Serapan Cahaya Ditingkatkan Plasmon pada Sel Surya Nanowire GaAs: Studi Finite-Difference Time-Domain
Abstrak
Kami menyajikan investigasi finite-difference time-domain (FDTD) terhadap array nanowire (NW) GaAs yang vertikal dan difungsionalkan dengan nanopartikel (NP) emas (Au). NW dengan panjang 1 µm, diameter 100 nm, dan periodicitas 165–500 nm dihiasi dengan NP Au 30–60 nm di dinding sampingnya. Simulasi kami menunjukkan bahwa resonansi plasmonik NP Au secara signifikan meningkatkan serapan di sekitar tepi bandwidth GaAs, mencapai peningkatan hingga 35 % pada 800 nm. Peningkatan ini menghasilkan generasi elektron–lubang yang lebih tinggi dan peningkatan yang dapat diukur pada efisiensi sel surya secara keseluruhan, menunjukkan janji arsitektur hibrid ini untuk fotovoltaik generasi mendatang.
Pendahuluan
Permintaan energi terbarukan telah mempercepat penelitian fotovoltaik tipis, namun cacat material dan serapan yang terbatas membatasi kinerjanya. Nanostruktur yang muncul—terutama nanowire semiconductur III–V—menawarkan koefisien serapan tinggi, bandwidth langsung, dan mobilitas pengisi muatan yang unggul, menjadikannya menarik untuk sel dengan biaya rendah dan efisiensi tinggi. Ketika dikombinasikan dengan nanopartikel logam plasmonik, nanowire ini dapat menangkap cahaya secara lebih efektif, meningkatkan fotokiran dalam fotodioda, fotodetektor, dan arsitektur sel surya. Meskipun banyak studi telah mengeksplorasi peningkatan plasmonik pada sel datar, investigasi mengenai array nanowire III–V yang dibantu plasmon masih langka. Di sini, kami menggunakan simulasi FDTD untuk mengukur bagaimana NP Au meningkatkan respons optik sel surya nanowire GaAs p-i-n, menawarkan jalur desain praktis menuju perangkat berkinerja tinggi.
Bahan dan Metode
Gambar 1a,b menggambarkan sel unit perangkat yang diusulkan: array periodik nanowire GaAs p-i-n (D = 100 nm, L = 1 µm, P = 100–500 nm) dihiasi dengan NP Au 30–60 nm di dinding samping. Nanowire tersebut tertanam dalam substrat GaAs. Kondisi batas periodik di bidang x–y memaksa periodicitas jaringan, sementara lapisan yang cocok sempurna menutupi bagian atas dan bawah domain simulasi. Sumber gelombang datar dengan spektrum AM1.5G (300–1000 nm) menyebar sepanjang sumbu z, dan monitor refleksi/transmisi mencatat respons optik. Parameter material—mobilitas, umur SRH, kepadatan keadaan efektif, koefisien Auger, kecepatan rekombinasi permukaan—diambil dari literatur terbaru. Profil generasi optik diimpor ke dalam solver Sentaurus EMW untuk evaluasi kinerja listrik.
a Tampilan 3-D sel surya nanowire GaAs plasmonik dihiasi dengan NP Au. b Sel unit 2-D yang digunakan dalam simulasi. Di dalam: tampilan atas tunggal NW dengan NP Au dan junc p-i-n.
Hasil dan Pembahasan
Pertama, kami mengoptimalkan rasio diameter terhadap periodicitas (D/P) dari NW GaAs polos. Gambar 2 menunjukkan bahwa serapan tetap di atas 90 % untuk 300–600 nm terlepas dari D/P, tetapi menurun tajam di bawah bandwidth untuk D/P = 0,2. Spektrum serapan terbaik terjadi pada D/P = 0,6, di mana penangkap cahaya paling kuat. Penggabungan NP Au menggeser puncak serapan ke panjang gelombang yang lebih lama: pada D/P = 0,2, NP Au 30–60 nm menghasilkan peningkatan yang jelas antara 650 dan 800 nm, dengan penguatan terbesar (≈ 35 %) pada diameter 60 nm. Sebaliknya, serapan pada rentang 300–400 nm menurun 20–30 % karena absorpsi resonansi plasmon permukaan lokal (LSPR) oleh NP.
Kinerja serapan total NW GaAs dengan berbagai rasio D/P tanpa NP Au.
Analisis distribusi medan pada 800 nm (Gambar 4) mengonfirmasi bahwa NP Au mengonsentrasikan medan listrik sepanjang arah x ke NW tetangga, terutama untuk NP yang lebih besar. Ketika D/P meningkat menjadi 0,3 (Gambar 5), serapan tetap di atas 95 % untuk semua ukuran NP, tetapi NP Au 60 nm lagi memberikan peningkatan terbesar di seluruh 650–800 nm. Hasil ini menekankan peran krusial kopling medan dekat yang diinduksi LSPR dalam meningkatkan serapan di sekitar tepi bandwidth GaAs.
Serapan NW GaAs dengan D/P = 0,2 dihiasi dengan NP Au 30–60 nm dibandingkan NW polos.
Distribusi cahaya 2-D pada 800 nm: (a) besarnya medan listrik; (b) daya yang diserap untuk NW polos dan NW dihiasi dengan NP Au 30, 40, 50, dan 60 nm.
Perhitungan kinerja listrik (Gambar 9) mengungkap bahwa NW dihiasi Au menunjukkan tegangan libre yang lebih tinggi (0,899 V vs. 0,878 V) dan peningkatan dramatis pada kepadatan arus pendek (24,3 mA/cm² vs. 18,9 mA/cm²). Efisiensi konversi foto meningkat dari 12,96 % menjadi 16,92 % pada D/P = 0,4, peningkatan relatif 24 %. Penggerak utamanya adalah penangkap cahaya yang ditingkatkan oleh NP Au, yang meningkatkan tingkat generasi pengisi muatan, terutama di daerah dekat bandwidth.
(a) Kurva I–V untuk NW polos vs. dihiasi Au. (b) Efisiensi konversi foto versus D/P untuk NW dihiasi Au.
Tiga mekanisme mendasari peningkatan yang diamati: (1) penyebaran yang efisien foton insiden oleh NP Au 60 nm; (2) injeksi pengisi muatan panas melalui rintangan Schottky ke dalam conduction band GaAs; (3) amplifikasi medan dekat yang intens di dekat LSPR, yang mendorong generasi pasangan elektron–lubang yang lebih kuat. Efek ini secara kolektif meningkatkan serapan, fotokiran, dan efisiensi keseluruhan.
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan, melalui simulasi FDTD dan listrik yang ketat, bahwa menghiasi array nanowire GaAs dengan nanopartikel Au 60 nm dapat meningkatkan serapan hingga 35 % pada 800 nm dan meningkatkan efisiensi konversi foto sebesar 24 %. Kunci kinerja ini adalah resonansi plasmon permukaan lokal dari NP Au, yang mengonsentrasikan cahaya di dalam nanowire dan meningkatkan generasi elektron–lubang. Desain hibrid ini menawarkan jalur yang dapat diskalakan untuk sel surya nanowire GaAs berkinerja tinggi dan biaya rendah, dan mengundang validasi eksperimen lebih lanjut.
