Peningkatan Penyerapan Optik dalam Sel Surya Tandem Perovskite/Si dengan Array Lubang Nano
Abstrak
Sel surya perovskite digunakan dalam sel surya tandem berbasis silikon karena celah pita yang dapat disetel, koefisien penyerapan yang tinggi, dan biaya persiapan yang rendah. Namun, indeks bias optik yang relatif besar dari silikon bawah, dibandingkan dengan lapisan penyerap perovskit atas, menghasilkan kerugian refleksi yang signifikan pada perangkat dua terminal. Oleh karena itu, manajemen cahaya sangat penting untuk meningkatkan penyerapan arus foto di sel bawah Si. Dalam makalah ini, array lubang nano diisi dengan TiO2 diperkenalkan ke dalam desain sel bawah. Dengan metode domain waktu perbedaan hingga, efisiensi penyerapan dan kerapatan arus foto dalam kisaran 300-1100 nm telah dianalisis, dan parameter struktural juga telah dioptimalkan. Perhitungan kami menunjukkan kerapatan arus foto yang cenderung jenuh dengan peningkatan ketinggian lubang nano. Mode peningkatan penyerapan foton pada panjang gelombang yang berbeda telah dianalisis secara intuitif oleh distribusi medan listrik. Hasil ini memungkinkan rute yang layak dan nyaman menuju desain efisiensi tinggi sel surya tandem perovskit/Si.
Pengantar
Energi surya adalah jenis energi terbarukan dan bersih, yang sangat penting bagi pembangunan berkelanjutan umat manusia. Efisiensi konversi fotolistrik dan biaya persiapan adalah rasio utama yang menentukan aplikasi industri sel surya, yang secara langsung mengubah energi cahaya menjadi listrik. Saat ini, sel surya berbasis silikon adalah arus utama sel surya, menyumbang 90% dari pasar fotovoltaik global. Efisiensi sel surya berbasis silikon telah mencapai 25,6%, mendekati batas efisiensi Shockley-Queisser (33,7%), tetapi biaya pembuatannya tetap tinggi [1, 2]. Pengembangan sel surya berbasis silikon perlu mengurangi biaya produksi dan meningkatkan efisiensi sel.
Karena distribusi energi spektrum matahari yang luas, bahan semikonduktor apa pun hanya dapat menyerap foton yang nilai energinya lebih lebar dari lebar celah pitanya. Oleh karena itu, pendekatan yang terbukti untuk memanfaatkan spektrum matahari dengan lebih baik adalah dengan membentuk sel surya tandem dual-junction [3, 4]. Pada prinsipnya, sel surya Si-tandem mampu secara selektif menyerap bagian spektrum matahari yang berbeda dan melampaui Shockley–Queisser sambungan tunggal. Batas teoritis efisiensi sel surya tandem silikon dua sambungan yang ideal telah dilaporkan hingga 46% [5,6,7].
Sel surya perovskite memiliki potensi fotovoltaik yang besar, dan kinerjanya telah meningkat secara signifikan hanya dalam beberapa tahun. Efisiensi konversi fotolistrik adalah 3,7% pada tahun 2009, dan efisiensinya telah mencapai 25,2% hingga saat ini [8,9,10]. Perovskite juga dianggap sebagai bahan penyerap cahaya yang paling menjanjikan untuk generasi sel surya berbiaya rendah berikutnya. Jika lebar celah pita perovskit adalah 1,55 eV, ia dapat menyerap foton dengan panjang gelombang kurang dari 800 nm, sedangkan silikon dengan celah pita 1,12 eV dapat menyerap foton dengan panjang gelombang lebih besar dari 800 nm dalam spektrum matahari. Ketika keduanya membentuk sel tandem dari atas ke bawah, spektrum penyerapannya saling melengkapi, yang sangat meningkatkan pemanfaatan spektrum matahari dan mengurangi biaya preparasi [11,12,13,14].
Di antara semua jenis sel surya tandem perovskit/silikon, tandem monolitik dua terminal memiliki potensi terbesar karena dapat dibuat dengan mendepositkan film perovskit secara langsung ke sel dasar silikon untuk mendapatkan yang terintegrasi. Bush dkk. mencapai efisiensi 23,6% pada sel bawah SHJ emitor belakang dengan sel atas perovskit p-i-n dengan Eg = 1.63ev sejak pengurangan penyerapan parasit di lapisan selektif elektron depan. Selain itu, Oxford PV mencapai efisiensi konversi daya sebesar 28% pada tahun 2018, yang selanjutnya memvalidasi bahwa tandem perovskit/silikon memiliki potensi besar untuk merevolusi teknologi sel surya [15,16,17]. Namun, dibandingkan dengan sel surya berbasis silikon, yang dapat mencapai 85% dari batas efisiensi, sel tandem berbasis perovskit/silikon masih memiliki banyak ruang untuk peningkatan efisiensi. Sebagian besar studi tentang sel tandem perovskit/silikon berfokus pada desain sel atas dan persimpangan terowongan, sedangkan sel bawah sebagian besar mengadopsi permukaan bertekstur atau SiNx lapisan untuk meningkatkan penyerapan optik [18, 19]. Perlu dicatat bahwa cara yang efektif untuk meningkatkan penyerapan selektif adalah dengan menggabungkan cahaya datang ke mode gelombang-panduan [20]. Untuk tujuan di atas, kami memperkenalkan susunan lubang nano ke dalam desain subsel bawah. Pada saat yang sama, dibandingkan dengan permukaan bertekstur normal, permukaan susunan lubang nano silikon lebih halus, yang lebih kondusif untuk pencocokan arus antara sel atas dan bawah [21, 22].
Metode
Dalam surat ini, kami mempelajari secara numerik sifat penyerapan cahaya dari perangkat tandem perovskit/silikon dengan susunan lubang nano silikon sebagai sel dasar dengan menggunakan metode domain waktu perbedaan hingga (FDTD). Gambar 1 dan 2 masing-masing menunjukkan skema sel tandem perovskit/silikon berstruktur lubang nano yang diusulkan dan tampilan samping periode individu.
Skema sel tandem perovskit/silikon berstruktur lubang nano yang digunakan dalam model
a Skema susunan lubang nano yang digunakan dalam model. b Tampilan samping 2D dari periode individual
Dalam model kami, susunan lubang nano diisi dengan TiO2 sebagai lapisan terowongan antara dua persimpangan. Untuk memfokuskan studi pada sifat optik subsel berstruktur nano, ketebalan ITO, Spiro-OMeTAD, CH3 NH3 PbI3 , SiO2 dan TiO2 ditetapkan masing-masing sebagai 50 nm, 10 nm, 300 nm, 20 nm, 40 nm. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2, larik dapat dicirikan oleh periodisitas (P ), diameter lubang nano (D ), ketinggian lubang nano (h ) dan tinggi total substrat silikon (H ). Rasio pengisian didefinisikan sebagai \(\eta =D/P\). Tinggi total substrat silikon H ditetapkan sebagai 1 μm. Selain itu, konstanta optik Silicon dan bahan lain yang digunakan dalam desain sel berasal dari penelitian F Miha [23]. Kondisi batas periodik diadopsi dalam arah x dan y dan diterapkan kondisi batas lapisan yang sangat cocok dalam arah z. Sumber cahaya dianggap sebagai sumber gelombang planar yang berkisar antara 300 hingga 1100 nm, tegak lurus dengan susunan lubang nano di sepanjang z arah.
Sebuah monitor planar di atas permukaan sel atas diterapkan untuk mendaftarkan reflektansi (R ), dan monitor kedua di bagian bawah substrat silikon merekam transmitansi (T ); penyerapan (A ) tandem perovskit/silikon ditentukan oleh \(A(\lambda ) =1 - R(\lambda ) - T(\lambda )\). Kinerja penyerapan akan dievaluasi oleh rapat arus hubung singkat \(J_{{{\text{sc}}}}\), yang didefinisikan sebagai [14]:
di mana \(\Phi (\lambda )\) adalah spektrum kerapatan energi matahari AM1.5G, e adalah muatan dasar, h adalah konstanta Planck dan c adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Perhitungan diasumsikan bahwa semua pembawa foto yang dihasilkan dikumpulkan oleh elektroda karena panjang difusi pembawa minoritas cukup panjang di CH3 NH3 PbI3 dan silikon kristal.
Hasil dan diskusi
Untuk tujuan mengklarifikasi peran yang dimainkan oleh susunan lubang nano pada penyerapan cahaya di sel surya tandem dan untuk memandu desain sifat optik yang tepat, kami telah menghitung kurva penyerapan susunan lubang nano di bawah rasio pengisian yang berbeda. Dalam proses simulasi percobaan, CH 300-nm3 NH3 PbI3 lapisan dan substrat silikon 1-μm diterapkan untuk menangkap foton. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a, b, ketinggian lubang nano bawah tetap pada angka 600 nm terhadap periode waktu yang berbeda, masing-masing. Dengan meningkatnya nilai rasio pengisian dari 0,1 menjadi 0,9, kurva penyerapan dapat dibagi menjadi tiga bagian. Pada awalnya, penyerapan menunjukkan kinerja yang menurun dalam rentang panjang gelombang pendek 300–600 nm. Kemudian, penyerapan lapisan perovskit diamati untuk membentuk penurunan pada kisaran 600-850 nm, sedangkan resonansi, sebaliknya, mencapai puncaknya pada titik awal 600 nm. Bagian ketiga berada dalam kisaran 850-1100 nm, dan mengandung tiga puncak resonansi serapan secara total. Mengingat keterbatasan dominasi lapisan perovskit terhadap serapan panjang gelombang dapat mencapai hingga 850 nm, nilai tersebut juga dapat dianggap sebagai panjang gelombang ambang CH3 NH3 PbI3 dalam model kami.
Karakterisasi optik sel surya tandem dengan susunan lubang nano. a Spektrum penyerapan versus rasio pengisian pada P . tetap = 400 nm dan h = 600 nm. b Spektrum penyerapan versus rasio pengisian pada P . tetap = 500 nm dan h = 600 nm. c Kepadatan arus foto versus rasio pengisian pada periode yang berbeda. d Meningkatkan kerapatan arus foto versus rasio pengisian di bawah kondisi P = 500 nm
Dari Gambar 3c, terlihat bahwa rapat arus foto dan menunjukkan korelasi positif, yang berarti akan meningkat dengan bertambahnya . Sedangkan untuk parameter periode tetap, kenaikan rapat arus pertama-tama tampak dalam tahap dengan pertumbuhan yang cepat, dan \(J_{i}\) secara bertahap memasuki kisaran saturasi di mana rasio pengisian lebih besar dari 0,5 karena distribusi panjang gelombang panjang dan pendek yang tidak merata di AM1.5G. Dengan meningkatnya nilai rasio pengisian, efisiensi penyerapan substrat silikon juga meningkat; Namun, bahan silikon tampaknya menurun dalam satu periode. Oleh karena itu, rasio pengisian susunan lubang nano silikon harus hadir menjadi nilai yang optimal. Puncak serapan resonansi mencapai nilai mendekati 1000 nm dalam spektrum, dan puncak dapat dianggap sebagai pencapaian maksimum ketika periode 500 nm dibandingkan dengan dua kondisi lainnya. Gambar 3d menunjukkan kurva densitas arus foto meningkat seiring dengan meningkatnya rasio pengisian di bawah kondisi saat P = 500 nm. Selanjutnya, garis merah dapat diperoleh melalui polinomial fitting. Dapat disimpulkan bahwa ketika rasio pengisian mencapai tepat 0,5, titik belok akan muncul dalam pertumbuhan kerapatan arus foto.
Sesuai dengan analisis di atas, parameter penyerapan yang dioptimalkan dari sel tandem berdasarkan susunan lubang nano dapat ditemukan pada periode 500 nm dan rasio pengisian tepat pada angka 0,5. Untuk lebih memperjelas mekanisme emisi penyerapan cahaya, spektrum serapan terhadap ketinggian lubang nano yang berbeda dibandingkan dibandingkan dalam kondisi yang disebutkan. Gambar 3a, b menunjukkan perubahan tren variasi serapan spektral dan rapat arus foto seiring dengan meningkatnya ketinggian lubang nano. Dapat diringkas bahwa puncak absorpsi pada panjang gelombang 1000 nm menunjukkan ketergantungan yang tinggi dengan ketinggian lubang nano, sedangkan ketergantungan dua puncak absorpsi lainnya yang ditunjukkan pada Gambar 4b pada ketinggian lubang nano sangat lemah. Hasil tersebut menunjukkan bahwa resonansi Mie mendominasi eksitasi. Dari Gbr. 4c, d, peningkatan densitas arus yang signifikan dapat diamati naik dari 14,53 menjadi 15,68 mA/cm
2
bila kedalamannya kurang dari 300 nm, dan bila nilai h lebih besar dari 300 nm, nilainya akan mencapai angka yang hampir jenuh. Ketergantungan yang lemah seperti itu pada ketinggian lubang nano mungkin berguna dalam hal desain serta pembuatan susunan lubang nano dalam praktiknya.
Karakterisasi optik sel surya tandem dengan susunan lubang nano. a Spektrum serapan versus tinggi pada P fixed tetap = 500 nm dan η =0,5. b Tampilan spektrum serapan yang diperbesar berkisar antara 800 hingga 1100 nm. c Kepadatan arus versus tinggi pada P fixed tetap = 500 nm dan η = 0,5
Sebagai prinsip umum, ketika gelombang cahaya masuk ke struktur antarmuka sel surya tandem, efek hamburan dan emisi akan muncul. Hamburan gelombang cahaya yang disebabkan oleh struktur susunan lubang nano akan memperpanjang jalur propagasi foton. Untuk menganalisis lebih lanjut penyerapan cahaya sel surya tandem perovskit/Si dengan susunan lubang nano, eksperimen simulasi memilih distribusi intensitas medan listrik penampang \((|E|^{2} )\) pada 500 nm, 600 nm , panjang gelombang 700 nm, 800 nm, 900 nm, dan 1000 nm, sedangkan tingginya dirancang untuk ditetapkan karena nilai h tetap pada 900 nm, yang juga ditunjukkan pada Gambar 5. Profil spasial absorpsi optik per satuan volume di x –z plane dapat dibagi menjadi tiga bagian, yaitu perovskite, nanoholes array, dan silicon substrat. Di bagian susunan lubang nano, silikon terstruktur diberi spasi dengan TiO2 lubang nano terisi, yang ditandai dengan garis putus-putus pada Gambar. 5a.
Distribusi intensitas medan listrik sel surya tandem pada ketinggian tetap 900 nm a panjang gelombang pada 500 nm, b panjang gelombang pada 600 nm, c panjang gelombang pada 700 nm, d panjang gelombang pada 800 nm, e panjang gelombang pada 900 nm, dan f panjang gelombang pada 1000 nm
Gambar 5a, b menunjukkan bahwa sel teratas dapat mendominasi penyerapan panjang gelombang pendek (< 600 nm); namun, efek anti-pantulan yang dihasilkan oleh susunan lubang nano di bawah panjang gelombang 600 nm tampaknya lebih menonjol dibandingkan di bawah panjang gelombang 500 nm. Namun, karena koefisien penyerapan silikon yang lebih rendah, penyerapannya pada panjang gelombang tengah (500–600 nm) lebih rendah daripada struktur bidang. Berkat keberadaan lubang nano periodik, efek interferensi yang jelas pada lapisan perovskit atas juga dapat diamati, yang berarti, pantulan cahaya pada 700 nm dan 800 nm dapat kembali ke sel atas dan meningkatkan penyerapannya.
Asalkan perovskit memiliki tepi penyerap yang tajam pada 850 nm, dan kemudian, panjang gelombang pada 900 nm dan 1000 nm akan ditransmisikan ke dan terutama akan diserap oleh sel-sel bawah, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5e, f. Dengan isian TiO2 dalam susunan lubang nano silikon, perbedaan distribusi periodik indeks bias mengarah ke sel bawah dimaksudkan untuk mendukung mode konduksi yang terletak di medan elektromagnetik di dekat tandem, dan penyambungan cahaya insiden dengan mode konduksi ini mengarah pada peningkatan mencolok dalam penyerapan. Untuk mengilustrasikan kelayakan pendekatan ini, empat kasus berbeda disimulasikan untuk melakukan analisis di bawah ketinggian susunan lubang nano yang berbeda. Semua serapan ini memiliki parameter larik lubang nano yang sama seperti = 0.5 dan P = 500 nm, dan cahaya panjang gelombang datangnya ditetapkan pada 900 nm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6. Interaksi interaksi mode terpandu yang didukung ditingkatkan secara signifikan sepanjang dengan meningkatnya ketinggian lubang nano.
Distribusi intensitas medan listrik pada 900 nm sel surya tandem dengan susunan lubang nano versus ketinggian ah = 100 nm, bh = 300 nm, ch = 600 nm, dh = 900 nm
Kesimpulan
Singkatnya, artikel ini mempelajari kombinasi sel surya tandem perovskit/silikon dengan susunan lubang nano sebagai cara praktis perangkat untuk mencapai perangkat tandem efisiensi tinggi. Kami telah menemukan bahwa jika satu set array lubang nano yang dioptimalkan η = 0,5 dan P = 500 nm meningkat dari nilai 14,53 mA/cm
2
hingga 15,68 mA/cm
2
ketika kedalaman larik kurang dari 300 nm, perangkat tersebut dapat berfungsi sebagai premis untuk efisiensi tinggi. Kemudian melalui pengenalan array lubang nano yang diisi dengan TiO2 , kami telah membuktikan lebih lanjut bahwa mode penyerapan cahaya sel tandem akan berubah menjadi mode campuran dengan berbagai mode penyerapan cahaya. Pengurangan selektif dalam panjang gelombang pendek menyebabkan penurunan penyerapan foton panjang gelombang pendek; namun, interferensi yang menghasilkan perangkap cahaya di sel atas dan perangkap cahaya yang dipandu indeks di sel bawah dapat berfungsi secara signifikan meningkatkan penyerapan selektif tandem. Hasil eksperimen di atas membuktikan bahwa ini adalah cara yang menjanjikan untuk meningkatkan penyerapan sel surya tandem perovskit/silikon.
Ketersediaan Data dan Materi
Kesimpulan yang dibuat dalam naskah ini didasarkan pada data (teks utama dan gambar) yang disajikan dan ditampilkan dalam makalah ini.
