Perancangan Nanowires InP untuk Pemanenan Energi Surya yang Unggul

Abstrak

Sel surya berdasarkan array nanowire (NW) semiconductor berdimensi sub-panjang gelawah menjanjikan performa yang setara atau lebih baik daripada sejenis datarnya dengan memanfaatkan keuntungan dari penyerapan cahaya yang kuat dan penangkapkan cahaya. Dalam makalah ini, kami menyajikan desain analitis yang akurat dan menghemat waktu untuk parameter geometris optimal dari array InP NW yang disusun vertikal untuk penyerapan energi surya maksimum. Kepadatan arus pendek dihitung untuk setiap array NW dengan dimensi geometris yang berbeda di bawah sinar matahari. Dimensi geometris optimal disajikan secara kuantitatif untuk diameter tunggal, ganda, dan multipel dari array NW yang disusun secara persegi dan heksagonal yang mencapai kepadatan arus pendek maksimum sebesar 33,13 mA/cm². Pada saat yang sama, simulasi numerik domain waktu selisih hingga yang intensif dilakukan untuk menyelidiki array NW yang sama untuk penyerapan cahaya tertinggi. Dibandingkan dengan simulasi yang memakan waktu dan hasil eksperimental, kepadatan arus pendek maksimum yang diprediksi memiliki toleransi di bawah 2,2% untuk semua kasus. Hasil ini tanpa ambigu menunjukkan bahwa metode analitis ini menyediakan jalur yang cepat dan akurat untuk memandu desain sel surya berbasis InP NW berkinerja tinggi.

Latar Belakang

Untuk sel surya generasi mendatang, array nanowire (NW) semiconductor telah membuka jalan baru untuk mengurangi konsumsi material dan biaya fabrikasi secara signifikan sambil mempertahankan atau bahkan meningkatkan performa perangkat dibandingkan dengan sejenis tipis atau bulk. Fitur menakjubkan ini sebagian besar dikaitkan dengan properti optikal yang luar biasa dari NW, termasuk penyerapan yang meningkat dan selektivitas spektral. Di antara berbagai bahan III–V, array NW InP telah menarik upaya penelitian intensif untuk aplikasi sel surya karena bandgap langsung dan kecepatan rekombinasi permukaan intrinsik yang rendah. Hingga saat ini, efisiensi konversi energi tertinggi yang dicapai adalah 13,8% untuk array NW InP dalam sel berukuran 1 mm².

Karena properti optikal array NW dapat disesuaikan secara khas dengan menyesuaikan geometri tiga dimensinya, untuk meningkatkan lebih lanjut performa sel surya berbasis NW, perhatian besar telah diberikan pada cara mengoptimalkan morfologi dan topologi array NW III–V untuk memaksimalkan penyerapan cahaya. Secara spesifik, diameter, periodicitas, dan susunan NW telah diteliti untuk memaksimalkan penyerapan energi surya. Dilaporkan bahwa penyesuaian diameter NW akan mengubah mode optik yang ada di dalam NW. Ini akan menyebabkan maksimum penyerapan cahaya lokal untuk panjang gelombang insiden yang sesuai dengan mode resonan masing-masing. Selain itu, array NW dengan periodicitas atau rasio pengisian (FR) yang dioptimalkan dapat menekan refleksi dan transmisi sambil meningkatkan penyeararan pada cahaya insiden, sehingga menghasilkan jalur optik yang lebih panjang dan pada akhirnya penyerapan cahaya yang ditingkatkan. Selain itu, Martin Foldyna et al. telah menyimpulkan bahwa ketergantungan penyerapan cahaya pada susunan array NW cukup kecil karena efek penangkapkan cahaya dari NW didasarkan pada penggelombangan individu ketika pengkaitan cahaya di antara NW tetangga diabaikan.

Untuk menemukan pemanenan energi surya maksimum, efek parameter tiga dimensi dan susunan array NW harus dipertimbangkan bersama-sama. Namun, sebagian besar dimensi geometris optimal yang dilaporkan dan susunan array NW untuk pemanenan spektrum surya maksimum masih merupakan optima lokal yang ditentukan oleh ruang parameter. Selain itu, spektrum surya insiden yang digabungkan dengan properti dispersif material menambahkan kesulitan untuk menyelesaikan masalah ini secara analitis. Oleh karena itu, simulasi numerik intensif yang memakan waktu seperti domain waktu selisih hingga (FDTD) sering digunakan untuk menangani masalah optimisasi multi-parameter ini. Sturmberg et al. melaporkan metode semi-analitis untuk menyempitkan rentang dimensi optimal dari array NW diameter tunggal. Meskipun metode ini dapat diterapkan untuk berbagai bahan, simulasi FDTD masih harus disertakan untuk menemukan nilai optimal yang tepat. Selain itu, metode ini kurang membantu untuk penyerap luar biasa yang digabungkan dengan array NW multi-radius.

Dalam makalah ini, kami menyajikan desain analitis untuk dimensi geometris optimal dari array NW InP diameter tunggal, ganda, dan multipel untuk memaksimalkan penyerapan energi surya. Diameter NW ditentukan oleh resonansi mode bocor dan teori Mie sedangkan periodicitas diidentifikasi dengan konstruksi lapisan medium efektif untuk meminimalkan refleksi dan transmisi cahaya. Array NW yang disusun secara persegi dan heksagonal keduanya dipertimbangkan. Selain itu, simulasi FDTD intensif disertakan untuk memverifikasi efektivitas metode kami. Kecocokan yang baik antara kepadatan arus pendek terbesar yang dihasilkan dari array NW dengan parameter geometris yang dihitung dan nilai yang diperoleh dari simulasi FDTD membuktikan efektivitas metode yang diusulkan untuk memandu desain praktis sel fotovoltaik berbasis NW.

Desain untuk Pemanenan Cahaya Maksimum dari InP NWs

Array NW InP yang disusun vertikal ditempatkan pada substrat SiO₂ semi-infinis secara skematis seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1 dengan susunan persegi atau heksagonal. Sel satuan yang dapat diulang dalam Gambar 1a, b insets menjelaskan dimensi karakterisasi masing-masing untuk setiap susunan. Morfologi dan topologi array NW ini sesuai dengan mayoritas struktur sel surya berbasis InP NW. Dalam setiap sel satuan, NW memiliki diameter yang sama atau berbeda sebagai D_i. Periodicitas p didefinisikan sebagai jarak pusat ke pusat dari pasangan NW berdekatan yang memiliki nilai yang sama untuk NW yang disusun secara persegi sedangkan nilai yang berbeda untuk array NW heksagonal. Oleh karena itu, FR dari array NW yang disusun secara persegi didefinisikan sebagai \( \pi {\sum}_{\mathrm{i}=1}^4{D_i}^2/{(4p)}^2 \) yang memiliki nilai maksimal π/4 ketika NW mengambil persentase volume terbesar dari sel satuan. Sebagaimana, FR untuk array NW heksagonal didefinisikan sebagai \( \pi {\sum}_{\mathrm{i}=1}^2{D_i}^2/\left(4\sqrt{3}{p}^2\right) \) dengan nilai maksimal \( \pi \sqrt{3}/6 \). Panjang l dari NW diatur sebagai 2 μm untuk semua kasus karena cukup panjang untuk menyerap lebih dari 90% energi insiden dengan desain yang tepat.

Untuk menentukan secara analitis setiap parameter geometris array NW, masalah optimisasi multi-parameter untuk pemanenan cahaya maksimum dipecah menjadi dua proses: (1) kontrol resonan mode yang menentukan diameter NW dan (2) refleksi dan transmisi minimum energi surya insiden yang dipengaruhi FR. Kami membangun hubungan parameter geometris individual dengan proses determinan masing-masing dan mengidentifikasi setiap nilai optimal yang mengarah pada penyerapan cahaya maksimum. Array NW diameter ganda dipilih sebagai contoh desain untuk ilustrasi metode yang diusulkan. Dimensi geometris optimal dari array NW diameter tunggal sebagai kasus yang lebih sederhana juga dapat diperoleh selama turunan. Diameter dan periodicitas untuk array NW empat diameter juga dapat dihitung sebagai perluasan dari contoh. Untuk array NW diameter ganda yang disusun secara persegi, diameter diagonal NW memiliki nilai yang sama sebagai D_major dan diameter dua NW lainnya dinamakan sebagai D_{supplementary}. Untuk array NW yang disusun secara heksagonal, diameter NW pusat adalah D_major dan diameter NW di periferi adalah D_{supplementary}.

Dilaporkan bahwa array NW dapat mendukung mode resonansi bocor/terpandu, masing-masing yang mengarah pada puncak penyerapan yang kuat. Selain itu, sifat fundamental gelombang menunjukkan bahwa nomor mode bertambah seiring dengan kenaikan diameter NW. Dengan demikian, diameter optimal NW harus cukup besar untuk mendukung lebih banyak mode sehingga mencakup lebih banyak resonansi penyerapan. Namun, diameter NW yang terlalu besar kurang diinginkan karena mode urutan tinggi yang didukungnya memiliki lebih banyak simpul yang berkinerja kurang efisien dengan gelombang datar insiden. Selain itu, properti material dan spektrum surya insiden menempatkan pembatasan lain pada pemilihan diameter optimal. Hanya ketika mode resonan berada dalam wilayah penyerapan, mereka dapat berkontribusi pada arus foto. Wilayah penyerapan didefinisikan oleh superposisi rentang penyerapan material hingga panjang gelombang kritis dan spektrum AM 1.5G insiden.

Akibatnya, untuk menentukan secara kuantitatif D_major dari array NW, resonansi mode bocor awalnya digunakan untuk menghitung panjang gelombang resonan masing-masing untuk diameter NW yang berbeda. Ini memberikan distribusi mode resonan dalam wilayah penyerapan. Oleh karena itu, D_major optimal harus mendukung dua mode untuk memenuhi semua kriteria di atas. Kedua, teori Mie digunakan untuk menghitung efisiensi penyerapan normalisasi dari NW tersebut dalam langkah satu. Secara ketat, teori Mie tidak dapat diterapkan pada situasi ketika vektor gelombang insiden sejajar sempurna dengan sumbu NW karena persamaan eigen tidak terdefinisi dengan baik. Namun, situasi ini dapat diaproksimasi sebagai insiden membilas sudut sangat kecil θ terhadap sumbu NW karena pada antarmuka array NW, gelombang muka cahaya insiden akan terganggu oleh indeks refraksi tinggi dari NW yang memperkenalkan komponen lintas pada vektor gelombang yang memungkinkan penerapan teori Mie. Oleh karena itu, D_major optimal adalah yang mendukung dua mode sambil mempertahankan lebar setengah maksimum (FWHM) dari mode resonan terendah dalam spektrum efisiensi penyerapan normalisasi dalam wilayah penyerapan. Setelah memperoleh D_major, D_{supplementary} dihitung dengan kondisi bahwa NW harus mendukung satu mode untuk mengurangi refleksi dan menghemat material serta panjang gelombang resonannya harus cocok dengan lembah spektrum efisiensi penyerapan normalisasi dari D_major. Untuk array NW empat diameter, diameter ketiga dan keempat ditentukan dengan cara yang sama. Puncak efisiensi penyerapan normalisasi mereka harus cocok dengan lembah superposisi spektrum efisiensi penyerapan normalisasi dari NW primer dan sekunder. Perlu diperhatikan bahwa kecuali untuk NW utama, NW kedua, ketiga, dan keempat diinginkan untuk mendukung hanya satu mode karena ukuran diameter kecil dapat mengurangi refleksi pada antarmuka udara-NW dan mengurangi konsumsi material.

FR Optimal Array NW InP untuk Pemanenan Cahaya Maksimum

Berkas publikasi yang berbeda telah mengungkapkan bahwa dengan diameter NW yang tetap, penyerapan NW akan meningkat dengan FR awalnya lalu menurun setelah nilai optimal tertentu. Peningkatan penyerapan cahaya biasanya dikaitkan dengan peningkatan persentase volume bahan semiconductor dengan koefisien penyerapan tinggi. Seiring pertumbuhan FR, indeks refraksi rata-rata array NW meningkat, dan reflection naik yang mengurangi penyerapan cahaya. Oleh karena itu, batas atas pada FR harus ditemukan untuk mengoptimalkan pengaruh refleksi dan transmisi Fresnel untuk memaksimalkan penyerapan array NW. Gambar 2 secara skematis mengilustrasikan bahwa lapisan medium efektif dengan indeks refraksi kompleks dibuat untuk mewakili perilaku refraksi dan transmisi array NW. Dengan cara ini, periodicitas dan diameter NW dihilangkan dari perhitungan. Akibatnya, perhitungan Fresnel dari refleksi dan transmisi lapisan medium efektif dapat digunakan untuk mencerminkan properti array NW. Sifat alami di dalam lapisan medium buatan ini tidak dipertimbangkan selama mereka dapat mewakili refleksi dan transmisi array NW. Turunan matematika rinci diberikan di bawah ini.

Bagian nyata dari indeks refraksi lapisan medium efektif n_{em_real} ditentukan oleh formulasi Bruggeman dalam Eq. (4) di mana Ɛ_em dan Ɛ_NW adalah permitivitas lapisan medium efektif dan InP, masing-masing. Bagian imajiner dari indeks refraksi n_{em_imag} dihitung dengan Teori Rata-rata Volume dalam Eq. (5) di mana n_{NW_real}, n_{NW_imag}, n_{air_real}, dan n_{air_imag} adalah bagian nyata dan imajiner dari indeks refraksi NW dan udara. FR_opt optimal didefinisikan sebagai FR sehingga absorptansi Abs(λ) = 1 − R(λ) − T(λ) dipersingkat menggunakan persamaan Fresnel.

Dengan mengganti array NW dengan lunas tipis dengan ketebalan yang sama, refleksi R(λ) dan transmisi T(λ) array NW dapat diestimasi menggunakan persamaan Fresnel. Dua suku pertama dari deret refleksi dan transmisi Fabry-Perot tak hingga disertakan dalam Gambar 2b. Turunan matematika rinci juga dapat ditemukan dalam informasi pendukung dari referensi [13]. Pada tahap ini, diameter optimal dan FR telah ditentukan dan periodicitas yang sesuai dapat diperoleh berdasarkan definisi FR. Dengan dimensi geometris optimal, array NW seharusnya mengarah pada penyerapan cahaya maksimum. Kepadatan arus pendek J_sc sebagian besar digunakan untuk mengukur kemampuan pemanenan cahaya dengan asumsi bahwa setiap foton yang terserap menghasilkan pemisahan eksiton diikuti dengan pengumpulan penguat yang berhasil. Definisi ditunjukkan dalam Eq. (6) di mana A(λ) adalah penyerapan di dalam nanowire sebagai fungsi dari panjang gelombang insiden, dan N(λ) adalah jumlah foton per satuan luas per detik untuk panjang gelombang insiden dari spektrum surya standar.

Hasil dan Pembahasan

Array NW InP diameter tunggal dan multipel dengan susunan persegi dan heksagonal menunjukkan validitas metode yang diusulkan. Sementara itu, simulasi numerik FDTD (Lumerical FDTD Solutions 8.15) juga disediakan untuk dibandingkan dengan metode kami. Kondisi batas periodik diterapkan pada sumbu x dan y sambil kondisi pencocokan sempurna diatur pada sumbu z seperti yang diilustrasikan dalam Gambar 1. NW InP berdiri vertikal pada substrat SiO₂. Konstanta optik untuk InP dan SiO₂ adalah dari data material Palik yang disediakan oleh Lumerical. Ruang parameter untuk diameter NW berkisar dari 50 hingga 200 nm sedangkan FR adalah dari 0,05 hingga nilai maksimum yang mungkin untuk NW persegi dan heksagonal.

A. Pemanenan Cahaya Maksimum untuk InP NWs Diameter Tunggal

Gambar 3a menunjukkan efisiensi penyerapan cahaya untuk array NW InP diameter tunggal ketika FR adalah 0,05 dengan konstanta optik yang disediakan dalam inset. Panjang gelombang resonan masing-masing dihitung dan ditandai pada puncak penyerapan yang sesuai yang cocok dengan hasil simulasi FDTD dengan baik. Pergeseran merah dari mode resonan HE₁₁ dapat dengan mudah diamati seiring dengan kenaikan diameter NW. Selain itu, baik perhitungan maupun simulasi membuktikan bahwa mode resonan berkembang dari satu menjadi dua mode pada diameter 140 nm. Oleh karena itu, nilai optimal untuk penyerapan cahaya maksimum harus lebih besar dari 140 nm dan lebih kecil dari 200 nm di mana dua mode terangsang dalam setiap NW. Untuk menemukan nilai optimal diameter, efisiensi penyerapan normalisasi dari array NW disediakan dalam Gambar 3b yang menunjukkan array NW yang mendukung dua mode dan tetap mempertahankan FWHM dalam wilayah penyerapan. Oleh karena itu, nilai terbesar dari diameter 184 nm dipilih sebagai diameter optimal tanpa puncak tambahan. Menariknya, desain sel surya NW InP dengan efisiensi konversi daya tertinggi saat ini mengadopsi diameter optimal 180 nm. Diameter NW mereka dioptimalkan secara eksperimental berkisar dari 50 hingga 300 nm dengan langkah kenaikan 10 nm [9]. Dibandingkan dengan prediksi kami sebesar 184 nm, toleransi sempit 4 nm menunjukkan akurasi metode kami.

Rasio pengisian diperoleh secara analitis menggunakan lapisan medium efektif dalam bagian B dari metode yang dijelaskan. Efisiensi penyerapan cahaya lapisan efektif dengan tinggi yang sama dengan array NW InP ditunjukkan dalam Gambar 4. Secara umum, kemampuan pemanenan cahaya naik awalnya, mencapai nilai maksimalnya, dan secara bertahap menurun saat FR mendekati nilai yang lebih besar. Tren ini dikaitkan dengan perubahan cahaya yang ditransmisikan dan direfleksikan seiring dengan perubahan indeks refraksi kompleks karena variasi FR. Secara spesifik, ketika FR meningkat dari 0,05 ke 0,2, karena penambahan bahan InP, lebih banyak cahaya yang terserap sebelum ditransmisikan keluar dari array NW. Namun, tren ini bertambah hingga FR mencapai 0,2, dan peningkatan FR lebih lanjut menyebabkan indeks refraksi kompleks tinggi dari lapisan ekuivalen yang mengakibatkan impedansi optik antara udara dan array NW. Akibatnya, refleksi pada permukaan insiden naik dengan cepat yang mengurangi penyerapan cahaya [13]. Oleh karena itu, nilai optimal untuk FR adalah 0,2 dan periodicitas untuk array NW yang disusun secara persegi dan heksagonal masing-masing 364,63 dan 391,82 nm.

Kepadatan arus pendek untuk berbagai kombinasi diameter dan FR ditunjukkan dalam Gambar 5. Ini secara jelas menunjukkan bahwa susunan NW memiliki pengaruh kecil terhadap penyerapan cahaya tertinggi. Juga, terlepas dari susunan array NW, metode kami dapat diterapkan dan mencapai hasil yang akurat. Kepadatan arus pendek maksimum J_sc dengan dimensi geometris optimal yang dihitung untuk array NW InP dihitung untuk susunan persegi dan heksagonal, masing-masing. Kepadatan arus pendek maksimum yang diprediksi secara analitis adalah 32,11 dan 32,06 mA/cm² untuk array NW persegi dan heksagonal yang mengarah pada toleransi 0,33 dan 0,1%, masing-masing, dibandingkan dengan hasil simulasi FDTD.

B. Pemanenan Cahaya Maksimum untuk InP NWs Diameter Ganda

Penambahan diameter sekunder ke dalam array NW telah diteliti oleh beberapa kelompok untuk meningkatkan lebih lanjut pemanenan energi surya [22, 29] melalui simulasi yang memakan waktu [34]. Dari diskusi di atas, metode kami menyediakan cara untuk cepat mendekati diameter NW yang diperlukan. Panjang gelombang resonan dari NW sekunder harus cocok dengan lembah penyerapan diameter utama dari NW yang sebesar 585 nm seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3b. Juga, NW harus mendukung hanya satu mode resonan. Dua kesimpulan ini mengarah pada D_{supplementary} sebesar 119 nm. FR optimal 0,2 masih berlaku untuk array NW InP diameter ganda, dan periodicitas dihitung sebagai 307 dan 329,95 nm untuk susunan persegi dan heksagonal dari array NW. Gambar 6 memberikan gambaran umum tentang variasi kepadatan arus pendek sebagai fungsi dari D_major, D_{supplementary}, dan FR untuk dua jenis array NW. Secara umum, pemanenan cahaya meningkat dengan FR, mencapai nilai maksimalnya, dan menurun. Ketika FR adalah 0,2, insets dalam Gambar 6 menampilkan J_sc tertinggi sebesar 32,96 dan 32,95 mA/cm² untuk array NW InP persegi dan heksagonal. Dibandingkan dengan nilai maksimum dari simulasi sebesar 33,34 dan 33,26 mA/cm², toleransi adalah 1,1 dan 0,9% untuk NW persegi dan heksagonal. Gambar 6 juga menunjukkan bahwa seiring pertumbuhan FR, pengkaitan di antara NW berdekatan tidak dapat diabaikan. Daya dapat dipindahkan ke NW tetangga yang mendukung mode bocor yang sama yang menyebabkan persaingan energi insiden [35] yang merugikan penyerapan cahaya keseluruhan. Ketika FR sama untuk kedua susunan, p_square²/p_hexagonal² adalah \( \sqrt{3}/2 \). Oleh karena itu, p_hexagonal adalah 1,08 kali dari p_square yang memiliki pengkaitan mode di antara NW yang lebih sedikit daripada array persegi. Ini menjelaskan perbedaan pemanenan cahaya dari kedua array ketika FR adalah 0,05 dan 0,4.

C. Pemanenan Cahaya Maksimum untuk InP NWs Empat Diameter

Beberapa diameter array NW juga menarik banyak minat penelitian untuk mencapai penyerapan hampir unity di seluruh wilayah penyerapan [29]. Namun, hanya sejumlah kombinasi diameter yang disediakan karena akuisisi data massal membutuhkan waktu yang lama. Masalah ini dapat diatasi dalam metode desain analitis kami, dan empat diameter array NW InP yang disusun secara persegi disediakan sebagai contoh. Total waktu yang dihabuskan untuk menyelesaikan semua perhitungan menggunakan metode kami sama dengan waktu yang dihabuskan oleh hanya satu simulasi FDTD menggunakan komputer pribadi yang sama. Setelah memperoleh diameter utama dan sekunder dari NW, diameter ketiga dan keempat dari NW dapat dihitung dengan cara yang serupa. Superposisi efisiensi penyerapan normalisasi dari diameter utama dan sekunder dari NW ditunjukkan dalam Gambar 7 dengan lembah penyerapan yang terletak pada 486 dan 704 nm. Oleh karena itu, diameter ketiga dan keempat dari NW dapat dihitung untuk memenuhi kondisi bahwa masing-masing mereka mendukung hanya satu mode, dan panjang gelombang resonan cocok dengan dua lembah penyerapan dalam Gambar 7. Akibatnya, diameter ketiga dan keempat untuk array NW InP diperoleh sebesar 92 dan 148 nm. Dengan FR optimal 0,2 yang validitasnya tidak bergantung pada susunan dan diameter NW, periodicitas dapat diperoleh sebesar 277,41 nm untuk array NW InP.

Spektrum penyerapan cahaya untuk kombinasi optimal dari empat NW disediakan dalam Gambar 8 dari mana penyerapan cahaya hampir unity dicapai dengan pemilihan NW individual yang tepat. Hasil simulasi FDTD dengan kombinasi empat diameter untuk array NW yang disusun secara persegi ditunjukkan dalam Gambar 9. Untuk mendapatkan gambaran umum tentang masalah optimisasi multi-parameter ini, dua himpunan koordinat digunakan. Sumbu x dan y dalam menunjukkan diameter utama dan sekunder sedangkan sumbu x dan y luar mewakili diameter ketiga dan keempat. Karena jumlah kombinasi diameter yang sangat besar, diameter ketiga dan keempat yang terbatas sengaja dipilih untuk mewakili seluruh tren penyerapan. Dari Gambar 3, 80 nm dipilih sebagai resonansi satu mode dalam NW; 140 nm mencerminkan evolusi dari eksistensi satu ke dua mode dalam NW; 170 nm menunjukkan batas atas eksistensi dua mode sambil tetap mempertahankan FWHM dalam wilayah penyerapan. Setiap interseksi garis putus-putus menunjukkan kombinasi yang berbeda dari diameter ketiga dan keempat sedangkan diameter utama dan sekunder berjalan dari 50 hingga 200 nm. Ketika diameter memiliki nilai yang lebih besar dari 140 nm dalam Gambar 9, mayoritas kombinasi diameter akan mengarah pada J_sc di atas 30 mA/cm². Ketika semua diameter mencapai di atas 170 nm, rata-rata J_sc dapat menjadi 32 mA/cm². Hasil ini juga tercermin dalam Gambar 5a dan 6a. Dibandingkan dengan array NW diameter tunggal atau ganda, array NW empat diameter yang dioptimalkan memang mengarah pada J_sc yang lebih tinggi. Kepadatan arus pendek tertinggi untuk array NW InP empat diameter dengan dimensi geometris yang dihitung kami adalah 33,13 mA/cm² dengan toleransi 2,2%.

Kesimpulan

Dalam studi ini, kami menyajikan model untuk desain yang efektif dan cepat dari array NW InP persegi dan heksagonal untuk mencapai pemanenan cahaya tertinggi untuk aplikasi fotovoltaik. Dimensi geometris untuk array NW diameter tunggal, ganda, dan multipel yang disusun vertikal diteliti. Dibandingkan dengan simulasi FDTD yang memakan waktu, kepadatan arus pendek maksimum yang diprediksi kami dengan array NW tiga dimensi yang dihitung tetap memiliki toleransi di bawah 2,2% untuk semua kasus. Untuk array NW diameter tunggal, diameter optimal adalah 184 nm yang hanya 4 nm selisih dari sel surya NW InP dengan efisiensi tertinggi yang dilaporkan. Dalam array NW diameter multipel, diameter dari NW yang lain dioptimalkan untuk memenuhi kondisi bahwa mereka mendukung hanya satu mode resonan dan panjang gelombang yang sesuai cocok dengan lembah penyerapan dari NW utama. Selain itu, FR dari array NW dioptimalkan menjadi 0,2 dengan menciptakan lapisan medium efektif yang tidak bergantung pada diameter, periodicitas, dan susunan NW. Dibandingkan dengan pemodelan optik, kepadatan arus pendek tertinggi yang diprediksi untuk array NW diameter tunggal berada dalam toleransi 0,33 dan 0,1% untuk array NW persegi dan heksagonal. Susunan array NW memiliki pengaruh kecil pada penyerapan cahaya dengan parameter geometris optimal, tetapi pengkaitan di antara NW berdekatan menjadi serius untuk array NW diameter multipel pada nilai FR yang besar. Array NW empat diameter yang disusun secara persegi juga disajikan dan kepadatan arus pendek tertinggi yang diprediksi adalah 33,13 mA/cm² dengan toleransi rendah 2,2%. Desain yang diusulkan untuk array NW InP yang efisien waktu, presisi tinggi, dan kecepatan luas menunjukkan dirinya sebagai alat yang menjanjikan untuk memandu desain praktis sel surya berbasis NW.

Singkatan

FDTD

Domain waktu selisih hingga

FR

Rasio pengisian

FWHM

Lebar setengah maksimum

NPs

Nanopartikel

NWs

Nanowires