 мкм. Как показано на рис. 3a, b, высота нижних наноотверстий оставалась неизменной на уровне 600 нм в разные периоды времени, соответственно. При увеличении степени наполнения от 0,1 до 0,9 кривую поглощения можно разделить на три части. Вначале поглощение снижалось в коротковолновом диапазоне 300–600 нм. Затем наблюдалось уменьшение поглощения слоя перовскита в диапазоне 600–850 нм, а резонанс, наоборот, достигал максимума в начальной точке 600 нм. Третья часть попадает в диапазон 850–1100 нм, и всего он содержит три резонансных пика поглощения. Учитывая, что ограничение доминирования слоя перовскита над поглощением длин волн может достигать 850 нм, это значение также можно рассматривать как пороговую длину волны CH ₃ NH ₃ PbI ₃ в нашей модели.

Оптические характеристики тандемных солнечных элементов с массивом наноотверстий. а Спектры поглощения в зависимости от степени заполнения при фиксированном P =400 нм и h =600 нм. б Спектры поглощения в зависимости от степени заполнения при фиксированном P =500 нм и h =600 нм. c Зависимость плотности фототока от степени заполнения в разные периоды. г Увеличение плотности фототока по сравнению с коэффициентами заполнения при условии P =500 нм

Из рис. 3c видно, что плотность фототока и η имеют положительную корреляцию, что означает, что она будет увеличиваться с увеличением η. Что касается параметра с фиксированным периодом, увеличение плотности тока сначала оказывается в стадии быстрого роста, а \ (J_ {i} \) постепенно входит в диапазон насыщения, где коэффициент заполнения больше 0,5 из-за неравномерное распределение длинных и коротких волн в AM1.5G. С увеличением значения степени заполнения соответственно улучшалась и эффективность поглощения кремниевой подложки; однако кремниевый материал, кажется, уменьшился за один период. Следовательно, коэффициент заполнения массива кремниевых наноотверстий должен быть оптимальным. Пик резонансного поглощения достигает значения около 1000 нм в спектре, и пик можно рассматривать как достижение своего максимума, когда период составляет 500 нм по сравнению с периодом в двух других условиях. На рисунке 3d показана кривая увеличения плотности фототока вместе с увеличением степени заполнения при условии, когда P =500 нм. Кроме того, красная линия может быть получена путем подбора полиномов. Можно сделать вывод, что когда степень заполнения достигает точных 0,5, точка перегиба появляется при увеличении плотности фототока.

В соответствии с приведенным выше анализом оптимизированные параметры поглощения тандемных ячеек на основе массива наноотверстий должны быть найдены на периоде 500 нм, а степень заполнения находится в точном значении 0,5. Чтобы дополнительно прояснить эмиссионный механизм поглощения света, сравниваются спектры поглощения для различных высот наноотверстий в упомянутых условиях. На рис. 3а, б показано изменение тренда изменения спектрального поглощения и плотности фототока с увеличением высоты наноотверстий соответственно. Можно резюмировать, что пик поглощения на длине волны 1000 нм показывает сильную зависимость с высотой наноотверстий, в то время как зависимость двух других пиков поглощения, показанных на рис. 4b, от высоты наноотверстий очень слабая. Такой результат указывает на то, что резонанс Ми доминирует над возбуждением. На рис. 4c, d можно наблюдать значительное увеличение плотности тока с 14,53 до 15,68 мА / см ² . когда глубина меньше 300 нм, и когда значения h больше 300 нм, значение достигает почти насыщающего значения. Такая слабая зависимость от высоты наноотверстий может быть полезна с точки зрения дизайна, а также изготовления массивов наноотверстий на практике.

Оптические характеристики тандемных солнечных элементов с массивом наноотверстий. а Спектры поглощения в зависимости от высоты при фиксированном P =500 нм и η =0,5. б Увеличенный вид спектров поглощения находится в диапазоне от 800 до 1100 нм. c Плотность тока в зависимости от высоты при фиксированном P =500 нм и η =0,5

Как правило, когда световая волна входит в структуру интерфейса тандемных солнечных элементов, появляются эффекты рассеяния и излучения. Рассеяние световой волны, вызванное структурой массива наноотверстий, удлиняет путь распространения фотонов. Для дальнейшего анализа поглощения света тандемными солнечными элементами перовскит / Si с массивом наноотверстий в смоделированных экспериментах выбирается распределение напряженности электрического поля в поперечном сечении \ ((| E | ^ {2}) \) при 500 нм, 600 нм. , Длина волны 700 нм, 800 нм, 900 нм и 1000 нм, а высота должна быть фиксированной, поскольку значение h остается на уровне 900 нм, что также показано на рис. 5. Пространственный профиль оптического поглощения на единицу объема через x - z Плоскость можно разделить на три части:перовскит, массив наноотверстий и кремниевая подложка. В части массива наноотверстий структурированный кремний разделен слоем TiO ₂ . заполненные наноотверстия, отмеченные пунктирной линией на рис. 5а.

Распределение напряженности электрического поля тандемных солнечных элементов на фиксированной высоте 900 нм a длина волны при 500 нм, b длина волны при 600 нм, c длина волны 700 нм, d длина волны 800 нм, e длина волны 900 нм и f длина волны при 1000 нм

Рисунок 5a, b предполагает, что верхняя ячейка может доминировать в поглощении коротких волн (<600 нм); однако антиотражающий эффект, создаваемый массивом наноотверстий при длине волны 600 нм, оказывается более заметным по сравнению с длиной волны 500 нм. Однако из-за меньшего коэффициента поглощения кремния его поглощение на средней длине волны (500–600 нм) ниже, чем у плоской структуры. Кроме того, благодаря наличию периодических наноотверстий можно также наблюдать очевидный интерференционный эффект в верхнем перовскитном слое, что означает, что отражение света на 700 и 800 нм может вернуться обратно в верхние ячейки и усилить его поглощение. P>

При условии, что перовскит имеет острый край поглощения на 850 нм, тогда длина волны 900 нм и 1000 нм будет передаваться и в основном поглощаться нижними ячейками, как показано на рис. 5e, f. С заливкой TiO ₂ В массиве кремниевых наноотверстий периодическая разница в распределении показателя преломления приводит к нижним ячейкам и предназначена для поддержки проводящих мод, которые определяют электромагнитное поле вблизи тандемов, и взаимодействие падающего света с этими проводящими модами приводит к заметному увеличению абсорбция. Чтобы проиллюстрировать осуществимость этого подхода, были смоделированы четыре различных случая для проведения анализа при разной высоте массива наноотверстий. Все эти поглощения имеют те же параметры массива наноотверстий, что и η =0,5 и P =500 нм, а длина их падающей волны света фиксирована на уровне 900 нм, как показано на рис. 6. Взаимодействие поддерживаемых направленных мод значительно усиливается вдоль с увеличением высоты наноотверстий.

Распределение напряженности электрического поля на длине волны 900 нм тандемных солнечных элементов с массивом наноотверстий в зависимости от высоты a h =100 нм, b h =300 нм, c h =600 нм, d h =900 нм

Выводы

Таким образом, в этой статье изучалась комбинация тандемных солнечных элементов перовскит / кремний с массивом наноотверстий как практический способ создания высокоэффективного тандемного устройства. Мы обнаружили, что если оптимизированный набор массивов наноотверстий η =0,5 и P =500 нм увеличивается по сравнению со значением 14,53 мА / см ² до 15,68 мА / см ² когда глубина массива меньше 300 нм, такое устройство может служить предпосылкой для высокой эффективности. Затем за счет введения массива наноотверстий, заполненных TiO ₂ , мы также доказали, что режим поглощения света тандемными ячейками переходит в смешанный режим с различными режимами поглощения света. Избирательное уменьшение коротких волн приводит к уменьшению поглощения коротковолновых фотонов; тем не менее, интерференция, которая генерирует захват света в верхней ячейке и индексируемый захват света в нижней ячейке, может значительно повысить избирательное поглощение тандема. Приведенные выше экспериментальные результаты доказали, что это многообещающий способ улучшить поглощение тандемных солнечных элементов перовскит / кремний.

Доступность данных и материалов

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

Сокращения

FDTD:

Конечная разность во временной области