Plasmon-Enhanced Light Absorption in (p-i-n) Junction GaAs Nanowire Solar Cells:Studi Metode Simulasi FDTD

Hasil dan Diskusi

Pilihan optimal geometri NW atau rasio diameter pengisian terhadap periodisitas (D /P rasio) memungkinkan penyerapan sel surya yang sangat efisien. Oleh karena itu, kami mengoptimalkan D /P rasio NW dengan simulasi optik untuk mencapai karakteristik penyerapan optik terbaik dalam sel surya susunan kawat nano GaAs dengan p -i -n persimpangan jalan. Gambar 2 menunjukkan total daya yang diserap dari kawat nano GaAs telanjang dengan panjang (L = 1 µm) dan diameter (D = 100 nm), pada periodisitas yang berbeda antara 165 dan 500 nm dan rasio tinggi lebar antara 0,6 dan 0,2. Dari Gambar. 2, dapat dilihat bahwa untuk panjang gelombang 300–600 nm, efisiensi penyerapan NW dipertahankan di atas 90% di semua simulasi terlepas dari NW D /P rasio, yang jauh lebih tinggi dari itu untuk bahan film tipis. Untuk D N /P rasio 0,2 (garis padat), penurunan tajam dalam penyerapan terjadi untuk energi foton lebih kecil dari celah pita yang sesuai untuk telanjang GaAs NW. Di atas 600 nm hingga panjang gelombang yang dekat dengan celah pita, Gambar 2 menunjukkan bahwa penyerapan NW sangat dipengaruhi oleh peningkatan D /P perbandingan. Spektrum serapan terbaik diperoleh pada D /P rasio 0,6 (lingkaran berongga). Karena periodisitas NW menurun dengan meningkatnya D /P rasio, Gambar. 2 menunjukkan bahwa efek perangkap cahaya dari NWs menurun drastis pada panjang gelombang yang dekat dengan celah pita untuk NW yang lebih rendah D /P rasio. Telah ditunjukkan dalam literatur bahwa D /P rasio memainkan peran penting dalam penyerapan GaAs NWs [34, 35]. Perhitungan FDTD mengungkapkan bahwa penyerapan optik NWs sensitif terhadap parameter geometris seperti diameter NW, panjang dan lebih besar D /P perbandingan. Namun, dalam kombinasi dengan NP logam, penyerapan NW dengan D . yang lebih rendah /P rasio pada panjang gelombang di dekat celah pita meningkat lebih signifikan dibandingkan dengan NW yang lebih tinggi D /P perbandingan. Termotivasi oleh pengamatan ini, kami melakukan simulasi optik untuk struktur GaAs NW kami yang digabungkan dengan ukuran NP yang berbeda pada D yang lebih kecil /P rasio 0,2 dan 0,3, masing-masing. Sebagai contoh tipikal, Gbr. 3 menunjukkan total daya serap yang dihitung untuk GaAs NWs pada D /P rasio 0,2 yang digabungkan dengan diameter Au-NP yang berbeda masing-masing 30 nm (titik terisi), 40 nm (kotak terisi), 50 nm (segitiga terisi), dan 60 nm (lingkaran berongga). Sebagai perbandingan, penyerapan NW telanjang juga diplot (garis padat). Dari Gambar. 3, dapat disimpulkan bahwa ketika NP Au diperkenalkan, peningkatan bidang yang bergantung pada ukuran NP dalam NW sudah mapan. Ini mungkin karena kopling resonansi dari elektron konduksi bebas, yang disebut sebagai plasmon, yang mengarah pada peningkatan penyerapan dalam NW. Kami menemukan bahwa ketika ukuran NP yang digabungkan meningkat, penyerapan NW ditingkatkan secara efektif, paling signifikan pada panjang gelombang cahaya di atas ujung tombak dari 650 nm hingga panjang gelombang celah pita-dekat 800 nm. Penyerapan terbaik dalam NW dicapai saat diameter Au NP 60 nm digabungkan. Di sisi lain, pada panjang gelombang pendek 300–400 nm, simulasi menunjukkan penurunan sederhana dalam kinerja penyerapan hampir 20-30% setelah penggabungan rentang ukuran penuh Au NP. Selain itu, penurunan tajam dalam daya serap terjadi pada panjang gelombang yang sesuai dengan resonansi plasmon dari NP Au yang tergabung (panjang gelombang 440–470 nm). Ini kemungkinan karena resonansi plasmon permukaan lokal (LSPRs) yang terkurung di dalam NP. Selanjutnya, kami menyelidiki distribusi medan di dalam NW pada panjang gelombang dekat celah pita 800 nm, di mana penyerapan optik NW secara efektif ditingkatkan oleh plasmon permukaan. Kami membandingkan distribusi cahaya di dalam struktur NW sebelum dan sesudah mendekorasi NWs dengan Au NP, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4. Yang terakhir menunjukkan tampilan atas dari distribusi intensitas 2D di x –y bidang di atas penampang GaAs NW yang diperoleh dari simulasi atas monitor untuk medan listrik |E | (a), dan daya serap total (b), pada panjang gelombang 800 nm sebelum dan sesudah dihias dengan Au NP dengan diameter masing-masing 30, 40, 50, dan 60 nm. Bilah warna menunjukkan intensitas bidang yang dinormalisasi ke nilai maksimum. Dari hasil tersebut dapat dilihat bahwa untuk ukuran NP kecil, medan listrik yang terperangkap termasuk dalam mode plasmon permukaan terlokalisasi orde rendah, sedangkan ketika diameter NP meningkat, mode orde tinggi tereksitasi. Dari Gambar 4, dapat dilihat bahwa sambungan cahaya dari NP Au di x -arah ke GaAs NW tetangga mudah terlihat dan paling jelas ketika ukuran NP Au yang tergabung meningkat. Sebaliknya, tidak ada efek peningkatan medan dan/atau sambungan cahaya ke NW yang ditemukan dari NP di y -arah. Osilasi kolektif NP tampaknya terkonsentrasi pada arah maju dan mundur dari NP daripada pada kopling ke NW. Ketika D /P rasio pengisian NW ditingkatkan menjadi 0,3 (Gbr. 5) dan Au NP dengan diameter 40 nm (lingkaran terisi), 50 nm (segitiga terisi), dan 60 nm (lingkaran berongga) digabungkan, masing-masing, efisiensi penyerapan keseluruhan dari NW tetap di atas 95% untuk berbagai ukuran NP yang tergabung. Dibandingkan dengan Gambar. 3, sedikit penurunan dalam efisiensi penyerapan diamati untuk panjang gelombang yang sesuai dengan resonansi plasmon dari NP yang tergabung dalam kisaran 440–470 nm. Saat ukuran NP Au yang digabungkan meningkat, penyerapan NW ditingkatkan secara efektif, dan lagi-lagi paling signifikan antara panjang gelombang 650 nm—hingga tepi celah pita GaAs. Selain itu, penyerapan NW terbaik ditemukan ketika diameter Au NP 60 nm digabungkan. Hasil simulasi pada Gambar. 3, 4 dan 5 sangat menyarankan bahwa penggabungan NP Au di dalam NW mengarah pada peningkatan penyerapan GaAs NWs, bahkan pada D kecil /P rasio di mana penyerapan NW telanjang lebih rendah seperti yang diharapkan. LSPR yang terjadi di permukaan NP Au mungkin merupakan sumber utama bidang lokal yang ditingkatkan dalam GaAs NW yang selaras. LSPR sangat tergantung pada ukuran NP, bentuk, dan sifat material sekitarnya [13]. Untuk memperjelas penyerapan NW yang ditingkatkan plasmon secara lebih rinci, kami menyelidiki peningkatan bidang NW GaAs ketika didekorasi dengan NP tunggal dengan diameter 60 nm, yang ternyata memiliki hasil terbaik. Kami menyetel periodisitas NW ke 0,2 dan memilih tiga panjang gelombang cahaya khas 450, 600, dan 800 nm. Pada panjang gelombang cahaya ini, dekorasi NP mungkin mempengaruhi penyerapan NW. Kami membandingkan distribusi cahaya dalam struktur NW sebelum dan sesudah dekorasi dengan NP, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a–h. Gambar 6a menunjukkan tampilan samping dari kuat medan listrik 2D pada panjang gelombang 450 nm untuk GaAs NW telanjang yang dihitung dengan FDTD. Seperti dapat dilihat, distribusi cahaya NW telanjang pada Gambar. 6a menunjukkan profil penyerapan yang bagus di bagian atas, tengah, dan bawah NW. Di sisi lain, simulasi GaAs NW yang digabungkan dengan Au pada Gambar. 6b menunjukkan sedikit efek pada penyerapan NW, yaitu, cahaya yang datang hampir tidak diserap sepanjang seluruh panjang NW. E weak yang lemah -distribusi medan dalam NW menunjukkan penyerapan cahaya yang buruk. Selain itu, medan cahaya agak terkonsentrasi di sekitar Au NP daripada di dalam NW. Ini mungkin karena koefisien kepunahan yang lebih rendah dari LSPR yang tereksitasi di medan dekat [15]. Gambar 6c menunjukkan distribusi cahaya untuk GaA telanjang pada panjang gelombang 600 nm. Gambar tersebut mengilustrasikan bahwa sebagian besar cahaya datang diserap di bagian atas GaAs NW. Setelah dekorasi dengan Au NP, Gambar 6d menunjukkan profil penyerapan yang lebih baik dibandingkan dengan Gambar 6b. Sebagian kecil dari medan-E terdistribusi secara seragam dengan intensitas yang lebih tinggi sepanjang seluruh panjang NW, dengan kecenderungan untuk terkonsentrasi di bagian atas NW. Selain itu, Gambar 6d menunjukkan bahwa transfer eksitasi dominan dalam NP. Pada panjang gelombang 800 nm, penyerapan NW telanjang menunjukkan distribusi medan yang seragam di bagian atas, tengah dan bawah dari seluruh NW, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6e. Di sisi lain, penyerapan NW sangat ditingkatkan setelah dekorasi dengan Au-NP, dan intensitas medan yang diserap dalam GaAs NW tetap hampir tidak berubah dari atas ke bawah NW (Gbr. 6f). Selain itu, medan terkonsentrasi di sekitar NP dapat dengan mudah dilihat. Gambar 6g dan h menunjukkan tampilan atas distribusi medan E 2D dalam GaAs NW pada 800 nm, masing-masing seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6e dan f. Mengingat bahwa penelitian kami hanya berfokus pada mendekorasi GaAs NWs dengan Au NPs, dibandingkan dengan hasil literatur yang dipublikasikan [34], temuan kami menunjukkan bahwa NP logam meningkatkan absorptance dari GaAs NWs bahkan pada D yang lebih rendah. /P rasio, yaitu, dari 0,2. Kemajuan hasil kami adalah kemungkinan untuk lebih meningkatkan penyerapan NW pada panjang gelombang yang lebih tinggi, yaitu 600 dan 800 nm.

Performa penyerapan total GaAs NW dengan D different yang berbeda /P rasio tanpa penggabungan nanopartikel logam Au

Efisiensi penyerapan total GaAs NW dengan D /P rasio 0,2 (a ) digabungkan dengan ukuran Au NP yang berbeda dari diameter 30 hingga 60 nm dibandingkan dengan NW biasa

Tampilan atas dari distribusi cahaya 2D; a daya serap yang dihitung; b kawat nano GaAs setelah penggabungan NP Au dengan diameter 30, 40, 50, dan 60 nm yang dihitung oleh FDTD pada panjang gelombang cahaya 800 nm dibandingkan dengan GaAs NW biasa

Efisiensi penyerapan total GaAs NW dengan D /P rasio 0,3 yang digabungkan dengan ukuran Au NP yang berbeda dari diameter 40 hingga 60 nm dibandingkan dengan NW biasa

Tampak samping dari distribusi cahaya 2D untuk kawat nano GaAs telanjang pada panjang gelombang a 450, c 600, dan e 800 nm dibandingkan dengan GaAs NW yang didekorasi dengan 60 Au NP (b ), (d ), dan (f ). Angka g dan h tampilkan tampilan atas dari Gambar (e ) dan (f ), masing-masing

Untuk melengkapi set analisis, total daya yang diserap dalam GaAs NW dihitung setelah mendekorasi diameter Au NP 60 nm pada tiga panjang gelombang cahaya pemotongan 450, 600, dan 800 nm (Gbr. 7a–f). Sekali lagi, total daya yang diserap untuk NW telanjang pada tiga panjang gelombang cahaya ini disertakan untuk perbandingan. Dari Gambar 7a–f, dapat disimpulkan bahwa peningkatan daya serap terlihat dalam NW setelah dekorasi NP Au, terutama pada panjang gelombang 600 dan 800 nm yang lebih tinggi, dibandingkan dengan GaAs NW telanjang. Daya serap terbaik ditemukan untuk NW yang didekorasi dengan GaAs-Au pada panjang gelombang 800 nm (Gbr. 7f). Untuk yang terakhir, distribusi daya yang diserap sangat meningkat di bagian atas GaAs NW, yang konsisten dengan hasil sebelumnya pada Gambar. 3. Gambar 7g, h menunjukkan tampilan atas 2D E -distribusi medan dalam GaAs NW pada 800 nm, masing-masing seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7e, f. Temuan simulasi ini menunjukkan bahwa konsentrasi cahaya karena eksitasi LSPR di sekitar Au NP mengarah ke peningkatan arus foto lokal di GaAs NW, memungkinkan mereka untuk berfungsi sebagai antena transfer energi skala nano yang efektif untuk cahaya yang datang. Untuk mendapatkan wawasan lebih lanjut tentang efisiensi penyerapan kawat nano, data penampang kepunahan (penyerapan + hamburan) dari GaAs NWs sebelum dan sesudah dekorasi dengan 60 nm Au NP dihitung. Gambar 8a, b menunjukkan penampang pemutusan optik untuk kawat nano GaAs (a) dan kawat nano yang didekorasi dengan Au (b) di bawah pencahayaan tegak lurus. Gambar 8a menunjukkan penyerapan maksimum NW telanjang pada panjang gelombang sekitar 400 nm. Yang terakhir menjelaskan dengan cukup baik bahwa GaAs NWs adalah penyerap yang baik di wilayah UV dari spektrum EM. Selain itu, koefisien kepunahan pada Gambar 8a didominasi oleh penyerapan NW, sedangkan hamburan cahaya minimal. Gambar 8b menunjukkan simulasi penampang kepunahan optik GaAs NW yang didekorasi dengan Au NP berdiameter 60 nm. Seperti dapat dilihat, kemampuan menangkap cahaya GaAs NW menunjukkan dua puncak serapan sebagai berikut:(1) Di daerah inframerah-dekat; serapan NW menempati ~ 8% pada panjang gelombang 650 nm. Ini mungkin LSPR yang terkurung di dinding samping di sekitar NW; (2) Di medan jauh, penyerapan NW menempati ~ 35% pada panjang gelombang  ~ 800 nm sambil mempertahankan koefisien kepunahan optik yang lebih tinggi. Membandingkan Gambar. 8a, b, dapat disimpulkan bahwa penampang optik meningkat secara efektif. Urutan peningkatan besarnya pada penampang optik sudah jelas terlihat. Selanjutnya, generasi optik dan efisiensi fotokonversi dari struktur sel surya kami sebelum dan sesudah dekorasi dengan NP diselidiki. Gambar 9a menunjukkan efisiensi struktur sel surya NW dengan (garis merah) dan tanpa dekorasi Au NP (garis hitam) di bawah iluminasi AM 1.5G. Kami dengan jelas mengamati peningkatan arus foto sebagai akibat dari dekorasi dengan Au NP. Tegangan rangkaian terbuka (V _ok ) sedikit meningkat dari 0,878 (untuk NW kosong) menjadi 0,899 (untuk NW yang didekorasi). Selain itu, rapat arus hubung singkat (J _sc ) meningkat drastis dari 18,9 (untuk NW kosong) menjadi 24,3 mA/cm ² (untuk NW yang didekorasi). Gambar 9b menunjukkan peningkatan efisiensi fotokonversi dengan meningkatnya D /P rasio (maksimum 0,6). Gambar menunjukkan bahwa efisiensi fotokonversi meningkat dengan meningkatnya D /P rasio hingga nilai antara 0,5 dan 0,6, di atas mana stabilitas efisiensi fotokonversi tercapai. Ini mungkin karena fakta bahwa cahaya yang datang dalam pita panjang gelombang penuh dapat diserap oleh kawat nano GaAs jika D /P rasionya cukup besar. Terlebih lagi, pantulan meningkat pada D . yang tinggi /P rasio, yang akan menurunkan efisiensi penyerapan. Dari Gambar, dapat dilihat bahwa efisiensi struktur baru ditingkatkan dengan faktor 24 dari 12,96 menjadi 16,92% ketika D /P rasionya adalah 0,4. Karena efisiensi fotokonversi tampaknya dipengaruhi oleh banyak faktor, dapat dibayangkan dari hasil kami bahwa peningkatan kerapatan arus foto disebabkan oleh penggabungan Au NP dalam struktur NW kami. Yang terakhir menyediakan metode untuk meningkatkan perangkap cahaya di D . yang lebih rendah /P rasio bahan GaAs NWs. Studi kami yang menggabungkan LSPR dengan susunan kawat nano, keduanya memiliki efek nyata pada perangkap cahaya, memberikan wawasan tentang penelitian lebih lanjut untuk meningkatkan efisiensi surya dan dapat mengurangi biaya sel surya jika dioptimalkan lebih lanjut.

Tampak samping dari distribusi daya serapan 2D dalam GaAs telanjang pada panjang gelombang a 450, c 600 dan 800 nm e dibandingkan dengan GaAs NW yang didekorasi dengan NPS (b ), (d ) dan (f ). Gambar g dan h tampilkan tampilan atas dari gambar (e ) dan (f ), masing-masing

Penyerapan, hamburan, dan kepunahan penampang (penyerapan + hamburan) untuk GaAs NW telanjang a di bawah iluminasi tegak lurus dan b untuk NW yang didekorasi dengan 60 Au NP (maksimum 26 NP), masing-masing

a Perbandingan Aku –V karakteristik antara NWs telanjang dan NWs dengan 60-nm Au NPs; b efisiensi fotokonversi NW dengan D different yang berbeda /P dihiasi dengan nanopartikel Au 60 nm

Setelah penyerapan cahaya, kami mengajukan tiga kemungkinan mekanisme peningkatan plasmonik dalam NW, menggunakan (1) hamburan foton insiden, (2) transfer pembawa muatan, dan (3) peningkatan medan dekat. Mempertimbangkan mekanisme (1), NP kami dengan diameter 60 nm memiliki volume yang cukup besar untuk menyebarkan cahaya secara efisien. Hal ini karena intensitas cahaya yang dihamburkan bervariasi dengan pangkat enam diameter partikel [39]. Dalam hal ini, NP plasmonik bertindak sebagai nanoreflektor untuk foton insiden di arah maju dan mundur melalui mekanisme penyerapan dan emisi kembali [40]. Yang terakhir ini mengarah pada pemanjangan jalur foton rata-rata, menghasilkan peningkatan laju penjebakan foton datang. Adapun mekanisme (2), dalam kombinasi semikonduktor-NW plasmonik, penghalang Schottky yang terlokalisasi di antarmuka memblokir transfer elektron dari NP ke NW dan sebaliknya. Namun, jika energi yang diserap elektron panas pada eksitasi LSPR dari NP logam cukup, elektron dapat mengatasi penghalang dan disuntikkan ke pita konduksi NW. Dalam gambar ini, mekanisme (2) berkontribusi pada peningkatan plasmonik dari penyerapan cahaya dalam kawat nano GaAs yang disejajarkan secara vertikal. Selain itu, cahaya datang diserap dalam rentang spektral yang sesuai dengan tumpang tindih simultan dari LSPR dan energi celah pita secara substansial dapat memicu eksitasi celah pita semikonduktor. Dari sudut pandang ini, peningkatan laju pembangkitan lubang elektron dapat dicapai dalam semikonduktor NW yang terpapar medan listrik dalam mekanisme (3). Selain itu, imobilisasi Au NP dalam kontak dengan semikonduktor NW sering dapat memfasilitasi pemisahan muatan dalam generasi pasangan elektron-lubang, karena tingkat Fermi dari NP plasmonik jauh lebih rendah daripada tepi pita konduksi semikonduktor [41] . Karena mekanisme injeksi pembawa panas mengharuskan NP logam dan NW berada dalam kontak akhir, telah ditemukan bahwa generasi pembawa semikonduktor ditingkatkan oleh LSPR logam bahkan di bawah isolasi listrik [42,43,44 ,45,46,47,48,49,50]. Medan listrik yang kuat diamati di sekitar NP; yang intensitasnya beberapa kali lipat lebih besar dari medan jauh kejadian [41]. Yang terakhir telah ditunjukkan dengan jelas dalam studi simulasi optik menggunakan metode domain waktu-berbeda-hingga (FDTD) [51].