Desain Fotonik dan Evaluasi Listrik Sel Surya Fungsi Ganda untuk Konversi Energi dan Aplikasi Tampilan

Hasil dan Diskusi

Ditunjukkan pada Gambar. 1 adalah diagram skematik a-Si:H SC yang dikontrol warna yang diusulkan. Dari atas ke bawah, terdiri dari ARC layer, DBR stack, buffer layer, dan a-Si:H SC. Di sini, ketebalan lapisan aktif a-Si:H adalah 500 nm yang mengandung zona doping tipe-n (tipe-p) 30 nm (50 nm). Bahan elektroda belakang (depan) untuk transpor elektron (lubang) adalah ZnO (ITO) dengan ketebalan 100 nm (20 nm). Lapisan penyangga terdiri dari 55 nm TiO₂ untuk mengurangi pantulan cahaya [24] dan meningkatkan kemurnian warna. DBR terdiri dari 6 pasangan ZnS/ZnO dengan ketebalan seperempat panjang gelombang untuk setiap lapisan. Faktanya, reflektifitas dan lebar spektral memainkan peran yang sangat penting dalam menentukan kualitas warna. Reflektifitas (R ) dari DBR dapat diprediksi secara analitik dengan menggunakan persamaan berikut [25]:

dimana n ₀ , n ₁ , n ₂ , dan n _s adalah indeks bias udara, dua lapisan DBR, dan substrat, masing-masing; T adalah jumlah pasangan DBR. Bandwidth reflektansi (∆λ₀ ) adalah [25]:

di mana ₀ adalah panjang gelombang pusat DBR. Perlu dicatat bahwa meningkatkan perbedaan n ₁ dan n ₂ , R semakin tinggi (yaitu, peningkatan kecerahan warna), tetapi ₀ dan saturasi warna berkurang. Akibatnya, perbedaan yang relatif kecil dari n ₁ dan n ₂ bersama dengan N . yang relatif besar digunakan untuk memastikan saturasi tinggi untuk menghadirkan kemurnian dan kecerahan warna yang tinggi.

Diagram skema dari a-Si:H SC yang dikontrol warna yang diusulkan (kiri) dan konfigurasi perangkat terperinci (kanan)

Menurut optik film tipis, ketebalan DBR harus dirancang dengan hati-hati untuk menampilkan warna RGB yang dilokalisasi secara berbeda dalam pita yang terlihat. Di sini, tidak termasuk SC, pertama-tama kami memeriksa kemampuan kontrol spektrum refleksi DBR untuk tampilan RGB. Gambar 2a menunjukkan spektrum refleksi DBR di bawah desain RGB, dengan struktur yang sesuai dan ketebalan film yang diberikan pada Gambar. 2b. Ditemukan bahwa refleksi memuncak pada ₀ = 625, 520, dan 445 nm, masing-masing, yang cocok dengan pusat RGB. Selain itu, pantulan puncak cukup kuat (yaitu, 74,82%, 72,1%, dan 76,31%) untuk memastikan kecerahan tampilan. Bahkan, untuk DBR, ada beberapa gelombang samping yang keluar dari pita terlarang. Gelombang tersebut merugikan untuk mencapai kemurnian warna yang tinggi [26]. Gambar 2a memverifikasi keberadaan gelombang samping tersebut.

Respons optik dari DBR dan RGB a-Si:H SCs. a Spektrum refleksi DBR menargetkan tampilan RGB. b Parameter struktural dan material dari DBR yang dirancang. Spektrum reflektifitas (c ) dan koordinat kromatisitas CIE 1931 (d ) dari a-Si:H SC dengan RGB DBR di atasnya. Spektrum reflektansi (e ) dan koordinat kromatisitas CIE 1931 (f ) dari a-Si:H SC yang dikontrol warna yang dirancang. Gamut warna sRGB standar dimasukkan ke dalam (f ) untuk perbandingan

Di atas RGB, DBR sekarang terintegrasi dengan a-Si:H SC, yaitu RGB-DBR (atas) + SC (bawah). Spektrum refleksi dari sistem SC gabungan yang menargetkan tampilan RGB ditunjukkan pada Gambar. 2c. Pertama kali diamati bahwa panjang gelombang pusat dengan menggabungkan SC telah sedikit bergeser merah (dari 625, 520, dan 445 nm menjadi 633, 528, dan 453 nm untuk sel R, G, dan B, masing-masing); Selain itu, pantulan puncak juga meningkat masing-masing menjadi 87,66%, 82,52%, dan 79,44%. Ini masuk akal karena masuknya SC di bawah DBR telah mengubah konfigurasi sistem dan memodifikasi situasi resonansi. Meskipun demikian, efek di atas relatif lemah tanpa mempengaruhi kualitas tampilan. Namun, memang ada bahan utama yang sangat menurunkan kemurnian warna, yaitu, banyak gelombang samping intensif yang timbul dari peningkatan reflektansi pada antarmuka SC. Gambar 2d menggambarkan koordinat kromatisitas Commission Internationale de L'Eclairage (CIE) 1931 untuk sistem SC gabungan ini. Untuk aplikasi tampilan pola, semakin besar ruang warna, semakin banyak elemen warna yang dikandungnya, dan semakin baik tampilannya [27]. Ketika warna primer mendekati batas berbentuk lidah, ruang warna terbesar dapat diperoleh. Namun, Gambar 2d menunjukkan bahwa RGB yang dicapai relatif jauh dari batas; oleh karena itu, kita perlu lebih jauh mengurangi bandwidth refleksi serta menghilangkan gelombang samping.

Untuk meningkatkan kinerja RGB, kami selanjutnya memperkenalkan ARC lapisan ganda (MgF₂ dan SnO₂ ) bersama dengan lapisan penyangga (TiO₂ ). ARC dikonfigurasi di atas DBR dan lapisan buffer diapit oleh DBR dan a-Si:H SC seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1. Berdasarkan optik film tipis, ketebalan ARC dapat dikontrol oleh [28]:

dimana n ₀ , n _t , n _b , dan n _s adalah indeks bias udara, lapisan atas, lapisan bawah, dan substrat, masing-masing; d _t dan d _b adalah ketebalan lapisan atas dan bawah, masing-masing. Diplot pada Gambar. 2e adalah spektrum refleksi dari a-Si:H SC yang dikontrol warna yang dirancang dengan ARC, DBR, dan lapisan buffer. Jelas bahwa (1) panjang gelombang puncak adalah 625, 515, dan 445 nm, dekat dengan DBR yang berdiri sendiri; (2) bandwidth resonansi sangat menurun untuk sel dengan warna RGB; (3) gelombang samping ditekan secara dramatis, bahkan dibandingkan dengan hasil DBR saja yang ditunjukkan pada Gambar 2a. Seperti yang diharapkan, setelah memperkenalkan ARC dan lapisan penyangga, perbedaan jalur optik telah diubah, memvariasikan situasi resonansi. Akibatnya, panjang gelombang pusat, bandwidth refleksi, dan gelombang samping sistem ditingkatkan. Oleh karena itu, desain fotonik tingkat lanjut menghasilkan warna yang diinginkan dengan kualitas warna yang sangat ditingkatkan sebagaimana dibuktikan oleh koordinat kromatisitas CIE 1931 pada Gambar. 2f. Dibandingkan dengan sRGB, perbedaan warna antara RGB dan sRGB yang dirancang adalah sebagai berikut:E_R = 16.8 untuk merah, E_G = 47.6 untuk hijau, dan E_B = 41.7 untuk biru. Meskipun perbedaan warna menunjukkan sedikit perubahan antara RGB dan sRGB yang dirancang dari persepsi pengamat, ruang warna untuk desain kami sebanding dengan sRGB. Misalnya, ruang warna RGB kira-kira sama dengan 52,7% (72%) ruang warna Komisi Sistem Televisi Nasional (NTSC) untuk sistem yang dirancang dan standar.

Hingga kini, kami telah berhasil merancang a-Si:H SC dengan strategi optik film tipis yang canggih. Namun, untuk fungsi tampilan seperti itu, respons listrik SC pasti akan terpengaruh. Oleh karena itu, perlu untuk memeriksa respons optoelektronik terperinci dari a-Si:H SCs yang dikontrol warna. Dalam beberapa tahun terakhir, kami telah melakukan studi ekstensif pada simulasi tingkat perangkat SC berbasis semikonduktor, termasuk simulasi optoelektronik dengan mengatasi respons transportasi elektromagnetik dan pembawa [17, 18] serta simulasi opto-listrik-termal canggih dari SC [19]. SC berdasarkan (1) berbagai bahan (misalnya, Si, GaAs, dan a-Si:H) dan (2) berbagai struktur nano (misalnya, kawat nano tunggal, tekstur nano, dan sambungan ganda) telah dieksplorasi untuk menemukan cara mengendalikan perilaku multifisika intrinsik di dalam SC dan meningkatkan efisiensi fotokonversi [20,21,22]. Oleh karena itu, respons optoelektronik dari a-Si:H SC yang dirancang khusus yang disajikan dalam makalah ini dapat dengan mudah diperoleh dengan melakukan simulasi optoelektronik yang sesuai.

Gambar 3a–c menunjukkan penyerapan (A ) dan spektrum EQE dari SC RGB di bawah iluminasi AM1.5. Pertama, ditunjukkan bahwa spektrum serapan menunjukkan penurunan yang nyata pada panjang gelombang tertentu yang sesuai dengan puncak refleksi untuk warna R, G, dan B, masing-masing. Ini karena fungsi tampilan warna memerlukan pantulan cahaya tertentu pada pita yang terlihat; dengan demikian, penyerapan optik (A ) dan respon listrik (EQE) dari SC pasti akan terpengaruh, yang menyebabkan perbedaan substansial dalam EQE dan A untuk SC merah, hijau, dan biru. Selain itu, pada pita panjang gelombang kurang dari 380 nm, kita dapat melihat bahwa cahaya hampir seluruhnya diserap oleh lapisan ITO atas; karenanya, penyerapan yang sesuai dan EQE mendekati nol. Meskipun demikian, penyerapan perangkat secara keseluruhan cukup baik untuk menunjukkan puncak A lebih dari 80%. Kedua, karena a-Si:H SC dipertimbangkan dalam penelitian ini, efek rekombinasi pembawa ada hampir di seluruh pita spektral yang valid (karena lapisan aktif sangat tipis) sehingga EQE selalu lebih rendah dari A . Karakteristik tegangan arus yang sesuai (J -V kurva) diplot pada Gambar. 3d, di mana sisipan menunjukkan kerapatan arus hubung singkat yang terperinci (J _SC ), tegangan rangkaian terbuka (V _OC ), faktor pengisian (FF), dan efisiensi fotokonversi (Eff) untuk sel RGB. Sebagai perbandingan, a-Si:H SC konvensional dengan 100 nm SiO₂ lapisan anti-refleksi digunakan dan menunjukkan efisiensi ~ 7,59%, yang mirip dengan laporan oleh Anderson et al. [16, 29]. Ditemukan bahwa desain RGB jelas tidak mempengaruhi V oc dan FF. Diakui bahwa V _OC dan FF dari SC terutama ditentukan oleh sifat intrinsik material (misalnya, celah pita), konsentrasi doping lapisan aktif, dan konfigurasi perangkat; karenanya, desain RGB memengaruhi penyerapan, bukan V _OC dan FF. Seperti yang diharapkan, SC warna menunjukkan penurunan efisiensi karena tujuan tampilan warna. Lebih detailnya, SC berwarna biru memiliki efisiensi maksimum sebesar 6,54%, sedangkan hijau 5,58% dan merah 4,88%. Sel merah menunjukkan pengurangan efisiensi terbesar karena cahaya merah yang dipantulkan memiliki energi matahari terkuat. Ini adalah pengorbanan yang masuk akal untuk SC multi-fungsi seperti itu.

Spektrum serapan dan EQE dari a-Si:H SCs yang dikontrol warna dengan warna a merah, b hijau, dan c biru. d Kurva IV dari a-Si:H SC yang dirancang, di mana sistem asli tanpa desain RGB disertakan untuk referensi. Tabel yang disisipkan menunjukkan J _SC , V _OC , FF, dan Eff

Perlu dicatat bahwa, jika kita ingin lebih meningkatkan efisiensi konversi energi, struktur yang lebih kompleks dapat diperkenalkan. Secara optik, misalnya, (1) efek perangkap cahaya (misalnya, TCO dengan permukaan bertekstur) dapat digunakan; (2) permukaan TCO dapat ditutup dengan TiO₂ -ZnO lapisan antirefleksi (misalnya, meningkatkan efisiensi kuantum ~ 10% pada 550 nm) [30]. Secara elektrik, (1) teknik deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma triode (PECVD) dapat digunakan untuk menekan efek degradasi yang diinduksi cahaya [31]; (2) simulasi optoelektronik kami dapat mengoptimalkan perilaku dinamis transportasi pembawa untuk lebih menekan rekombinasi pembawa dan meningkatkan output listrik [18]. Selain itu, prinsip desain ini juga berlaku untuk jenis SC lainnya (misalnya, Perovskit, Si kristal, organik, dan SC hibrida) [32]. Oleh karena itu, efisiensi konversi energi dari SC warna-warni yang dirancang dapat ditingkatkan dengan berbagai cara fotonik atau listrik.

Selanjutnya, kami mendemonstrasikan penerapan a-Si:H SCs dalam tampilan pola dan arsitektur estetika. Gambar 4 menunjukkan desain logo Universitas Soochow (kiri atas), bagian logo yang diperbesar (tengah atas), informasi struktur detail untuk desain RGB (kanan), dan nilai RGB yang sesuai dari tujuh warna dalam logo (tengah bawah ). (1) Ada tujuh elemen warna dalam logo yang terdiri dari elemen RGB utama. (2) Empat lingkaran berwarna merah, kosakata bagian bawah lingkaran luar berwarna hijau, dan karakter Cina atas lingkaran luar berwarna biru langsung dari SC yang dikontrol warna. (3) Latar belakang menampilkan warna ungu dalam abu-abu, yang terdiri dari kontribusi RGB yang sama. Nilai RGB pada logo mewakili tiga komponen merah, hijau, dan biru. Misalnya untuk merah, semakin kecil nilai hijau dan biru, semakin besar saturasi warnanya [33]. Oleh karena itu, kejenuhan warna merah dan biru lebih tinggi daripada warna hijau, menyebabkan jumlah R dan B lebih besar dari nilai G dalam warna pencampuran dan membuatnya menjadi ungu [34]. (4) Nilai RGB tidak cukup besar dibandingkan dengan nilai maksimum 255, menyebabkan kecerahan rendah dan warna abu-abu. Karakter Cina tengah adalah magenta, terdiri dari merah dan biru yang sama, seperti yang ditunjukkan oleh ilustrasi yang diperbesar di kanan atas Gambar 4. (5) Penyimpangan kromatik magenta lebih kecil daripada warna campuran lainnya karena proporsi yang lebih baik komponen RGB. The "SOOCHOW" (UNIVERSITY) adalah cyan (kuning), terdiri dari hijau dan biru (merah dan hijau), masing-masing. Keduanya memiliki masalah ketidakseimbangan proporsional RGB dan kecerahan rendah. Meskipun ada ruang untuk perbaikan lebih lanjut, polanya jelas dan dapat dibedakan secara keseluruhan.

Logo Universitas Soochow, dengan piksel yang tersusun dari RGB a-Si:H SCs. Sisipan menunjukkan komposisi piksel mikroskopis, detail struktur RGB a-Si:H SCs, dan nilai RGB peta warna yang dicampur oleh tiga warna primer

Dalam aplikasi praktis, tidak seperti SC berstrukturnano, SC RGB yang diusulkan dalam konfigurasi planar dapat dibuat dengan proses fabrikasi komersial yang sangat matang [35]. Di bagian bawah, terdapat sel surya a-Si:H yang representatif dengan struktur p-i-n. Pertama, lapisan silikon amorf tipe-n (na-Si:H) diendapkan pada substrat berlapis TCO (kaca atau plastik) oleh PECVD, silikon amorf intrinsik (ia-Si:H), dan silikon amorf tipe-p ( pa-Si:H) lapisan diikuti dengan metode yang sama. Kemudian, elektroda atas biasanya lapisan TCO, yang diendapkan dengan cara sputtering [36]. Selanjutnya, lapisan buffer diendapkan pada a-Si:H SC lengkap, diikuti oleh lapisan bolak-balik DBR menggunakan magnetron sputtering [37]. Akhirnya, RGB a-Si:H SCs diselesaikan dengan mendepositkan ARC lapisan ganda atas dengan magnetron sputtering. Dalam proses preparasi, variasi ketebalan dari 1 hingga 5% dimungkinkan. Oleh karena itu, untuk menyelidiki pengaruh variasi ketebalan, kami memperkenalkan variasi acak dari ketebalan (misalnya, dari 5% hingga 5%) untuk setiap lapisan. Hasil simulasi menunjukkan bahwa perbedaan warna (ΔE) berkisar antara 1,9 hingga 11,2 untuk merah, 1,3 hingga 15,7 untuk hijau, dan 0,5 hingga 2,9 untuk biru. Jelas bahwa SC biru memiliki toleransi terbaik untuk efek variasi ketebalan. Meskipun perbedaan warna untuk merah (hijau) hingga 11,2 (15,7), nilai rata-ratanya sekitar 4,3 (8). Selain itu, kami menyelidiki variasi ketebalan (misalnya, 5% dan 5%) untuk setiap lapisan pada Eff SC, Eff yang sesuai menunjukkan variasi kecil pada kisaran dari 0,1% hingga 0,4% untuk RGB SC. Dengan demikian, kita dapat menganggap bahwa efisiensi SC kuat terhadap deviasi ketebalan khas DBR dan ARC dalam eksperimen.

Akhirnya, kami menyelidiki pengaruh sudut datang pada warna yang dirancang. Gambar 5a menunjukkan bagaimana warna RGB yang dirancang berkembang dengan meningkatnya sudut datang (θ ). Jelas, SC biru dan hijau memiliki toleransi yang lebih baik terhadap insiden yang cenderung, dibandingkan dengan yang merah yang warnanya telah diubah dari merah (θ = 0°) menjadi hijau (θ> 70 °). Sebagai perbandingan, Gbr. 5b menunjukkan lokus warna RGB yang dirancang dalam koordinat kromatisitas CIE 1931 dengan θ yang terus meningkat . Menurut diagram CIE, saturasi semua warna berkurang dengan bertambahnya θ , terutama di bawah θ . yang besar = 80 °, di mana warna sangat dekat dengan titik E (titik saturasi terendah). Gambar 5c menunjukkan logo Universitas Soochow di bawah sudut datang yang berbeda. Logo target terdiri dari tujuh warna standar, dan setiap warna memiliki rona, saturasi, dan kecerahan paling standar. RGB standar terdiri dari warna merah, hijau, dan biru standar dengan warna lain yang dihasilkan dari kombinasinya. Keduanya digunakan untuk tujuan perbandingan. Jelas bahwa logo dapat terbaca bahkan di bawah sudut datang yang besar; namun, warna pola telah diubah sampai tingkat tertentu dengan meningkatkan sudut datang. Ini memberikan ruang untuk pengoptimalan lebih lanjut di masa mendatang.

a Evolusi warna RGB ditunjukkan oleh a-Si:H SC yang dirancang dengan sudut datang. b Variasi posisi RGB di CIE 1931 berkoordinasi dengan peningkatan sudut datang. c Pola logo yang ditampilkan oleh a-Si:H SC di bawah berbagai sudut datang (0°, 30°, 45°, dan 60°). Dalam c , logo target dan logo dengan RGB standar disertakan untuk perbandingan

Kesimpulan

Singkatnya, kami mengusulkan film tipis a-Si:H SC untuk pembangkit listrik dan aplikasi tampilan secara bersamaan untuk pertimbangan BIPV tipe baru. Tampilan RGB dasar dikendalikan oleh DBR dan kinerja sistem a-Si:H SC yang dikontrol warna dioptimalkan dengan menerapkan lapisan ARC dan buffer. Strategi optik film tipis yang canggih memungkinkan a-Si:H SC menampilkan warna merah, hijau, dan biru dengan kemurnian tinggi, dengan ruang warna yang sebanding dengan sRGB. Kami lebih lanjut memeriksa kinerja listrik berdasarkan model optoelektronik SC yang dikontrol warna, yang menunjukkan bahwa efisiensi konversi daya dapat masing-masing 4,88%, 5,58%, dan 6,54% untuk sel R, G, dan B. Sel-sel RGB dirancang untuk berhasil menampilkan logo Universitas Soochow, yang dapat dengan mudah dibedakan bahkan di bawah sudut datang yang sangat besar. Dibandingkan dengan SC berstrukturnano, SC a-Si:H yang diusulkan dalam konfigurasi planar dapat dibuat dengan proses fabrikasi komersial yang sangat matang. Meskipun hanya a-Si:H SC yang diinvestasikan, seperti prinsip tampilan warna dan sistem evaluasi listrik dari SC yang dikontrol warna dapat diterapkan untuk jenis SC lainnya. Selanjutnya, panel berwarna tersebut dapat diaplikasikan pada dinding atau atap bangunan modern untuk menampilkan pola, sehingga menghasilkan arsitektur yang estetis.

Singkatan

A :

Penyerapan

ARC:

Lapisan antirefleksi

BIPV:

Fotovoltaik terintegrasi bangunan

CAL:

Lapisan pengatur warna

CIE:

Komisi Internasional de L'Eclairage

DBR:

Reflektor Bragg terdistribusi

Eff:

Efisiensi konversi foto

EQE:

Efisiensi kuantum eksternal

FF:

Faktor pengisian

F-P:

Fabry-Perot

J sc:

Kepadatan arus hubung singkat

J -V :

Tegangan arus

NTSC:

Komisi sistem televisi nasional

PECVD:

Deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma

R :

Reflektifitas

RCWA:

Analisis gelombang berpasangan yang ketat

RGB:

Merah-hijau-biru

SC:

Sel surya

sRGB:

Standar merah-hijau-biru

STCPC:

Selektif transparan dan melakukan kristal fotonik

TCO:

Oksida konduktor transparan

V oc:

Tegangan rangkaian terbuka

Perangkat Mikrofluida yang Dibuat Langsung pada Elektroda yang Dicetak di Layar untuk Penginderaan Elektrokimia Ultrasensitif dari PSA Peningkatan Kapasitas yang Diinduksi Bersepeda dari Anoda Komposit Grafena Aerogel/ZnO Nanomembrane yang Dibuat dengan Deposisi Lapisan Atom