Efisiensi Fotovoltaik yang Ditingkatkan pada Sel Surya Nanokon GaAs Pin-Junction melalui Pengabsorpansi Optik yang Dioptimalkan
Abstrak
Performa fotovoltaik sel surya array nanokon GaAs pin junction axial dan radial diteliti. Dibandingkan dengan array nanowire silinder, array nanokon tidak hanya meningkatkan pengabsorpansi optik secara keseluruhan tetapi lebih penting lagi meningkatkan pengabsorpansi efektif (pengabsorpansi di wilayah depleksi). Pengabsorpansi efektif yang ditingkatkan dikaitkan dengan geseran ke bawah dan perluasan wilayah pengabsorpansi yang diinduksi oleh penyusutan ujung atas, yang secara dramatis menekan kehilangan pengabsorpansi di wilayah atas yang tinggi dopan dan meningkatkan pengabsorpansi di wilayah depleksi. Efisiensi konversi tertinggi untuk sel surya nanokon GaAs axial dan radial masing-masing 20,1 % dan 17,4 %, diperoleh pada sudut kemiringan 5° dan 6°, keduanya jauh lebih tinggi daripada nanowire silinder mitra mereka. Struktur nanokon adalah kandidat yang menjanjikan untuk sel surya berdaya tinggi.
Latar Belakang
Bahan berdimensi rendah, termasuk titik kuantum (QD), nanowire (NW), dan bahan berlapis dua dimensi, menjanjikan untuk aplikasi fotovoltaik karena properti uniknya [1,2,3,4,5]. Dibandingkan dengan mitra datar mereka, array nanowire (NW) III–V memiliki properti optik yang luar biasa seperti anti-refleksi dan penangkap cahaya, yang menunjukkan potensi besar dalam sel surya berdaya tinggi [6,7,8]. Selain itu, area jejak yang sangat kecil NW cukup mengurangi konsumsi bahan dan meningkatkan toleransi ketidaksejajaran jaring, yang memungkinkan realisasi sel surya berbiaya rendah dengan bahan yang lebih sedikit dan substrat yang lebih murah [9,10,11,12,13]. Junction pin adalah bagian utama sel surya NW, yang menyerap cahaya dan mengonversi foton menjadi pasangan elektron-lubang. Menurut geometri junction pin, sel surya array NW dapat dibagi menjadi sel pin axial dan radial (atau core-shell), keduanya telah banyak diteliti. Namun, hingga saat ini, efisiensi terbaik untuk sel surya array NW III–V axial dan radial masing-masing 15,3 % dan 7,43 %, masih jauh lebih rendah dari mitra datar mereka [14, 15].
Sampai sekarang, banyak upaya telah dilakukan untuk meningkatkan performa sel surya array NW, terutama termasuk optimisasi rasio diameter/periode (D/P), diameter, dan panjang, untuk mendapatkan pengabsorpansi optik yang lebih baik dari seluruh array NW [16,17,18,19,20]. Namun, peningkatan pengabsorpansi seluruh array NW tidak selalu mengarah pada peningkatan efisiensi konversi akhir. Untuk array pin NW praktis, fotokarrier yang dihasilkan di wilayah p (atau n) dengan cepat merekombinasikan karena kurangnya medan listrik bawaan. Oleh karena itu, sejauh ini, pengabsorpansi di wilayah depleksi, atau pengabsorpansi optik efektif, secara langsung menentukan efisiensi akhir. Namun, untuk array NW silinder tipikal, sebagian besar cahaya diserap oleh bagian atas NW [16], sementara pengabsorpansi wilayah depleksi, yang biasanya terletak di tengah, tidak cukup. Khususnya, untuk array pin NW axial, cahaya insiden harus melewati wilayah p(n) sebelum diserap oleh wilayah depleksi, yang mengakibatkan kehilangan cahaya yang besar.
Salah satu cara untuk meningkatkan pengabsorpansi optik efektif array NW adalah dengan memodulasi geometri NW. Misalnya, sel surya array NW axial pin yang miring telah dilaporkan untuk meningkatkan pengabsorpansi wilayah depleksi dengan mengurangi pengabsorpansi wilayah p (atau n) atas [21]. Namun, dalam praktik, rasio D/P harus jauh lebih rendah daripada array NW vertikal untuk menghindari silang antara NW yang berdekatan, yang membatasi efisiensi konversi. NW yang menyempit, atau nanokon, diharapkan meningkatkan pengabsorpansi optik efektif karena cahaya insiden dapat langsung diserap oleh wilayah depleksi tanpa melewati wilayah atas. Hingga saat ini, nanokon dengan sudut kemiringan dan rasio aspek yang berbeda telah dibuat oleh metode vapor-liquid-solid yang dikatalis Au dan metode self-assembled bebas katalis [22,23,24,25], dan properti pengabsorpansi optiknya juga telah disimulasikan [26, 27]. Dalam sel surya praktis, pengaruh dopan pada properti transportasi dan optik tidak dapat diabaikan, dan rekombinasi radiatif, Auger dan Shockley-Read-Hall (SRH) juga memainkan peran penting dalam konversi fotoelektrik. Namun, sejauh pengetahuan kami, performa fotovoltaik sel surya nanokon p(i)n yang mempertimbangkan faktor-faktor di atas belum telah diteliti secara rinci.
Dalam makalah ini, simulasi optoelektronik 3D yang terhubung disajikan untuk menyelidiki performa fotovoltaik sel surya nanokon GaAs pin junction axial dan radial. Properti pengabsorpansi optik diselidiki dengan menggunakan penyelesa waktu-domain selisih hingga (FDTD). Profil generasi foto kemudian digabungkan ke dalam simulasi listrik untuk melakukan perhitungan karakteristik kepadatan arus versus tegangan (J-V) menggunakan metode elemen hingga (FEM). Mobilitas yang bergantung pada dopan, penyempitan jarak energi, dan rekombinasi radiatif, Auger dan SRH semua dipertimbangkan dalam simulasi listrik perangkat. Parameter material kritis untuk simulasi perangkat sebagian besar diperoleh dari model Levinshtein [32], yang ditunjukkan dalam Tabel 1.
Metode
Model array nanokon GaAs pin junction axial ditunjukkan dalam Gambar 1, yang terdiri dari nanokon GaAs pin axial periodik dengan diameter D = 180 nm, periode P = 360 nm, dan panjang L = 2 μm. Keduanya wilayah p dan n memiliki panjang 200 nm dan di-dope secara seragam hingga 3 × 10¹⁸ cm⁻³ dan 1 × 10¹⁷ cm⁻³, masing-masing. Substrat GaAs di-dope n dengan konsentrasi penurun 1 × 10¹⁷ cm⁻³. Diameter nanokon 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 mengubah diameter bawah dan sambil mempertahankan diameter rata-rata konstan.
Properti optik struktur diselidiki melalui modul paket 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 satu sel satuan untuk memodelkan struktur array periodik. Untuk menghemat sumber daya dan waktu yang diperlukan untuk perhitungan, ketebalan substrat GaAs dibatasi hingga 0,4 μm [21]. Namun, dengan menggunakan lapisan cocok sempurna (PML) yang bersebelahan dengan substrat GaAs, cahaya transmisi sepenuhnya diserap, yang memungkinkan kami untuk memodelkan substrat GaAs semi-infinit [31]. Indeks refraksi kompleks yang bergantung pada panjang gelombang yang digunakan untuk menggambarkan propersi dispersi material GaAs dapat diperoleh dari studi Levinshtein et al. [32]. Cahaya insiden dari atas diatur sejajar dengan sumbu NW seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1. Kami menggunakan gelombang datar yang didefinisikan dengan intensitas daya dan nilai panjang gelombang dari spektrum surya AM 1.5G yang diskrit dengan panjang gelombang yang bervariasi dari 290 hingga 900 nm (daerah pengabsorpansi tipikal GaAs) untuk memodelkan sinar matahari [33]. Penggenerasi optik total di bawah iluminasi AM 1.5G dapat dimodelkan dengan menumpangkan laju generasi optik tunggal panjang gelombang yang dibobot daya [20]. Laju generasi optik G_ph diperoleh dari vektor Poynting S:
di mana ħ adalah konstanta Planck yang dikurangi, ω adalah frekuensi sudut cahaya insiden, E adalah intensitas medan listrik pada setiap titik grid, dan ε″ adalah bagian imaginatif dari permitivitas. Monitor refleksi terletak di atas permukaan atas NWA, dan monitor transmisi terletak di permukaan bawah substrat untuk menghitung cahaya yang diserap. Jumlah daya yang ditransmisikan melalui monitor daya dinormalisasi ke daya sumber pada setiap panjang gelombang. Reflektansi R(λ) dan transmitansi T(λ) dihitung dengan persamaan berikut:
di mana P(λ) adalah vektor Poynting, dS adalah normal permukaan, dan P_in(λ) adalah daya sumber insiden pada setiap panjang gelombang. Spektrum pengabsorpansi A(λ) dari array NWA GaAs diberikan oleh persamaan berikut:
Untuk pemodelan listrik, profil generasi optik 3D digabungkan ke dalam mesh elemen hingga dari NW dalam alat listrik, yang menyelesaikan persamaan kontinuitas penurun yang terhubung dengan persamaan Poisson secara konsisten dalam 3D. Mobilitas yang bergantung pada dopan, penyempitan jarak energi, dan rekombinasi radiatif, Auger dan SRH dipertimbangkan dalam simulasi listrik perangkat. Parameter material kritis untuk simulasi perangkat sebagian besar diperoleh dari model Levinshtein [32], yang ditunjukkan dalam Tabel 1.
Hasil dan Pembahasan
Sel Surya Array Nanokon GaAs Pin Junction Axial
Gambar 2a–c menunjukkan pengabsorpansi, refleksi, dan transmitansi yang bergantung pada panjang gelombang dari array nanokon GaAs axial dengan berbagai sudut kemiringan. Dibandingkan dengan array NW silinder (θ = 0°), array nanokon menunjukkan refleksi yang lebih rendah di seluruh rentang panjang gelombang, dan fenomena ini menjadi lebih jelas dengan peningkatan sudut kemiringan. Kemampuan anti-refleksi array NW dapat dikaitkan dengan rasio pengisian rendah, yang mengurangi indeks refraksi efektif dan menawarkan kecocokan impedansi yang baik antara GaAs dan udara [7]. Untuk array nanokon dengan sudut kemiringan besar, rasio pengisian di atas array sangat rendah, yang mengakibatkan kecocokan impedansi yang hampir sempurna dengan udara dan hampir nol refleksi. Dalam rentang panjang gelombang pendek 300–700 nm, pengabsorpansi meningkat dengan peningkatan sudut kemiringan karena refleksi yang ditekan. Namun, pengabsorpansi cahaya panjang gelombang di dekat jarak energi GaAs menurun pada sudut kemiringan besar karena ujung atas nanokon yang sangat tipis yang tidak dapat mendukung mode optik. Gambar 2d menunjukkan integral terbobot AM 1.5G dari spektrum pengabsorpansi, refleksi, dan transmitansi untuk berbagai sudut kemiringan. Pada sudut kecil, pengabsorpansi meningkat dengan peningkatan sudut kemiringan karena refleksi yang berkurang. Ketika sudut kemiringan melebihi 3°, pengabsorpansi sedikit menurun. Ini kemungkinan disebabkan oleh jalur pengabsorpansi yang berkurang karena ujung atas nanokon yang sangat tipis tidak dapat mendukung mode panjang gelombang. Meskipun demikian, total pengabsorpansi nanokon pada berbagai sudut kemiringan (1~5°) memiliki perbedaan yang sangat kecil (dalam rentang 92~93,5%), yang menunjukkan bahwa sudut kemiringan memiliki pengaruh kecil pada total pengabsorpansi nanokon. Sebaliknya, sudut kemiringan diyakini memiliki dampak yang kuat pada pengabsorpansi di wilayah intrinsik, yang mendominasi efisiensi konversi fotoelektrik. Ini akan dibahas secara rinci di bagian berikutnya.
a Pengabsorpansi, b refleksi, dan c transmitansi dari array nanokon GaAs pin junction axial dengan D/P = 0,5 dan D = 0,18 μm. d Integral terbobot AM1.5G dari pengabsorpansi, refleksi, dan transmitansi dari array nanokon axial dengan berbagai sudut kemiringan
Profil generasi optik total dari array nanokon GaAs axial di bawah iluminasi AM 1.5G ditunjukkan dalam Gambar 3a. Terlihat bahwa pada θ = 0°, sebagian besar foton yang diserap berkonsentrasi di ujung atas NW silinder. Karena konsentrasi dopan tinggi dan kurangnya medan listrik bawaan untuk pemisahan pasangan elektron-lubang [34,35,36,37], rekombinasi fotokarrier di wilayah p atas sangat tinggi, yang mengakibatkan kehilangan cahaya insiden yang besar. Untuk array nanokon, posisi pengabsorpansi foton bergeser ke bawah dengan peningkatan sudut kemiringan, yang mengakibatkan peningkatan pengabsorpansi di wilayah i. Seperti yang telah dilaporkan, pengabsorpansi cahaya NW didominasi oleh mode resonansi, yang erat berkaitan dengan diameter NW [37]. Karena geometri unik nanokon, sedikit mode panjang gelombang yang dapat didukung di wilayah atas dengan diameter kecil. Ini didukung oleh Gambar 3b–g, yang menunjukkan profil generasi optik yang bergantung pada panjang gelombang dari nanokon dengan sudut kemiringan 0~5°. Terlihat bahwa dalam NW silinder, sebagian besar pengabsorpansi berkonsentrasi di wilayah atas untuk semua panjang gelombang. Namun, seiring peningkatan sudut kemiringan, mode optik, terutama mode panjang gelombang, bergeser ke bawah ke wilayah yang lebih tebal. Oleh karena itu, peningkatan sudut kemiringan tidak hanya mengakibatkan peningkatan pengabsorpansi di wilayah i tengah tetapi juga mengakibatkan pengurangan pengabsorpansi di wilayah atas. Ini dapat menjelaskan mengapa array nanokon dengan sudut kemiringan sedang 3° memiliki total pengabsorpansi yang tinggi seperti ditunjukkan dalam Gambar 3e, karena pengabsorpansi di kedua wilayah p atas dan wilayah intrinsik tengah relatif kuat pada sudut itu. Dipercaya bahwa geseran ke bawah pengabsorpansi memainkan peran penting dalam peningkatan performa perangkat karena ia tidak hanya menekan kehilangan pengabsorpansi di wilayah p atas tetapi juga meningkatkan pengabsorpansi di wilayah i tengah.
a Profil generasi optik total dari nanokon pin axial. b–g Profil generasi optik yang bergantung pada panjang gelombang dari array nanokon pada θ = 0~5°
Spektrum pengabsorpansi wilayah i ditampilkan dalam Gambar 4a. Dalam rentang panjang gelombang pendek, seiring penurunan diameter wilayah p dengan peningkatan sudut kemiringan, baik volume wilayah p maupun daya cahaya yang dapat dikonfining dalam nanokon berkurang, yang mengakibatkan pengabsorpansi yang tidak mencukupi di wilayah p dan pengabsorpansi tinggi di wilayah i. Dalam rentang panjang gelombang panjang, wilayah pengabsorpansi perluas ke wilayah n bawah dalam nanokon pada sudut kemiringan besar, yang mengakibatkan pengurangan pengabsorpansi di wilayah i. Gambar 4b menunjukkan integral spektrum pengabsorpansi di wilayah i. Pengabsorpansi setiap panjang gelombang dibobot dengan spektrum AM 1.5G. Terlihat bahwa pengabsorpansi di wilayah i secara dramatis meningkat dengan peningkatan sudut kemiringan, yang menunjukkan pengabsorpansi efektif yang ditingkatkan yang diharapkan dapat meningkatkan efisiensi konversi.
a Spektrum pengabsorpansi yang bergantung pada panjang gelombang dari wilayah i. b Integral terbobot AM1.5G dari spektrum pengabsorpansi dari wilayah i dalam a
Profil generasi foto kemudian digabungkan ke dalam alat listrik [35] untuk menyelidiki performa fotovoltaik sel surya array nanokon pin junction axial. Gambar 5a menunjukkan karakteristik arus-tegangan pada berbagai sudut kemiringan. Dibandingkan dengan array NW silinder, kepadatan arus pendek (J_sc) yang jauh lebih tinggi diperoleh dalam sel surya array nanokon. Pada θ = 5°, perangkat menghasilkan J_sc sebesar 30,1 mA/cm² (7,3 mA/cm² lebih tinggi dari silinder) dan V_oc sebesar 0,885 V, yang menghasilkan efisiensi konversi fotoelektrik (η) sebesar 20,1 % (4,8 % lebih tinggi dari silinder). Gambar 5b memplot ketergantungan efisiensi konversi pada sudut kemiringan. Seiring peningkatan sudut kemiringan dari 0 hingga 5°, efisiensi konversi monoton meningkat dari 15,3 menjadi 20,1 %. Seperti yang disebutkan sebelumnya, pengabsorpansi seluruh array nanokon memenuhi pada θ = 2°, yang menunjukkan bahwa peningkatan efisiensi pada sudut kemiringan besar tidak disebabkan oleh peningkatan pengabsorpansi seluruh array nanokon. Sebaliknya, tren efisiensi konversi sangat sesuai dengan pengabsorpansi di wilayah i yang ditunjukkan dalam Gambar 4b, yang menunjukkan bahwa efisiensi konversi didominasi oleh pengabsorpansi optik efektif di wilayah i.
a Kurva arus-tegangan dari sel surya array nanokon pin junction p(i)n axial dengan berbagai sudut kemiringan. b Efisiensi konversi fotoelektrik dari sel surya array nanokon pin junction p(i)n axial dengan berbagai sudut kemiringan
Sel Surya Array Nanokon GaAs Pin Junction Radial
Model array nanokon GaAs pin junction radial ditunjukkan dalam Gambar 6, yang terdiri dari nanokon GaAs pin radial periodik dengan diameter D = 360 nm, periode P = 720 nm, dan panjang L = 2 μm. Ketebalan wilayah i adalah 10 nm, dan jari-jari inti sama dengan ketebalan cangkang. Konsentrasi dopan dari inti n-tipe dan cangkang p-tipe diatur sama dengan nanokon axial. Sudut kemiringan diubah dari 0 hingga 10° dengan mengubah diameter bawah dan atas sambil mempertahankan diameter rata-rata konstan.
Pengabsorpansi, refleksi, dan transmitansi yang bergantung pada panjang gelombang dari array nanokon GaAs radial dengan berbagai sudut kemiringan ditunjukkan dalam Gambar 7a–c. Mirip dengan struktur axial, nanokon radial menunjukkan refleksi yang lebih rendah di seluruh rentang panjang gelombang dibandingkan dengan NW silinder radial (θ = 0°), dan fenomena ini menjadi lebih jelas dengan peningkatan sudut kemiringan. Dalam Gambar 7a, terlihat bahwa dalam rentang panjang gelombang pendek 300–700 nm, pengabsorpansi meningkat dengan peningkatan sudut kemiringan karena refleksi yang ditekan. Sementara pada sudut kemiringan besar, ujung atas nanokon terlalu tipis untuk mendukung mode panjang gelombang, yang mengakibatkan penurunan pengabsorpansi. Gambar 7d menunjukkan integral terbobot AM 1.5G dari spektrum pengabsorpansi, refleksi, dan transmitansi untuk berbagai sudut kemiringan. Terlihat bahwa seiring peningkatan sudut kemiringan, pengabsorpansi menunjukkan tren naik secara keseluruhan dengan fluktuasi ringan, yang menunjukkan properti pengabsorpansi yang baik untuk struktur nanokon.
a Pengabsorpansi, b refleksi, dan c transmitansi dari array nanokon GaAs pin junction radial dengan D/P = 0,5 dan D = 0,36 μm. d Integral terbobot AM1.5G dari pengabsorpansi, refleksi, dan transmitansi dari array nanokon radial dengan berbagai sudut kemiringan
Gambar 8 menunjukkan profil generasi optik total dari array nanokon GaAs radial di bawah iluminasi AM 1.5G. Mirip dengan array axial, sebagian besar foton berkonsentrasi di ujung atas NW silinder. Seiring peningkatan gradual sudut kemiringan, pengabsorpansi bergeser ke bawah. Karena tabung wilayah i di junction radial menembus seluruh NW, geseran ke bawah pengabsorpansi tidak langsung mengarah pada peningkatan pengabsorpansi seperti pada junction pin axial. Namun, bersama dengan geseran ke bawah pengabsorpansi, panjang pengabsorpansi juga perluas, yang mengakibatkan overlap yang ditingkatkan antara pengabsorpansi cahaya dan wilayah i. Oleh karena itu, pengabsorpansi efektif juga diyakini ditingkatkan.
Profil generasi optik dari array nanokon pin radial dengan berbagai sudut kemiringan
Karakteristik arus-tegangan sel surya nanokon radial ditunjukkan dalam Gambar 9a. Dibandingkan dengan sel surya array NW silinder, J_sc yang jauh lebih tinggi dicapai dalam sel surya array nanokon. Pada θ ≥ 6°, semua J_sc melebihi 25 mA/cm², sedangkan J_sc adalah 17,4 mA/cm² pada θ = 0°. Gambar 9(b) menunjukkan ketergantungan efisiensi konversi pada sudut kemiringan. Pada sudut kemiringan kecil, efisiensi monoton meningkat dengan sudut kemiringan dan mencapai nilai maksimum 17,4 % pada θ = 6°, 6,4 % lebih tinggi dari mitra silinder. Ketika sudut lebih meningkat, efisiensi memenuhi dan bahkan sedikit menurun. Ini kemungkinan disebabkan oleh persaingan antara pengabsorpansi wilayah atas dan i tengah. Pada sudut kemiringan besar, ujung atas nanokon terlalu tipis untuk mendukung mode panjang gelombang. Meskipun pengabsorpansi bagian wilayah i tengah meningkat karena geseran ke bawah pengabsorpansi, pengabsorpansi di bagian wilayah i atas berkurang, yang mengimbangi peningkatan pengabsorpansi di wilayah i tengah.
a Kurva arus-tegangan dari sel surya array nanokon pin junction radial dengan berbagai sudut kemiringan. b Ketergantungan efisiensi konversi pada sudut kemiringan
Kesimpulan
Ringkasnya, kami telah mempelajari performa fotovoltaik sel surya array nanokon GaAs pin junction axial dan radial dengan simulasi optoelektronik 3D yang terhubung. Hasilnya menunjukkan bahwa pengabsorpansi dalam array nanokon bergeser ke bawah karena penyusutan diameter ujung atas, yang secara dramatis menekan kehilangan pengabsorpansi di wilayah atas yang tinggi dopan dan meningkatkan pengabsorpansi di wilayah depleksi. Efisiensi konversi tertinggi untuk sel surya nanokon GaAs axial dan radial masing-masing 20,1 % dan 17,4 %, diperoleh pada sudut kemiringan 5° dan 6°, keduanya jauh lebih tinggi daripada nanowire silinder mitra mereka. Struktur nanokon adalah kandidat yang menjanjikan untuk sel surya berdaya tinggi.
