Kinerja Fotovoltaik Sel Surya Pin Junction Nanocone Array dengan Penyerapan Optik Efektif yang Ditingkatkan
Abstrak
Kinerja fotovoltaik sel surya array nanocone GaAs axial dan radial pin junction diselidiki. Dibandingkan dengan array nanowire silinder, array nanocone tidak hanya meningkatkan penyerapan optik secara keseluruhan tetapi lebih penting lagi meningkatkan penyerapan efektif (penyerapan di daerah deplesi). Penyerapan efektif yang ditingkatkan dikaitkan dengan pergeseran ke bawah dan perluasan wilayah penyerapan yang disebabkan oleh bagian atas yang menyusut, yang secara dramatis menekan kehilangan penyerapan di wilayah atas yang didoping tinggi dan meningkatkan penyerapan di wilayah penipisan. Efisiensi konversi tertinggi untuk sel surya nanocone GaAs aksial dan radial adalah 20,1% dan 17,4%, masing-masing diperoleh pada sudut kemiringan 5 ° dan 6 °, yang keduanya jauh lebih tinggi daripada rekan kawat nano silindernya. Struktur nanocone adalah kandidat yang menjanjikan untuk sel surya efisiensi tinggi.
Latar Belakang
Bahan berdimensi rendah, termasuk titik kuantum (QDs), kawat nano (NWs), dan bahan berlapis dua dimensi, menjanjikan untuk aplikasi fotovoltaik karena sifatnya yang unik [1,2,3,4,5]. Dibandingkan dengan rekan-rekan planar mereka, III-V nanowire (NW) array memiliki sifat optik yang sangat baik seperti anti-refleksi dan perangkap cahaya, menunjukkan potensi besar dalam kinerja tinggi sel surya [6,7,8]. Selain itu, area tapak ultrasmall dari NWs cukup mengurangi konsumsi material dan meningkatkan toleransi ketidakcocokan kisi, memungkinkan realisasi sel surya berbiaya rendah dengan bahan lebih sedikit dan substrat lebih murah [9,10,11,12,13]. Sambungan pin adalah bagian penting dari sel surya NW, yang menyerap cahaya dan mengubah foton menjadi pasangan lubang elektron. Menurut geometri sambungan pin, sel surya susunan NW dapat dibagi menjadi sel surya pin aksial dan radial (atau cangkang inti), keduanya telah banyak diteliti. Namun, hingga saat ini, efisiensi terbaik untuk sel surya susunan III–V NW radial aksial dan radial masing-masing adalah 15,3% dan 7,43%, masih jauh lebih rendah daripada rekan-rekan planarnya [14, 15].
Sejauh ini, banyak upaya telah dilakukan untuk meningkatkan kinerja sel surya susunan NW, terutama termasuk optimasi diameter/periode (D /P ) rasio, diameter, dan panjang, untuk mendapatkan penyerapan optik yang lebih baik dari seluruh susunan NW [16,17,18,19,20]. Namun, peningkatan penyerapan seluruh susunan NW tidak selalu mengarah pada peningkatan efisiensi konversi tertinggi. Adapun susunan pin NW praktis, pembawa foto yang dihasilkan di wilayah p (atau n) dengan cepat bergabung kembali karena kurangnya medan listrik bawaan. Oleh karena itu, sampai batas tertentu, penyerapan di daerah penipisan, atau penyerapan optik efektif, secara langsung menentukan efisiensi akhir. Namun, untuk susunan NW silinder tipikal, sebagian besar cahaya diserap oleh bagian atas NWs [16], sedangkan penyerapan daerah penipisan, yang biasanya terletak di tengah, tidak cukup. Khususnya, untuk susunan NW pin aksial, cahaya datang harus melewati daerah p(n) sebelum diserap oleh daerah penipisan, yang menyebabkan hilangnya cahaya yang besar.
Salah satu cara yang mungkin untuk meningkatkan penyerapan optik efektif susunan NW adalah dengan memodulasi geometri NW. Sebagai contoh, sel surya susunan NW dengan kemiringan pin aksial telah dilaporkan meningkatkan penyerapan daerah penipisan dengan mengurangi penyerapan daerah p (atau n) atas [21]. Namun, dalam praktiknya, D /P rasio harus jauh lebih rendah daripada susunan NW vertikal untuk menghindari persilangan NW yang berdekatan, yang membatasi efisiensi konversi. Tapered NWs, atau nanocones, diharapkan dapat meningkatkan penyerapan optik yang efektif karena cahaya yang datang dapat langsung diserap oleh daerah penipisan tanpa melewati daerah atas. Hingga saat ini, nanocone dengan sudut kemiringan dan rasio aspek yang berbeda telah dibuat dengan metode uap-cair-padat dan rakitan bebas katalis Au [22,23,24,25], dan sifat penyerapan optik juga telah simulasi [26, 27]. Dalam sel surya praktis, pengaruh doping pada transportasi dan sifat optik tidak dapat diabaikan, dan rekombinasi radiasi, Auger dan Shockley-Read-Hall (SRH) juga memainkan peran penting dalam konversi fotolistrik. Namun, sepengetahuan kami, kinerja fotovoltaik sel surya nanocone p(i)n dengan mempertimbangkan faktor-faktor yang disebutkan di atas belum dipelajari secara rinci.
Dalam makalah ini, simulasi optoelektronik tiga dimensi (3D) digabungkan disajikan untuk menyelidiki kinerja fotovoltaik sel surya nanocone axial dan radial pin junction GaAs. Sifat penyerapan optik diselidiki dengan menggunakan domain waktu perbedaan hingga (FDTD). Profil fotogenerasi kemudian dimasukkan ke dalam simulasi listrik untuk melakukan perhitungan karakteristik rapat arus versus tegangan (J-V) menggunakan metode elemen hingga (FEM). Mobilitas yang bergantung pada doping, penyempitan celah pita, dan rekombinasi radiasi, Auger dan SRH semuanya dipertimbangkan dalam simulasi listrik. Efisiensi tertinggi untuk sel surya nanocone aksial dan radial pin junction masing-masing adalah 20,1% dan 17,4%, jauh lebih tinggi daripada rekan-rekan silinder NW mereka. Mekanisme peningkatan efisiensi dibahas.
Metode
Model array nanocone pin aksial GaAs ditunjukkan pada Gambar. 1, yang terdiri dari nanocone pin aksial GaAs periodik dengan diameter D = 180 nm, titik P = 360 nm, dan panjang L = 2 m. Baik daerah p dan n memiliki panjang 200 nm dan didoping seragam menjadi 3 × 10
18
cm
−3
dan 1 × 10
17
cm
−3
, masing-masing. Substrat GaAs didoping-n dengan konsentrasi pembawa 1 × 10
17
cm
−3
. Diameter nanocone didefinisikan sebagai rata-rata diameter atas dan bawah. Sudut kemiringan (θ ) adalah sudut antara dinding samping dan arah normal permukaan bawah (substrat). Dalam simulasi, sudut kemiringan diubah dari 0 hingga 5 ° dengan memvariasikan diameter bawah dan atas sambil mempertahankan diameter rata-rata konstan.
Diagram skema rangkaian nanocone GaAs sambungan pin aksial
Sifat optik struktur diselidiki melalui paket modul Sentaurus Electromagnetic Wave (EMW) Solver [28,29,30]. Ukuran sel minimum mesh FDTD diatur ke 5 nm, dan jumlah node per panjang gelombang adalah 20 di semua arah. Dengan menempatkan kondisi batas periodik, simulasi dapat dilakukan dalam sel satuan tunggal untuk memodelkan struktur susunan periodik. Untuk menghemat sumber daya dan waktu yang diperlukan untuk penghitungan, ketebalan substrat GaAs dibatasi hingga 0,4 μm [21]. Namun, dengan menggunakan lapisan pencocokan sempurna (PML) yang berdekatan dengan substrat GaAs, cahaya transmisi diserap sepenuhnya, yang memungkinkan kita untuk memodelkan substrat GaAs semi-tak terbatas [31]. Indeks bias kompleks yang bergantung pada panjang gelombang yang digunakan untuk menggambarkan sifat dispersi material GaAs dapat diperoleh dari studi Levinshtein et al. [32]. Cahaya datang dari atas diatur secara paralel dengan sumbu NW seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1. Kami menggunakan gelombang bidang yang ditentukan dengan intensitas daya dan nilai panjang gelombang dari spektrum matahari AM 1.5G yang didiskritisasi dengan panjang gelombang berkisar antara 290 hingga 900 nm (daerah serapan khas GaAs) untuk memodelkan sinar matahari [33]. Generasi optik total di bawah iluminasi AM 1.5G dapat dimodelkan dengan melapiskan tingkat pembangkitan optik panjang gelombang tunggal dengan daya tertimbang [20]. Tingkat generasi optik Gph diperoleh dari vektor Poynting S:
dimana ħ adalah konstanta Planck tereduksi, ω adalah frekuensi sudut cahaya datang, E adalah intensitas medan listrik pada setiap titik grid, dan ε adalah bagian imajiner dari permitivitas. Monitor pantulan terletak di atas permukaan atas NWA, dan monitor transmisi terletak di permukaan bawah media untuk menghitung cahaya yang diserap. Jumlah daya yang ditransmisikan melalui monitor daya dinormalisasi ke daya sumber pada setiap panjang gelombang. Pemantulan R (λ ) dan transmisi T (λ ) dihitung dengan persamaan berikut:
dimana P (λ ) adalah vektor Poynting, dS adalah permukaan normal, dan Pdi (λ ) adalah daya sumber datang pada setiap panjang gelombang. Spektrum penyerapan A (λ ) dari GaAs NWA diberikan oleh persamaan berikut:
Untuk pemodelan listrik, profil generasi optik 3D dimasukkan ke dalam mesh elemen hingga NWs di alat listrik, yang memecahkan persamaan kontinuitas pembawa yang digabungkan dengan persamaan Poisson secara konsisten dalam 3D. Mobilitas yang bergantung pada doping, penyempitan celah pita, dan rekombinasi radiasi, Auger dan SRH dipertimbangkan dalam simulasi listrik perangkat. Parameter material penting untuk simulasi perangkat sebagian besar diperoleh dari model Levinshtein [32], yang ditunjukkan pada Tabel 1.
Hasil dan Diskusi
Sel Surya Array Nanocone Array GaAs Pin Junction Aksial
Gambar 2a–c menunjukkan absorptansi, reflektansi, dan transmitansi yang bergantung pada panjang gelombang dari array nanocone GaAs aksial dengan sudut kemiringan yang berbeda. Dibandingkan dengan susunan silinder NW (θ = 0°), susunan nanocone menunjukkan reflektansi yang lebih rendah pada seluruh rentang panjang gelombang, dan fenomena tersebut menjadi lebih jelas dengan meningkatnya sudut kemiringan. Kemampuan anti-refleksi dari susunan NW dapat dikaitkan dengan rasio pengisian yang rendah, yang mengurangi indeks bias efektif dan menawarkan kecocokan impedansi yang baik antara GaAs dan udara [7]. Untuk array nanocone dengan sudut kemiringan yang besar, rasio pengisian di bagian atas array sangat rendah, yang mengarah ke kecocokan impedansi yang hampir sempurna dengan udara dan refleksi hampir nol. Dalam rentang panjang gelombang pendek 300–700 nm, absorptansi meningkat dengan meningkatnya sudut kemiringan karena refleksi yang ditekan. Namun, absorptansi cahaya panjang gelombang panjang di dekat celah pita GaAs menurun pada kemiringan yang besar karena bagian atas nanocone yang sangat tipis yang tidak mampu mendukung mode optik. Gambar 2d menunjukkan integral pembobotan AM 1.5G dari spektrum absorptansi, reflektansi, dan transmitansi untuk sudut kemiringan yang berbeda. Pada sudut kecil, absorptansi meningkat dengan meningkatnya sudut kemiringan karena penurunan reflektansi. Ketika sudut kemiringan melebihi 3°, absorptansinya sedikit berkurang. Ini mungkin dikaitkan dengan jalur penyerapan yang berkurang karena bagian atas nanocone yang sangat tipis tidak dapat mendukung mode panjang gelombang panjang. Namun demikian, penyerapan total nanocones pada sudut kemiringan yang berbeda (1~5°) memiliki perbedaan yang sangat kecil (dalam kisaran 92~93,5%), menunjukkan bahwa sudut kemiringan memiliki pengaruh yang kecil terhadap penyerapan total nanocones. Atau, sudut kemiringan diyakini memiliki dampak yang kuat pada penyerapan di wilayah intrinsik, yang mendominasi efisiensi konversi fotolistrik. Ini akan dibahas secara rinci di bagian berikut.
a Penyerapan, b reflektansi, dan c transmitansi axial pin junction GaAs nanocone arrays dengan D /P = 0,5 dan D = 0,18 μm. d Integral pembobotan AM1.5G dari absorptansi, reflektansi, dan transmitansi array nanocone aksial dengan sudut kemiringan yang berbeda
Profil generasi optik total dari array nanocone GaAs aksial di bawah iluminasi AM 1.5G ditunjukkan pada Gambar. 3a. Dapat dilihat bahwa di θ = 0°, sebagian besar foton yang diserap terkonsentrasi di bagian atas silinder NWs. Karena konsentrasi doping yang tinggi dan kurangnya medan listrik built-in untuk pemisahan pasangan elektron-lubang [34,35,36,37], rekombinasi pembawa foto di wilayah-p atas sangat tinggi, menghasilkan kerugian besar dari cahaya insiden. Untuk susunan nanocone, posisi penyerapan foton bergeser ke bawah dengan peningkatan sudut kemiringan, yang mengarah ke peningkatan penyerapan di wilayah-i. Seperti yang telah dilaporkan, penyerapan cahaya NWs didominasi oleh mode resonansi, yang terkait erat dengan diameter NW [37]. Karena geometri unik dari nanocones, beberapa mode panjang gelombang panjang dapat didukung di wilayah atas dengan diameter kecil. Hal ini didukung oleh Gbr. 3b–g, yang menyajikan profil generasi optik yang bergantung pada panjang gelombang dari nanocone dengan sudut kemiringan 0~ 5°. Dapat dilihat bahwa dalam silinder NWs, sebagian besar penyerapan terkonsentrasi di wilayah atas untuk semua panjang gelombang. Namun, saat sudut kemiringan meningkat, mode optik, terutama mode panjang gelombang yang lebih panjang, bergeser ke bawah ke wilayah yang lebih tebal. Oleh karena itu, peningkatan sudut kemiringan tidak hanya menyebabkan peningkatan penyerapan di wilayah i tengah tetapi juga menghasilkan pengurangan penyerapan di wilayah atas. Hal ini dapat menjelaskan mengapa susunan nanocone dengan sudut kemiringan tengah 3° memiliki penyerapan total yang tinggi seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3e, karena penyerapan di daerah p-atas dan daerah intrinsik tengah relatif kuat pada sudut tersebut. Pergeseran penyerapan ke bawah diyakini memainkan peran penting dalam peningkatan kinerja perangkat karena tidak hanya menekan kehilangan penyerapan di wilayah-p atas tetapi juga meningkatkan penyerapan di wilayah-i tengah.
a Profil generasi optik total dari nanocones pin aksial. b –g Profil generasi optik yang bergantung pada panjang gelombang dari array nanocone di θ = 0~ 5°
Spektrum serapan daerah i diplot pada Gambar 4a. Pada daerah panjang gelombang pendek, karena diameter daerah-p menyusut dengan meningkatnya sudut kemiringan, baik volume daerah-p dan daya cahaya yang dapat dibatasi dalam nanocone menurun, menyebabkan penyerapan yang tidak mencukupi di daerah-p dan serapan yang tinggi. di wilayah-i. Pada daerah panjang gelombang panjang, daerah absorpsi meluas ke daerah n bawah dalam nanocones pada sudut slop yang besar, menghasilkan penurunan absorptansi di daerah i. Gambar 4b menunjukkan integral spektrum serapan di wilayah-i. Absorbansi masing-masing panjang gelombang diberi bobot oleh spektrum AM 1.5G. Dapat dilihat bahwa penyerapan di wilayah-i meningkat secara dramatis dengan meningkatnya sudut kemiringan, menunjukkan peningkatan penyerapan efektif yang diharapkan dapat meningkatkan efisiensi konversi.
a Spektrum serapan yang bergantung pada panjang gelombang dari wilayah-i. b Integral pembobotan AM1.5G dari spektrum serapan wilayah-i di a
Profil fotogenerasi kemudian dimasukkan ke dalam alat listrik [35] untuk mempelajari kinerja fotovoltaik dari sel surya array nanocone junction pin aksial. Gambar 5a menunjukkan karakteristik tegangan arus pada sudut kemiringan yang berbeda. Dibandingkan dengan susunan silinder NW, kerapatan arus hubung singkat yang jauh lebih tinggi (Jsc ) diperoleh dalam sel surya array nanocone. Di θ = 5°, perangkat menghasilkan Jsc dari 30,1 mA/cm
2
(7,3 mA/cm
2
lebih tinggi dari silinder) dan Vok 0,885 V, menghasilkan efisiensi konversi fotolistrik yang tinggi (η ) sebesar 20,1% (4,8% lebih tinggi dari silinder). Gambar 5b memplot ketergantungan efisiensi konversi pada sudut kemiringan. Saat sudut kemiringan meningkat dari 0 hingga 5 °, efisiensi konversi meningkat secara monoton dari 15,3 menjadi 20,1%. Seperti disebutkan sebelumnya, penyerapan seluruh susunan nanocone jenuh pada θ = 2°, menunjukkan bahwa peningkatan efisiensi pada sudut kemiringan yang besar tidak disebabkan oleh peningkatan penyerapan seluruh susunan nanocone. Sebaliknya, tren efisiensi konversi sangat sesuai dengan penyerapan di wilayah-i yang ditunjukkan pada Gambar 4b, menunjukkan bahwa efisiensi konversi didominasi oleh penyerapan optik efektif di wilayah-i.
a Kurva arus-tegangan sel surya array nanocone junction p(i)n aksial dengan sudut kemiringan yang berbeda. b Efisiensi konversi fotolistrik sel surya array nanocone junction p(i)n aksial dengan sudut kemiringan yang berbeda
Radial Pin Junction GaAs Nanocone Array Sel Surya
Model array nanocone GaAs sambungan pin radial ditunjukkan pada Gambar. 6, yang terdiri dari nanocone GaAs pin radial periodik dengan diameter D = 360 nm, titik P = 720 nm, dan panjang L = 2 m. Ketebalan wilayah-i adalah 10 nm, dan jari-jari inti sama dengan ketebalan cangkang. Konsentrasi doping inti tipe-n dan cangkang tipe-p diatur menjadi sama dengan nanokon aksial. Sudut kemiringan diubah dari 0 hingga 10° dengan memvariasikan diameter bawah dan atas sambil mempertahankan diameter rata-rata konstan.
Diagram skematis dari array nanocone GaAs sambungan pin radial
Absorbansi, reflektansi, dan transmitansi yang bergantung pada panjang gelombang dari susunan nanokone GaAs radial dengan sudut kemiringan yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 7a–c. Mirip dengan struktur aksial, nanokon radial menunjukkan reflektansi yang lebih rendah pada seluruh rentang panjang gelombang dibandingkan dengan silinder radial NW (θ = 0°), dan fenomena ini menjadi lebih jelas dengan bertambahnya sudut kemiringan. Pada Gambar 7a, dapat dilihat bahwa pada rentang panjang gelombang pendek 300-700 nm, absorptansi meningkat dengan meningkatnya sudut kemiringan karena penekanan reflektansi. Sementara pada sudut kemiringan yang besar, bagian atas nanocone terlalu tipis untuk mendukung mode panjang gelombang yang panjang, mengakibatkan penurunan absorptansi. Gambar 7d menunjukkan integral berbobot AM 1.5G dari spektrum absorptansi, reflektansi, dan transmitansi untuk sudut kemiringan yang berbeda. Dapat dilihat bahwa saat sudut kemiringan meningkat, penyerapan menunjukkan tren naik secara keseluruhan dengan sedikit fluktuasi, menunjukkan sifat penyerapan yang sangat baik untuk struktur nanocone.
a Penyerapan, b reflektansi, dan c transmitansi radial pin junction GaAs nanocone array dengan D /P = 0,5 dan D = 0,36 μm. d Integral pembobotan AM1.5G dari absorptance, reflektansi, dan transmitansi dari array nanocone radial dengan sudut kemiringan yang berbeda
Gambar 8 menunjukkan profil generasi optik total dari array nanocone GaAs radial di bawah iluminasi AM 1.5G. Mirip dengan susunan aksial, sebagian besar foton terkonsentrasi di bagian atas silinder NWs. Saat sudut kemiringan meningkat secara bertahap, penyerapan bergeser ke bawah. Karena tabung daerah-i di persimpangan radial menembus seluruh NW, pergeseran penyerapan ke bawah tidak dapat secara langsung mengarah ke peningkatan penyerapan seperti pada sambungan pin aksial. Namun, bersama dengan pergeseran penyerapan ke bawah, panjang penyerapan juga meluas, menghasilkan tumpang tindih yang ditingkatkan antara penyerapan cahaya dan wilayah-i. Oleh karena itu, penyerapan yang efektif juga diyakini dapat ditingkatkan.
Profil generasi optik dari array nanokone pin radial dengan sudut kemiringan yang berbeda
Karakteristik tegangan arus sel surya nanocone radial ditunjukkan pada Gambar. 9a. Dibandingkan dengan sel surya susunan silinder NW, jauh lebih tinggi Jsc dicapai dalam sel surya array nanocone. Di θ 6°, semua Jsc melebihi 25 mA/cm
2
, sebaliknya, Jsc adalah 17,4 mA/cm
2
di θ = 0°. Gambar 9(b) menunjukkan ketergantungan efisiensi konversi pada sudut kemiringan. Pada sudut kemiringan kecil, efisiensi meningkat secara monoton dengan sudut kemiringan dan mencapai nilai maksimum 17,4% pada θ = 6°, 6,4% lebih tinggi dari rekan silinder. Ketika sudut semakin meningkat, efisiensi menjadi jenuh dan bahkan sedikit menurun. Hal ini mungkin disebabkan oleh persaingan antara penyerapan i-region atas dan menengah. Pada sudut kemiringan yang besar, bagian atas nanocone terlalu tipis untuk mendukung mode panjang gelombang panjang. Meskipun penyerapan bagian i-region tengah meningkat karena pergeseran penyerapan ke bawah, penyerapan di bagian i-region atas berkurang, mengimbangi kenaikan penyerapan di wilayah i tengah.
a Kurva arus-tegangan sel surya array nanocone radial pin junction dengan sudut kemiringan yang berbeda. b Ketergantungan efisiensi konversi pada sudut kemiringan
Kesimpulan
Singkatnya, kami telah mempelajari kinerja fotovoltaik sel surya array nanocone GaAs sambungan pin aksial dan radial dengan simulasi optoelektronik 3D yang digabungkan. Hasilnya menunjukkan bahwa penyerapan dalam susunan nanocone bergeser ke bawah karena diameter atas yang menyusut, yang secara dramatis menekan kehilangan penyerapan di wilayah atas yang didoping tinggi dan meningkatkan penyerapan di wilayah penipisan. Efisiensi konversi tertinggi untuk sel surya nanocone GaAs aksial dan radial adalah 20,1% dan 17,4%, masing-masing diperoleh pada sudut kemiringan 5 ° dan 6 °, yang keduanya jauh lebih tinggi daripada rekan silinder NW mereka. Struktur nanocone adalah kandidat yang menjanjikan untuk sel surya efisiensi tinggi.
