Kinerja Fotovoltaik dari Nanowire/Quantum Dot Hybrid Nanostructure Array Sel Surya
Abstrak
Sel surya inovatif berdasarkan pada susunan nanostruktur hibrida nanowire/quantum dot dirancang dan dianalisis. Dengan menumbuhkan titik-titik kuantum InAs multilayer di dinding samping kawat nano GaAs, tidak hanya spektrum penyerapan kawat nano GaAs diperpanjang oleh titik-titik kuantum tetapi juga penyerapan cahaya titik-titik kuantum ditingkatkan secara dramatis karena efek perangkap cahaya dari susunan kawat nano. Dengan menggabungkan lima lapisan titik kuantum InAs ke dalam susunan kawat nano GaAs tinggi 500 nm, peningkatan efisiensi konversi daya yang disebabkan oleh titik-titik kuantum enam kali lebih tinggi daripada peningkatan efisiensi konversi daya dalam sel surya film tipis yang mengandung jumlah yang sama. titik kuantum, menunjukkan bahwa struktur susunan kawat nano dapat menguntungkan kinerja fotovoltaik sel surya titik kuantum.
Latar Belakang
Penggabungan titik-titik kuantum (QDs) ke dalam sel surya telah diusulkan sebagai cara yang menjanjikan untuk meningkatkan efisiensi konversi perangkat [1, 2]. Penyisipan QD ke wilayah aktif sel surya memungkinkan seseorang untuk merekayasa celah pita yang efektif dari material dan memperluas spektrum penyerapan [3,4,5,6]. Ini dapat digunakan untuk meningkatkan arus foto dari sel surya homogen [7,8,9] atau untuk membentuk pita perantara yang terisolasi di dalam celah pita bahan inang untuk menyerap foton dengan energi di bawah celah energi bahan inang [10,11,12 ,13]. Namun, untuk melampaui efisiensi perangkat konvensional, peningkatan penyerapan yang disebabkan oleh QD harus ditingkatkan secara signifikan. Hal ini dapat dicapai dengan meningkatkan jumlah QDs, dengan meningkatkan penyerapan optik, atau kombinasi keduanya [14]. Dalam beberapa tahun terakhir, struktur yang menarik telah dibuat dengan menumbuhkan Stranski-Krastanov (SK) QDs di dinding samping kawat nano (NWs), yang menawarkan pendekatan inovatif untuk menggabungkan keuntungan dari dua jenis struktur nano [15,16,17, 18,19]. QD multilayer dapat ditanam di dinding samping NW, yang secara substansial meningkatkan jumlah QD, sedangkan susunan NW yang disejajarkan secara vertikal dapat secara dramatis meningkatkan penyerapan QD karena kemampuan menangkap cahaya yang sangat baik [20,21,22,23,24] ]. Dengan demikian, arus foto yang disumbangkan oleh QD dalam susunan struktur nano hibrida NW / QD diharapkan lebih besar daripada dalam struktur QD film tipis. Selain itu, struktur hibrid NW/QD dapat dibuat pada substrat silikon berbiaya rendah, yang membuatnya menjanjikan untuk sel surya berbiaya rendah dan berefisiensi tinggi [25]. Meskipun fabrikasi dan sifat optik dari struktur nano hibrida NW/QD telah dilaporkan secara luas, kinerja sel surya berdasarkan struktur hibrida belum diselidiki.
Dalam makalah ini, simulasi optoelektronik digabungkan disajikan untuk menyelidiki kinerja fotovoltaik dari sel surya hibrida GaAs / InAs NW / QD. Struktur yang dipertimbangkan terdiri dari susunan NW yang disejajarkan secara vertikal dengan masing-masing NW berisi lima lapisan QD yang disusun tegak lurus terhadap sumbu pertumbuhan NW. Baik QD dan lapisan pembasahan (WLs) berkontribusi pada penyerapan foton celah pita, memperluas spektrum penyerapan hingga 950 nm. Setiap NW terdiri dari sambungan pin radial dengan semua lapisan QD yang terletak di wilayah intrinsik. Pada awalnya, perbandingan spektrum penyerapan cahaya antara susunan NW dengan dan tanpa QD dibuat dengan menggunakan simulasi domain waktu perbedaan hingga tiga dimensi (3D-FDTD). Spektrum penyerapan rekan-rekan film tipis mereka dihitung juga. Kemudian, profil fotogenerasi dimasukkan ke dalam simulasi listrik untuk menghitung rapat arus versus tegangan (I -V ) karakteristik. Hasilnya menunjukkan bahwa, baik dalam susunan NW dan sel surya film tipis, penggabungan QD dapat meningkatkan arus hubung singkat (Jsc ) dengan meningkatkan penyerapan cahaya; namun, degenerasi tegangan rangkaian terbuka (Vok ) terjadi secara bersamaan. Peningkatan efisiensi konversi daya keseluruhan yang disebabkan oleh titik-titik kuantum dalam sel surya susunan NW enam kali lebih tinggi daripada peningkatan efisiensi dalam sel surya film tipis yang mengandung jumlah titik kuantum yang sama, menunjukkan bahwa struktur susunan NW dapat menguntungkan kinerja fotovoltaik sel surya kuantum dot.
Metode
Dalam penelitian kami sebelumnya [15], fabrikasi struktur hibrida NW/QD diwujudkan dengan menggunakan sistem deposisi uap kimia organik logam (MOCVD) Thomas Swan Close Coupled Showerhead (CCS). Trimethylgallium (TMGa), trimetilindium (TMIn), dan arsin (AsH3 ) digunakan sebagai prekursor. Pembawanya adalah hidrogen. Substrat GaAs berlapis Au dimasukkan ke dalam reaktor MOCVD dan dianil di bawah AsH3 ambient untuk membentuk partikel paduan Au-Ga sebagai katalis. NW GaAs ditanam di tempat pertama, dan kemudian cangkang pertama QD InAs diendapkan dengan mematikan TMGa dan menaikkan suhu. Setelah pertumbuhan lapisan InAs QD, cangkang pengatur jarak GaAs ditumbuhkan secara radial pada QD InAs. Multilayer struktur QD diwujudkan dengan mengulangi kombinasi InAs QDs dan spacer shell GaAs untuk waktu tertentu.
Skema sel surya hibrida NW/QD diilustrasikan pada Gambar 1a. Perangkat ini terdiri dari struktur hibrida GaAs/InAs NW/QD periodik. Setiap NW berisi sambungan pin radial dengan lima lapisan QD yang disusun tegak lurus terhadap sumbu pertumbuhan NW di wilayah intrinsik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b. Konsentrasi doping cangkang tipe-p dan inti tipe-n adalah 3 × 10
18
dan 1 × 10
18
cm
−3
, masing-masing. Lapisan QD dimodelkan dengan memperlakukan bahan InAs QDs, WL, dan GaAs di sekitar QDs sebagai media yang efektif. Ketebalan setiap media efektif adalah 2 nm.
a Gambar skema sel surya hibrida NW/QD dan rekanan film tipisnya. b Struktur rinci dari unit yang ditandai dengan gambar rangka di a . c Koefisien penyerapan media efektif. Fraksi volume QDs, WL, dan GaAs dalam medium efektif berturut-turut adalah 0,002882996, 0,649123, dan 0,347994
Untuk simulasi optik, indeks bias kompleks yang bergantung pada panjang gelombang dari media efektif dihitung dengan superposisi berbobot volume dari bahan QDs, WL, dan GaAs seperti yang dijelaskan dalam [26], yang dinyatakan oleh Persamaan. (1).
dimana FQD , BWL , dan FGaAs adalah fraksi volume bahan QD, WL, dan GaAs dalam media efektif, masing-masing. Koefisien absorpsi InAs QDs dan WLs diperoleh dari [26], dengan ukuran dan densitas QD yang sama. Parameter material lainnya diperoleh dari [27]. Koefisien penyerapan yang digunakan dalam pekerjaan ini disajikan pada Gambar. 1c. Dua puncak diamati di bawah celah pita GaAs, dengan satu berpusat pada panjang gelombang 876 nm dan yang lainnya berpusat pada 916 nm, yang dikaitkan dengan lapisan QD. Sel surya film tipis yang mengandung lapisan QD juga disimulasikan untuk perbandingan. Ketebalan sel surya film tipis diatur sama dengan panjang NW, dan volume total lapisan QD dan ketebalan lapisan intrinsik dalam sel surya film tipis diatur sama dengan yang ada di NW /QD sel surya hibrida. Sifat penyerapan sel surya dihitung dengan paket perangkat lunak FDTD Solutions (Lumerical Solutions, Inc.). Dengan menempatkan kondisi batas periodik, simulasi dapat dilakukan dalam sel satuan tunggal untuk memodelkan struktur susunan periodik. Spektrum AM1.5G dibagi menjadi 87 interval panjang gelombang diskrit, dari 300 hingga 950 nm. Kontribusi mode listrik transversal (TE) dan magnet transversal (TM) ditumpangkan untuk memodelkan fitur sinar matahari yang tidak terpolarisasi yang sesuai. Generasi optik total di bawah iluminasi AM1.5G dapat dimodelkan dengan melapiskan tingkat fotogenerasi panjang gelombang tunggal yang diselesaikan secara spektral.
Untuk pemodelan elektrik, profil pembangkitan optik 3D digabungkan ke dalam jaring elemen hingga perangkat dalam paket perangkat lunak Perangkat (Lumerical Solutions, Inc.), yang menyelesaikan persamaan kontinuitas pembawa yang digabungkan dengan persamaan Poisson secara konsisten. Untuk memodelkan sifat transpor pembawa dari media efektif, kami berasumsi bahwa pembawa yang dihasilkan optik dalam penghalang GaAs ditangkap oleh celah pita 2D WL yang lebih rendah dan, selanjutnya, bersantai ke keadaan dasar QD pada skala waktu 1–50 ps [28, 29]. Pembawa yang dihasilkan dalam QDs atau ditangkap dari WL bergabung kembali atau melarikan diri kembali ke WL melalui emisi termal [30]. Proses penangkapan dan pelepasan dimodelkan dengan menyetel offset pita efektif 100 meV pada antarmuka GaAs dan media efektif, menurut energi aktivasi untuk emisi termal dari titik-titik kuantum yang dilaporkan dalam literatur [30,31,32]. Sebuah metode pemodelan serupa telah dilaporkan di [26], di mana karakteristik sel surya multijunction QD-ditingkatkan telah diselidiki. Diagram pita energi iluminasi sel surya hibrida NW/QD ditunjukkan pada Gambar. 2.
Diagram pita energi yang diterangi dari sel surya hibrida NW/QD
Rekombinasi radiasi, Auger, dan Shockley-Read-Hall (SRH) dipertimbangkan dalam simulasi kelistrikan perangkat. Masa pakai pembawa minoritas QD dijelaskan menggunakan masa pakai rekombinasi radiasi 1 ns dan masa rekombinasi SRH 10 ns [26], masa pakai akhir dari media efektif adalah jumlah bobot dari masa rekombinasi QD dan GaAs NW (dengan asumsi pembawa ditangkap oleh WL kemudian ditangkap oleh QD), seperti yang dijelaskan dalam [26]. Koefisien rekombinasi Auger dari media efektif diatur ke 4.2 × 10
−29
cm
6
/s [33]. Dan, massa efektif elektron dan lubang diatur ke 0,053m0 dan 0,341m0 , masing-masing [26]. Dalam pemodelan transportasi pembawa penghalang melintasi wilayah medium efektif, kami menggunakan mobilitas penghalang (2500 cm
2
/Vs untuk elektron dan 150 cm
2
/Vs untuk lubang) [34], seperti yang dijelaskan dalam [35]. Kecepatan rekombinasi permukaan 3000 cm/s digunakan dalam model perangkat, dengan asumsi permukaan kawat nano dipasifkan dengan baik [34, 36]. Dan, kecepatan rekombinasi pembawa minoritas kontak diatur menjadi 10
7
cm/s [37].
Hasil dan Diskusi
Spektrum serapan sel surya susunan GaAs NW dengan dan tanpa lapisan QD ditunjukkan pada Gambar 3. Jari-jari NW diatur ke 100 nm, dan periodenya 360 nm. Dengan memperkenalkan lapisan QD, penyerapan GaAs NWs ditingkatkan secara dramatis dan spektrum penyerapan diperluas hingga 950 nm. Gambar 3a–d menunjukkan spektrum serapan dengan panjang NW yang berbeda. Dapat dilihat bahwa penyerapan meningkat secara nyata oleh lapisan QD pada panjang gelombang di luar 450 nm, karena lapisan QD memiliki koefisien penyerapan yang lebih tinggi daripada GaAs NWs. Dengan bertambahnya panjang NW, perbedaan penyerapan antara susunan NW dengan dan tanpa lapisan QD semakin kecil dalam rentang panjang gelombang di luar celah pita GaAs, yang menunjukkan bahwa penyerapan GaAs lebih cukup untuk NW yang lebih lama. Sementara dalam rentang panjang gelombang di bawah celah pita GaAs, karena GaAs NWs berkontribusi sedikit terhadap penyerapan cahaya, peningkatan penyerapan yang disebabkan oleh lapisan QD menjadi lebih menonjol seiring dengan bertambahnya panjang NW. Dua puncak serapan diamati dalam rentang panjang gelombang di bawah celah pita GaAs, yang masing-masing berpusat pada 876 dan 916 nm, sesuai dengan panjang gelombang di mana media efektif memiliki koefisien penyerapan tertinggi. Dibandingkan dengan sel surya hibrida NW/QD, penyerapan sel surya film tipis jenuh jauh lebih awal dengan peningkatan ketebalan film, karena kerugian utama dalam sel surya film tipis adalah refleksi. Karena rasio volume lapisan QD dalam film tipis jauh lebih rendah daripada di susunan NW, peningkatan penyerapan cahaya yang disebabkan oleh lapisan QD hampir dapat diabaikan dalam rentang panjang gelombang di luar celah pita GaAs. Sementara dalam rentang panjang gelombang di bawah celah pita GaAs, karena kurangnya kemampuan menangkap cahaya, penyerapan lapisan QD di film tipis jauh lebih rendah daripada di susunan NW.
Spektrum serapan dari susunan struktur nano hybrid NW/QD dan film tipis dengan dan tanpa lapisan QD. Panjang NW dalam a –d masing-masing adalah 500, 1000, 2000, dan 3000 nm
Profil generasi optik dari struktur yang dipertimbangkan ditunjukkan pada Gambar. 4. NW dengan panjang 500 dan 3000 nm dipertimbangkan di bagian ini (selanjutnya disebut sebagai NW pendek dan NW panjang, masing-masing). Jelas bahwa generasi pembawa dalam media efektif jauh lebih tinggi daripada di GaAs, menunjukkan peningkatan penyerapan yang disebabkan oleh QD. Dalam sel surya hibrida NW/QD, lebih sedikit pembawa yang dihasilkan di wilayah inti NW, karena beberapa pembawa terkonsentrasi di wilayah QD. Fenomena ini diharapkan menguntungkan kinerja perangkat, karena wilayah inti yang didoping tinggi sering kali mengalami kehilangan rekombinasi yang serius. Dalam NW pendek, pembawa yang dihasilkan optik mendistribusikan di seluruh NW, sementara di NW panjang, pembawa terutama terkonsentrasi di bagian atas, menunjukkan bahwa penyerapan cahaya di NW panjang sudah cukup meskipun susunan NW yang dipertimbangkan tidak mengandung substrat apa pun. Dapat diamati bahwa, di NW yang panjang, daerah pembangkitan pembawa yang tinggi di lapisan QD membentang lebih lama daripada di inti NW, dan pembawa terkonsentrasi ke beberapa lobus di sepanjang sumbu NW. Hal ini disebabkan oleh mode resonansi pada daerah panjang gelombang panjang di NW. Cahaya dengan panjang gelombang panjang memiliki panjang serapan yang lebih panjang dan terutama diserap di daerah QD, terutama cahaya pada rentang panjang gelombang di bawah celah pita GaAs. Distribusi medan listrik di bawah iluminasi cahaya tak terpolarisasi di GaAs NWs pada 876 dan 916 nm ditunjukkan pada Gambar. 4c, dari mana kita dapat melihat bahwa medan listrik sangat tumpang tindih dengan daerah QD, yang selanjutnya menjelaskan efek peningkatan struktur NW pada penyerapan QD pada panjang gelombang ini. Profil generasi optik dari sel surya film tipis 500 nm ditunjukkan pada Gambar. 4d, dan dapat dilihat bahwa penyerapan dalam struktur film tipis jauh lebih lemah daripada di NW. Untuk struktur film tipis, pembawa yang dihasilkan dalam QD memiliki sedikit efek pada profil generasi secara keseluruhan. Sementara di NW, QD dengan volume yang sama dapat berkontribusi pada penyerapan secara signifikan berkat mode resonansi terpandu di NW [21].
a Penampang vertikal profil generasi optik dalam sel surya hibrida NW dan NW/QD pendek. b Penampang vertikal profil generasi optik dalam sel surya hibrida NW dan NW/QD panjang. c Distribusi medan listrik pada penampang NW pada 876 dan 916 nm, di mana letak lapisan QD ditandai dengan garis putih. d Penampang melintang vertikal dari profil pembangkitan optik dalam sel surya hibrida film tipis dan film tipis/QD
Studi lebih lanjut fokus pada penyelidikan potensi peningkatan keuntungan efisiensi fotovoltaik yang berasal dari peningkatan penyerapan yang disebabkan oleh QD. Profil fotogenerasi yang sebelumnya disimulasikan dimasukkan ke dalam paket perangkat lunak Perangkat untuk menghitung I -V karakteristik perangkat yang dipertimbangkan. Generasi pembawa diharapkan akan meningkat di wilayah QD; namun, operator di wilayah QD mengalami tingkat rekombinasi yang lebih tinggi. Akibatnya, peningkatan arus hubung singkat (Jsc ) dalam sel surya yang ditingkatkan QD sering disertai dengan penurunan tegangan rangkaian terbuka (Vok ) [38]. Efek QD pada efisiensi perangkat bergantung pada pertukaran antara Jsc meningkat dan Vok pengurangan. Aku -V karakteristik sel surya NW ditunjukkan pada Gambar. 5a, b, dan korporasi QD di NW pendek mengarah ke Jsc peningkatan 1,09 mA/cm
2
dan Vok pengurangan 0,017 V. Sementara di NW panjang, a Jsc peningkatan 1,22 mA/cm
2
dan Vok pengurangan 0,021 V diamati. Peningkatan efisiensi secara keseluruhan adalah 0,67% di NW pendek dan 0,45% di NW panjang. Dengan meningkatkan panjang NW, Jsc peningkatan meningkat serta Vok pengurangan karena peningkatan volume QD. Gambar 5c mengilustrasikan profil rekombinasi radiasi di NWs dekat Vok; dibandingkan dengan GaAs NWs murni, tingkat rekombinasi radiasi meningkat lebih dari 3 kali lipat di lapisan QD, yang menjelaskan Vok degenerasi. Efisiensi konversi sel surya film tipis dengan dan tanpa QD juga dihitung. Peningkatan efisiensi yang disebabkan oleh QD hanya 0,11%, jauh lebih rendah daripada sel surya NW, meskipun volume QD di NW dan struktur film tipis adalah sama. Hasil penelitian menunjukkan bahwa susunan NW bermanfaat untuk meningkatkan efisiensi sel surya quantum dot. Peningkatan efisiensi yang disebabkan oleh QD tidak begitu mengesankan dalam pekerjaan ini karena degenerasi Vok; namun, beberapa pendekatan telah ditunjukkan untuk mempertahankan Vok dalam sel surya yang ditingkatkan QD [5, 39]. Peningkatan efisiensi yang lebih memuaskan diharapkan dapat diperoleh jika Vok degenerasi dapat dihindari pada sel surya hibrida NW/QD. Selain itu, spektrum penyerapan optik QD sangat bergantung pada distribusi ukuran titik [40, 41, 42]. Kami percaya bahwa, dengan memodifikasi ukuran dan kepadatan QD, dimungkinkan untuk mencapai koefisien penyerapan yang lebih tinggi, yang dapat menghasilkan peningkatan penyerapan yang lebih signifikan dan efisiensi konversi yang lebih tinggi.
aAku -V karakteristik sel surya hibrida NW dan NW/QD pendek. bAku -V karakteristik sel surya hybrid NW dan NW/QD panjang. c Setengah dari penampang vertikal tingkat rekombinasi radiasi sel surya hibrida NW dan NW/QD pendek. dAku -V karakteristik sel surya hibrida film tipis dan film tipis/QD
Kesimpulan
Singkatnya, kami telah mempelajari kinerja fotovoltaik dari sel surya hibrida GaAs / InAs NW / QD. Hasilnya menunjukkan bahwa spektrum serapan GaAs NWs dapat diperpanjang hingga 950 nm dengan menggabungkan multilayer InAs QDs pada dinding samping NW. Penyerapan QD juga meningkat secara dramatis karena efek perangkap cahaya dari susunan NW. Aku -V karakteristik menunjukkan bahwa Jsc di sel surya NW dapat ditingkatkan karena peningkatan penyerapan cahaya, sementara Vok merosot karena rekombinasi yang lebih serius yang disebabkan oleh QD. Peningkatan efisiensi keseluruhan yang disebabkan oleh QD di sel surya NW jauh lebih tinggi daripada di sel surya film tipis, menunjukkan bahwa struktur hibrida GaAs/InAs NW/QD menjanjikan untuk sel surya QD.
