Penyerapan Cahaya Efektif Menggunakan Kisi Piramida Dua Sisi untuk Sel Surya Silikon Film Tipis
Abstrak
Desain struktur kisi piramida dua sisi dapat digunakan untuk meningkatkan penyerapan cahaya broadband. Kisi depan dapat sangat mengurangi pantulan cahaya, terutama di daerah panjang gelombang pendek, dan kisi belakang juga dapat mencapai efek yang sama di daerah panjang gelombang yang lebih panjang. Dalam makalah, untuk struktur kisi piramida dua sisi, distribusi penyerapan foton setiap bagian dipelajari dan dibandingkan dengan silikon kristal kosong. Hasil teoretis menunjukkan bahwa, dengan menyesuaikan parameter struktur kisi dua sisi secara wajar, pantulan cahaya dari seluruh pita dapat sangat dikurangi yang bermanfaat untuk pembentukan silikon hitam dan penyerapan cahaya total juga meningkat. Namun, penelitian lebih lanjut menunjukkan bahwa menggunakan kisi-kisi belakang tidak meningkatkan penyerapan cahaya yang efektif dari silikon kristal.
Latar Belakang
Dengan kemajuan teknologi fabrikasi mikro, morfologi permukaan nanometer dan desain struktur menjadi lebih umum dan sangat penting [1, 2]. Desain optimasi parameter menjadi lebih mendesak dan perlu, terutama untuk sel surya film tipis silikon kristalin (CS) [3,4,5,6]. Ada beberapa laporan tentang desain kisi dua sisi yang diterapkan pada sel surya film tipis CS, dan semuanya telah menyatakan pendapat yang sama bahwa struktur seperti itu dapat mencapai peningkatan penyerapan cahaya broadband yang mampu mencapai batas Yablonovitch [7,8 ,9,10]. Tidak diragukan lagi bahwa desain kisi dua sisi dapat meningkatkan kemampuan menangkap cahaya secara keseluruhan dari sel surya CS. Bagaimanapun, pembangkitan dan pemisahan pasangan elektron-lubang terjadi di dalam CS, dan mempertimbangkan setiap foton yang diserap dengan energi lebih besar dari celah pita menghasilkan satu dan hanya satu pasangan elektron-lubang, jadi bagaimana penyerapan foton didistribusikan di antara berbagai bagian sel surya CS adalah fokus dari artikel ini. Selain itu, meningkatkan penyerapan foton CS itu sendiri secara maksimal dengan menyesuaikan parameter adalah tujuan kami.
Dalam makalah ini, distribusi penyerapan foton kisi piramida depan (FPG), kisi piramida belakang (RPG), dan kisi piramida dua sisi (DSPG) dipelajari. Penyerapan foton total A selanjutnya dibagi menjadi tiga bagian yang berbeda seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1, penyerapan foton dari kisi-kisi permukaan depan, bagian CS, dan kisi-kisi permukaan belakang dan diberi label sebagai AB , ASi , dan AR , masing-masing. Pantulan cahaya R , transmisi T , dan penyerapan total A memuaskan R + T + A = 1. ASi tidak dihitung dengan cara yang sama untuk model struktur yang berbeda.
Struktur yang berbeda dari sel surya film tipis silikon kristal (CS) dengan atau tanpa kisi piramida. a Silikon kristal kosong (BCS). b Kisi piramida depan (FPG). c Kisi piramida belakang (RPG). d Kisi piramida dua sisi (DSPG). (AB , ASi , dan AR masing-masing mewakili penyerapan cahaya dari kisi-kisi permukaan depan, bagian CS, dan kisi-kisi permukaan belakang. H adalah ketebalan lapisan CS; P1 , D1 , H1 dan P2 , D2 , H2 mewakili periode, diameter bawah, dan tinggi piramida silikon dari permukaan depan atau belakang, masing-masing)
Metode
Dalam perhitungan teoretis kami, metode radiasi bersih dan pendekatan media efektif digunakan bersama karena kecocokan yang baik antara hasil simulasi dan eksperimen [4, 11]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2, sistem medium multilayer N lapisan, Ni adalah indeks bias kompleks dari i media dan antarmuka diberi label i = 1, …, T 1, di mana i adalah jumlah antarmuka. Subskrip a , d dan b , c mewakili radiasi elektromagnetik yang masuk dan keluar, masing-masing. Hubungan antara fluks energi yang keluar dan masuk (Q ) pada setiap antarmuka dapat dinyatakan dalam bentuk refleksi pada antarmuka dan transmisi yang melewati media. Untuk setiap antarmuka i , ada empat persamaan,
Struktur medium multilayer skematis dari kisi-kisi piramida silikon, dengan konvensi penomoran antarmuka (1, …, i , …, T 1), indeks bias kompleks (N1 , …, Ti , …, TT ), dan fluks radiasi elektromagnetik (Qi ,a , Ti ,b , Ti + 1,c ,Ti + 1,d , …)
ri ,i + 1 dan ti ,i + 1 (ri ,i + 1 + ti ,i + 1 = 1) adalah reflektifitas dan transmisivitas, masing-masing, yang ditentukan menggunakan hukum Fresnel di setiap antarmuka. Subskrip menunjukkan fluks energi yang berpindah dari lapisan i untuk melapisi i + 1 dan sebaliknya. τi adalah tingkat redaman penyerapan lapisan i , ditentukan oleh
dimana αi = 4πki /λ adalah koefisien penyerapan lapisan i dan di /cos(φi ) adalah jarak yang ditempuh melalui lapisan ketebalan di dengan sudut propagasi φi . ki adalah bagian imajiner dari indeks bias kompleks Ni = niiki . Kedua indeks bias nyata ni dan koefisien kepunahan ki adalah fungsi dari λ . Dengan asumsi fluks energi insiden tegak lurus Q1,a = 1 dan QT ,d = 0, maka, untuk setiap lapisan i , koefisien penyerapan energi Ai = Ti ,aTi ,c + Ti ,dTi,b dapat diselesaikan.
Struktur multilayer efektif piramida silikon juga ditunjukkan pada Gambar. 2, dan indeks bias kompleks dari lapisan yang berbeda dapat diselesaikan dengan rumus aproksimasi medium efektif,
dimana f1 dan f2 adalah rasio pengisian volume kisi-kisi piramida silikon dan udara, masing-masing, dan f1 + f2 = 1. TSi , TUdara , dan TEff adalah indeks bias kompleks CS, udara, dan interlayer dari kisi-kisi piramida silikon.
Menggabungkan rumus di atas, fluks foton yang diserap setiap lapisan dapat dihitung dengan rumus berikut,
Ai adalah koefisien penyerapan energi setiap lapisan; B (λ ) adalah distribusi intensitas spektral radiasi matahari di permukaan bumi di bawah spektrum AM1.5. λ adalah panjang gelombang cahaya datang, h0 dan c0 adalah konstanta Planck dan kecepatan cahaya dalam ruang hampa, masing-masing. Jumlah total foton yang diserap dapat dinyatakan sebagai Φ = ∑ Φi .
Hasil dan Diskusi
Untuk struktur kisi piramida yang berbeda, dan untuk tujuan perbandingan, parameter terkait dipilih sebagai berikut. Pertama, ketebalan lapisan CS H = 10 μm; tinggi dan diameter bawah piramida silikon diatur H1 = H2 = 200 nm dan D1 = D2 = 100 nm, masing-masing. Untuk FPG, rasio periode terhadap diameter bawah diatur P1 /D1 = 1, dan untuk RPG, dua rasio P2 /D2 = 1 dan P2 /D2 = 10 dianggap. Terakhir, untuk DSPG, kombinasi yang berbeda dari parameter di atas dibandingkan.
Kinerja optik dari struktur kisi piramida yang berbeda di bawah parameter yang diberikan ditunjukkan pada Gambar. 3. Seperti dapat dilihat dari Gambar. 3 (a) dan (b), kisi permukaan depan dapat sangat mengurangi pantulan cahaya dari seluruh pita dan meningkatkan penyerapan cahaya total, terutama di daerah I dan II. Sementara itu, di wilayah II, penyerapan cahaya inframerah dapat ditingkatkan dengan kisi-kisi permukaan belakang di bawah parameter rasio yang tepat (P2 /D2 = 10). Oleh karena itu, menggunakannya bersama-sama, untuk DSPG, menyesuaikan parameter yang tepat tidak hanya dapat memaksimalkan penyerapan cahaya hingga batas Yablonovitch [7], tetapi juga mencapai pantulan cahaya nol dari seluruh pita yang dapat membuat silikon hitam yang sebenarnya. Selain itu, kisi-kisi piramida permukaan belakang dapat meningkatkan transmisi cahaya tampak dan inframerah-dekat yang terlihat dari Gambar. 3 (c), yang bermanfaat untuk digunakan dalam fotodetektor inframerah-dekat dan bidang lainnya [9, 10].
Sifat optik dari struktur kisi piramida silikon yang berbeda di bawah parameter yang diberikan dibandingkan dengan BCS dengan ketebalan yang sama (BCS (H = 10 μm), FPG (P1 /D1 = 1, H1 = 200 nm), RPG (P2 /D2 = 1 atau P2 /D2 = 10, H2 = 200 nm), DSPG (P1 /D1 = 1, P2 /D2 = 1 atau P2 /D2 = 10, H1 = H2 = 200 nm)). (a ), (b ), dan (c ) masing-masing adalah reflektifitas, absorptivitas, dan transmisivitas cahaya total
Untuk sel surya CS, sangat meningkatkan penyerapan cahaya terutama di badan CS adalah tujuan akhir. Oleh karena itu, perlu dipelajari lebih lanjut distribusi foton yang diserap antar berbagai bagian. Untuk struktur FPG dan struktur RPG, peta kontur tiga dimensi penyerapan foton di setiap bagian masing-masing ditunjukkan pada Gambar 4 dan Gambar 5.
Peta kontur distribusi penyerapan foton di berbagai bagian untuk struktur FPG. (a ) Total penyerapan foton A . (b ) Penyerapan foton dari kisi-kisi permukaan depan AB . (c ) Penyerapan foton bagian CS ASi . (Garis putus-putus pada ilustrasi menunjukkan penyerapan BCS)
Peta kontur distribusi penyerapan foton di berbagai bagian untuk struktur RPG. (a ) Total penyerapan foton A . (b ) Penyerapan foton bagian CS ASi . (c ) Penyerapan foton dari kisi-kisi permukaan belakang AR . (Garis putus-putus pada ilustrasi menunjukkan penyerapan BCS)
Untuk struktur FPG, mengubah parameter geometris susunan piramida, distribusi penyerapan foton secara keseluruhan dibandingkan dengan distribusi penyerapan foton setiap bagian ditunjukkan pada Gambar 4. Dapat dilihat dari Gambar 4 (a) bahwa total foton yang diserap meningkat dengan ketinggian piramida yang lebih tinggi, sedangkan rasio periode terhadap diameter yang lebih besar tidak efektif untuk penyerapan foton. Jadi, ini berarti bahwa semakin tinggi ketinggian dan bersama-sama dengan celah yang lebih kecil akan memanen lebih banyak foton frekuensi tinggi dan hal yang sama tampaknya berlaku untuk penyerapan FPG yang ditunjukkan pada Gambar 4 (b). Namun, jika ketinggian FPG terus meningkat, hal itu akan mengurangi penyerapan foton dari CS yang terletak di bawah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 (c). Jelas, ada konfigurasi parameter optimal di mana P1 /D1 = 1,05, H1 = 53 nm. Selanjutnya, jika diasumsikan bahwa foton yang diserap oleh piramida silikon tidak terlibat dalam konversi pasangan elektron-lubang di CS, berdasarkan perhitungan ini, rentang yang sesuai dari parameter geometrik FPG juga diperoleh dan dibandingkan dengan telanjang. silikon ditunjukkan pada Gambar. 4 (c). Singkatnya, semakin tinggi ketinggian FPG, semakin rendah reflektifitasnya, tetapi ini tidak berarti ada penyerapan cahaya yang lebih efektif.
Dengan cara yang sama, untuk struktur RPG, distribusi penyerapan foton dari keseluruhan dan setiap bagian ditunjukkan pada Gambar 5. Untuk penyerapan total yang ditunjukkan pada Gambar 5 (a), dibandingkan dengan struktur FPG, menunjukkan perbedaan yang signifikan perbedaan dalam penyerapan foton ditingkatkan dengan rasio periode yang lebih besar terhadap diameter bawah dan tinggi piramida yang lebih rendah. Ini berarti, di satu sisi, rasio P . yang lebih besar 2 /D2 dan lebih kecil H2 mengurangi transmisi foton frekuensi rendah dan foton berbalik, sehingga meningkatkan refleksi. Tapi, di sisi lain, foton dipromosikan untuk diserap dalam proses. Jelas, konfigurasi parameter yang menghasilkan penyerapan paling sedikit adalah P2 /D2 = 1.01, H2 = 168 nm, dan rentang yang sesuai dari parameter geometrik RPG juga diperoleh dibandingkan dengan silikon telanjang yang ditunjukkan pada Gambar. 5 (a). Namun, pada bagian CS yang ditunjukkan pada Gambar 5 (b), tidak ada peningkatan nyata dalam penyerapan cahaya efektif karena sejumlah besar foton dipantulkan. Gambar 5 (c) menunjukkan bahwa foton yang diserap oleh kisi-kisi permukaan belakang dua orde besarnya lebih rendah daripada yang diserap oleh CS, dan ada tren serupa yang terlihat seperti penyerapan total yang ditunjukkan pada Gambar 5 (a). Di sini juga, konfigurasi parameternya adalah P2 /D2 = 1.03 dan H2 = 170 nm dan hampir sama dengan di atas.
Seperti yang terlihat dari distribusi penyerapan FPG dan RPG, yang pertama jelas memainkan peran penting dalam meningkatkan penyerapan foton yang ditunjukkan pada Gambar. 4 (c), sedangkan yang terakhir menyiratkan bahwa penyerapan foton di bagian CS melemah karena keberadaan kisi-kisi permukaan belakang yang ditunjukkan pada Gambar 5 (b). Menggabungkan temuan di atas, sifat optik dari empat set parameter berbeda yang mewakili DSPG dipelajari dan ditunjukkan pada Gambar. 6.
Sifat optik dari empat set parameter berbeda untuk DSPG (P1 /D1 = 10, H1 = 10 nm dan P2 /D2 = 1.03, H2 = 170 nm atau P2 /D2 = 10, H2 = 10 nm; P1 /D1 = 1,05, H1 = 53 nm dan P2 /D2 = 1.03, H2 = 170 nm atau P2 /D2 = 10, H2 = 10 nm) dibandingkan dengan BCS (H = 10 μm) dan FPG (P1 /D1 = 1,05, H1 = 53 nm dan P1 /D1 = 10, H1 = 10 nm). (a ), (b ), (c ), dan (d ) masing-masing adalah reflektifitas cahaya total, transmisivitas, absorptivitas, dan absorptivitas bagian CS
Karena kemampuan transmisi yang lemah dari foton frekuensi tinggi yang ditunjukkan pada Gambar. 6 (b), jika rasio periode terhadap diameter bawah tidak sesuai (P1 /D1 = 10 dan H1 = 10 nm), tidak hanya tidak mengurangi reflektifitas, tetapi juga menyebabkan peningkatan refleksi dan penyerapan menurun seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6. Hanya parameter yang sesuai (P1 /D1 = 1,05 dan H1 = 53 nm) dapat mencapai peningkatan penyerapan cahaya yang signifikan. Untuk CS, karena ketidakmampuannya sendiri untuk menyerap foton frekuensi rendah seperti yang ditunjukkan di wilayah III, modulasi kisi-kisi permukaan depan dan belakang hanya mempengaruhi distribusi cahaya antara refleksi dan transmisi. Menjadi jelas bahwa kisi-kisi belakang memainkan peran utama di wilayah II dan wilayah III, dan dengan kecocokan yang sesuai dengan parameter kisi-kisi permukaan depan (P1 /D1 = 1,05, H1 = 53 nm, dan P2 /D2 = 1.03, H2 = 170 nm), hampir nol refleksi dari pita gelombang penuh dapat direalisasikan. Dibandingkan dengan FPG dari parameter yang sama, untuk penyerapan total yang ditunjukkan pada Gambar. 6 (c), di wilayah II, keberadaan kisi-kisi permukaan belakang dengan parameter yang sesuai sebenarnya dapat meningkatkan penyerapan cahaya inframerah (P 2 /D2 = 10, H2 = 10 nm), yang menegaskan kesimpulan sebelumnya bahwa desain kisi ganda yang tidak cocok dapat memungkinkan peningkatan yang signifikan dalam kinerja perangkat [10]. Namun, untuk penyerapan bagian CS yang ditunjukkan pada Gambar. 6 (d), menggunakan desain kisi-kisi permukaan belakang memiliki sedikit efek dalam meningkatkan penyerapan cahaya CS. Oleh karena itu, dalam hal ini, meskipun RPG dapat memantulkan cahaya dan mengarahkannya kembali ke daerah fotoaktif sel surya [12], tidak memberikan manfaat tambahan untuk penyerapan cahaya yang efektif. Beberapa desain baru untuk menyesuaikan spektrum penyerapan untuk integrasi yang dioptimalkan perlu dikembangkan [1, 13].
Kesimpulan
Desain struktur kisi piramida dua sisi diadopsi untuk mempromosikan penyerapan cahaya keseluruhan sel surya silikon, dan juga dapat mewujudkan refleksi nol dengan menyesuaikan parameter. Namun, untuk penyerapan cahaya yang efektif dari bagian CS, itu tidak meningkat dengan peningkatan penyerapan cahaya secara keseluruhan. Untuk kisi-kisi piramida permukaan depan, rasio yang disarankan P1 /D1 kurang dari 1,4 dan H1 antara 10 dan 600 nm, dan untuk kisi-kisi piramida permukaan belakang, ada sedikit efek pada peningkatan penyerapan cahaya yang efektif, jadi tidak diperlukan kisi-kisi belakang. Oleh karena itu, inovasi dan desain tekstur permukaan depan yang dioptimalkan merupakan tren besar untuk peningkatan efisiensi sel surya lebih lanjut.
