Optimisasi Serapan Cahaya Broadband pada Sel Surya Silikon Tipis dengan Gratifikasi Piramida Ganda di Dua Sisi

Latar Belakang

Kemajuan dalam mikrofabrikasi telah menjadikan tekstur permukaan skala nanometer dan morfologi yang dirancang sebagai fondasi fotovoltaik generasi berikutnya [1], [2]. Untuk sel surya film tipis CS, mengoptimalkan parameter struktural sangat penting untuk mendorong efisiensi menuju batas teoretis Yablonovitch [7]–[10]. Karena setiap foton yang diserap dengan energi di atas band-gap menghasilkan satu pasang elektron-lubang, distribusi serapan foton di seluruh lapisan sel menentukan efisiensi konversi akhir. Makalah ini berfokus pada bagaimana gratifikasi piramida depan (FPG), gratifikasi piramida belakang (RPG), dan kombinasi keduanya (DSPG) mempengaruhi serapan foton pada lapisan CS.

Kami dekomposisi total serapan foton A menjadi tiga kontribusi: serapan di gratifikasi depan (A_F), di bulk silikon (A_Si), dan di gratifikasi belakang (A_R), seperti yang diilustrasikan dalam Gambar 1. Hal-hal ini memenuhi hubungan konservasi R + T + A = 1. Penting untuk dicatat bahwa A_Si dihitung secara berbeda untuk setiap varian struktural.

Berbagai struktur sel surya film tipis silikon kristal (CS) dengan atau tanpa gratifikasi piramida. a Silikon kristal polos (BCS). b Gratifikasi piramida depan (FPG). c Gratifikasi piramida belakang (RPG). d Gratifikasi piramida ganda di dua sisi (DSPG). (A_F, A_Si, dan A_R mewakili serapan cahaya dari gratifikasi permukaan depan, bagian CS, dan gratifikasi permukaan belakang, masing-masing. H adalah ketebalan lapisan CS; P₁, D₁, H₁ dan P₂, D₂, H₂ mewakili periode, diameter dasar, dan tinggi piramida silikon pada permukaan depan atau belakang, masing-masing)

Metode

Simulasi kami menggabungkan metode radiasi net dengan pendekatan medium efektif, pasangan yang secara konsisten cocok dengan data eksperimental untuk gratifikasi silikon [4], [11]. Gambar 2 menunjukkan sistem berlapis: tumpukan N-lapis dengan indeks bias kompleks N_i pada setiap antarmuka (i = 1…N‑1). Fluks energi masuk dan keluar ditandai dengan Q_i,a, Q_i,b, Q_i+1,c, dan Q_i+1,d.

Struktur medium berlapis skematik dari gratifikasi piramida silikon, dengan konvensi penomoran antarmuka (1, …, i, …, N − 1), indeks bias kompleks (N₁, …, N_i, …, N_N), dan fluks radiasi elektromagnetik (Q_i,a, Q_i,b, Q_i+1,c, Q_i+1,d, …)

Seimbang energi pada setiap antarmuka mengikuti

 {\n Q_{i,a}=\tau_iQ_{i,c} Q_{i,b}=r_{i,i+1}Q_{i,a}+t_{i+1,i}Q_{i+1,d} Q_{i+1,c}=t_{i,i+1}Q_{i,a}+r_{i+1,i}Q_{i+1,d} Q_{i+1,d}=\tau_{i+1}Q_{i+1,b} } 

di mana r_i,i+1 dan t_i,i+1 adalah refleksivitas dan transmisivitas Fresnel. Pemadatan serapan lapisan i adalah

 \tau_i=\exp\left[-\alpha_i\,d_i/\cos\varphi_i\right] 

dengan α_i = 4\pi k_i/\lambda dan k_i bagian imajiner dari N_i. Dengan asumsi insiden normal Q_1,a=1 dan fluks keluar nol di belakang Q_N,d=0, koefisien serapan lapisan i adalah A_i=Q_i,a−Q_i,c+Q_i,d−Q_i,b.

Indeks bias efektif untuk lapisan piramida diperoleh melalui rumus Bruggeman

 \frac{f_1(N_{Si}^2-N_{Eff}^2)}{N_{Si}^2+2N_{Eff}^2}+ \frac{f_2(N_{Air}^2-N_{Eff}^2)}{N_{Air}^2+2N_{Eff}^2}=0 

di mana f₁ dan f₂=1−f₁ adalah fraksi volume silikon dan udara. Total fluks foton yang terserap dalam lapisan i adalah

 \Phi_i=\int A_i\,F(\lambda)\,\lambda/(h_0c_0)\,d\lambda 

dengan F(\lambda) spektrum surya AM1.5. Fluks serapan agregat adalah Φ=\sum_i\Phi_i.

Hasil dan Pembahasan

Untuk perbandingan yang adil, kami menetapkan ketebalan lapisan CS H = 10 µm. Tinggi dan diameter dasar piramida ditetapkan pada H₁=H₂=200 nm dan D₁=D₂=100 nm, masing-masing. Rasio periode terhadap diameter gratifikasi depan adalah P₁/D₁=1. Untuk gratifikasi belakang, kami menjelajahi P₂/D₂=1 dan 10. Konfigurasi berdisi sisi menggabungkan seperangkat parameter ini.

Gambar 3 merangkum performa optik setiap struktur. Gratifikasi depan secara dramatis mengurangi refleksi broadband dan meningkatkan serapan total, terutama pada wilayah panjang gelombang pendek (wilayah I dan II). Gratifikasi belakang lebih menekan refleksi pada infra merah (wilayah II) ketika P₂/D₂=10. Bersama-sama, DSPG dapat mendekati batas Yablonovitch dan mencapai refleksi hampir nol di seluruh spektrum, ciri khas silikon hitam. Menariknya, gratifikasi belakang meningkatkan transmisi terlihat dan infra merah dekat, yang dapat menguntungkan detektor foton [9], [10].

Properti optik berbagai struktur gratifikasi piramida silikon dibandingkan dengan BCS dengan ketebalan yang sama (BCS (H = 10 µm), FPG (P₁/D₁=1, H₁=200 nm), RPG (P₂/D₂=1 atau 10, H₂=200 nm), DSPG (P₁/D₁=1, P₂/D₂=1 atau 10, H₁=H₂=200 nm)). (a), (b), dan (c) adalah reflektivitas total, absorptivitas, dan transmisivitas, masing-masing.

Untuk membedakan di mana foton diserap, kami menyajikan peta kontur tiga dimensi untuk struktur FPG dan RPG dalam Gambar 4 dan Gambar 5. Peta-peta ini mengungkapkan bahwa, untuk FPG, peningkatan tinggi piramida meningkatkan serapan total tetapi akhirnya mengurangi serapan bulk silikon setelah lapisan depan menjadi terlalu tinggi. Geometri gratifikasi depan optimal muncul pada P₁/D₁=1.05 dan H₁=53 nm.

Peta kontur distribusi serapan foton di berbagai bagian untuk struktur FPG. (a) Total serapan foton A. (b) Serapan foton dari gratifikasi permukaan depan A_F. () Serapan foton dari bagian CS A_Si. (Garis titik dalam ilustrasi mewakili serapan BCS)

Peta kontur distribusi serapan foton di berbagai bagian untuk struktur RPG. (a) Total serapan foton A. (b) Serapan foton dari bagian CS A_Si. () Serapan foton dari gratifikasi permukaan belakang A_R. (Garis titik dalam ilustrasi mewakili serapan BCS)

Untuk RPG, rasio periode terhadap diameter yang lebih besar (P₂/D₂=10) yang dipadukan dengan tinggi piramida yang lebih pendek meningkatkan serapan infra merah dengan mengalihkan cahaya kembali menuju lapisan aktif. Namun, serapan bulk silikon tetap sangat tidak berubah karena gratifikasi belakang memantulkan banyak foton daripada menangkapnya. Akibatnya, sementara gratifikasi belakang meningkatkan serapan total, mereka tidak meningkatkan serapan efektif di dalam badan CS.

Gambar 6 mengkonsolidasikan performa empat set parameter DSPG representatif. Ketika rasio gratifikasi depan terlalu besar (misalnya, P₁/D₁=10 dengan H₁=10 nm), refleksi meningkat dan serapan menurun. Hanya konfigurasi P₁/D₁=1.05, H₁=53 nm, yang dipadukan dengan P₂/D₂=1.03 dan H₂=170 nm yang memberikan refleksi hampir nol dan serapan maksimal di seluruh spektrum. Namun, bahkan dalam DSPG optimal ini, fraksi foton yang diserap oleh bulk silikon tidak melebihi yang dari FPG terbaik sendirian, menekankan bahwa gratifikasi belakang menawarkan manfaat terbatas untuk serapan bulk.

Properti optik empat set parameter berbeda untuk DSPG (P₁/D₁=10, H₁=10 nm dan P₂/D₂=1.03, H₂=170 nm atau P₂/D₂=10, H₂=10 nm; P₁/D₁=1.05, H₁=53 nm dan P₂/D₂=1.03, H₂=170 nm atau P₂/D₂=10, H₂=10 nm) dibandingkan dengan BCS (H=10 µm) dan FPG (P₁/D₁=1.05, H₁=53 nm dan P₁/D₁=10, H₁=10 nm). (a), (b), (c), dan (d) adalah reflektivitas total, transmisivitas, absorptivitas, dan absorptivitas bagian CS, masing-masing.

Ringkasnya, sementara gratifikasi belakang dapat menyesuaikan respons spektral dan mengurangi refleksi, ia menawarkan perbaikan yang tidak signifikan dalam serapan efektif bulk silikon. Geometri gratifikasi depan tetap menjadi tuas krusial untuk memaksimalkan serapan bulk dan mencapai sel surya silikon dengan efisiensi tinggi dan refleksi rendah.

Kesimpulan

Strategi gratifikasi piramida ganda di dua sisi meningkatkan serapan cahaya secara keseluruhan dan dapat menekan refleksi di seluruh spektrum. Namun, ini tidak meningkatkan serapan efektif di dalam bulk silikon. Untuk performa optimal, kami merekomendasikan rasio periode terhadap diameter gratifikasi depan di bawah 1,4 dan tinggi antara 10 nm hingga 600 nm. Gratifikasi belakang menawarkan manfaat minimal untuk serapan bulk dan dapat dihilangkan untuk mendukung desain yang lebih sederhana dan hemat biaya yang difokuskan pada tekstur sisi depan.

Singkatan

CS:

Silikon kristal

DSPG:

Gratifikasi piramida ganda di dua sisi

FPG:

Gratifikasi piramida depan

RPG:

Gratifikasi piramida belakang