Meningkatkan Penangkapan Cahaya pada Sel Surya Tandem Perovskit-Silicon dengan Array Nanolubang

Abstrak

Sel surya perovskit digunakan dalam sel surya tandem berbasis silicon karena jarak band yang dapat disesuaikan, koefisien serapan yang tinggi, dan biaya persiapan rendah. Namun, indeks refraksi optik yang relatif besar dari silicon bawah, dibandingkan dengan lapisan penyerap perovskit atas, menghasilkan kerugian refleksi yang signifikan pada perangkat dua terminal. Oleh karena itu, pengelolaan cahaya sangat penting untuk meningkatkan serapan arus foto dalam sel si bottom cell. Dalam makalah ini, array nanolubang yang diisi TiO₂ diperkenalkan dalam desain bottom cell. Dengan metode finite-difference time-domain, efisiensi serapan dan kepadatan arus foto dalam rentang 300–1100 nm telah dianalisis, dan parameter struktural juga telah dioptimalkan. Perhitungan kami menunjukkan kepadatan arus foto yang cenderung saturated dengan peningkatan tinggi nanolubang. Mode peningkatan serapan foton pada panjang gelombang berbeda telah dianalisis secara intuitif oleh distribusi medan listrik. Hasil ini memungkinkan jalur yang viable dan nyaman menuju desain sel surya tandem perovskit/Si berdaya tinggi.

Pendahuluan

Energi surya adalah jenis energi terbarukan dan bersih yang sangat penting untuk pembangunan berkelanjutan manusia. Efisiensi konversi fotoelektrik dan biaya persiapan adalah rasio kunci yang menentukan aplikasi industri sel surya, yang secara langsung mengubah energi cahaya menjadi listrik. Saat ini, sel surya berbasis silicon adalah aliran utama sel surya, menanggung 90% pasar fotovoltaik global. Efisiensi sel surya berbasis silicon telah mencapai 25,6%, mendekati efisiensi limit Shockley–Queisser (33,7%), namun biaya pembuatan masih tinggi [1, 2]. Pengembangan sel surya berbasis silicon perlu mengurangi biaya pembuatan dan meningkatkan efisiensi sel.

Karena distribusi energi yang luas dari spektrum surya, materi semiconductor apa pun hanya dapat menyerap foton yang nilainya energi lebih lebar dari lebar jarak bandnya. Oleh karena itu, pendekatan yang terbukti untuk memanfaatkan spektrum surya dengan lebih baik adalah membentuk sel surya tandem dual-junction [3, 4]. Dalam prinsipnya, sel surya tandem Si mampu menyerap secara selektif bagian yang berbeda dari spektrum surya dan melebihi limit Shockley–Queisser single-junction. Efisiensi limit teoretis sel surya tandem ideal dua-junction silicon telah dilaporkan hingga 46% [5,6,7].

Sel surya perovskit memiliki potensi fotovoltaik yang besar, dan performanya telah ditingkatkan secara signifikan dalam waktu hanya beberapa tahun. Efisiensi konversi fotoelektrik adalah 3,7% pada tahun 2009, dan efisiensi telah mencapai 25,2% hingga saat ini [8,9,10]. Perovskit juga dianggap sebagai bahan penyerab cahaya paling menjanjikan untuk sel surya generasi berikutnya dengan biaya rendah. Ketika lebar jarak band perovskit adalah 1,55 eV, ia dapat menyerap foton dengan panjang gelombang kurang dari 800 nm, sementara silicon dengan jarak band 1,12 eV dapat menyerap foton dengan panjang gelombang lebih dari 800 nm dalam spektrum surya. Ketika keduanya membentuk sel tandem dari atas ke bawah, spektrum serapan mereka saling melengkapi, yang sangat meningkatkan pemanfaatan spektrum surya dan mengurangi biaya persiapan [11,12,13,14].

Di antara semua jenis sel surya tandem perovskit/silicon, tandem monolitik dua terminal memiliki potensi terbesar karena dapat dibuat dengan langsung menempatkan film perovskit pada sel si bottom cell untuk mendapatkan yang terintegrasi. Bush et al. mencapai efisiensi 23,6% pada sel bottom SHV rear emitter dengan sel atas p-i-n perovskit dengan E_g = 1,63ev karena pengurangan serapan parasit dalam lapisan selektif elektron depan. Selain itu, Oxford PV mencapai efisiensi konversi daya 28% pada tahun 2018, yang lebih memvalidasi bahwa tandem perovskit/silicon memiliki potensi besar untuk merevolusi teknologi sel surya [15,16,17]. Namun, dibandingkan dengan sel surya berbasis silicon yang dapat mencapai 85% dari efisiensi limit, sel surya tandem berbasis perovskit/silicon masih memiliki banyak ruang untuk peningkatan efisiensi. Sebagian besar studi pada sel surya tandem perovskit/silicon berfokus pada desain sel atas dan juntal tunneling, sementara sel bottom sebagian besar menggunakan permukaan tekstur atau lapisan SiN_x untuk meningkatkan serapan optik [18, 19]. Hal yang perlu dicatat adalah cara efektif untuk meningkatkan serapan selektif adalah dengan memasukkan cahaya insiden ke dalam mode gelombang terpandu [20]. Untuk tujuan di atas, kami memperkenalkan array nanolubang ke dalam desain sub-sel bawah. Pada saat yang sama, dibandingkan dengan permukaan tekstur biasa, permukaan array nanolubang silicon lebih halus, yang lebih menguntungkan untuk pencocokan arus antara sel atas dan sel bawah [21, 22].

Metode

Dalam surat ini, kami secara numerik mempelajari properti serapan cahaya perangkat tandem perovskit/silicon dengan array nanolubang silicon sebagai bottom cell dengan menggunakan metode finite-difference time-domain (FDTD). Gambar 1 dan 2 menunjukkan skema sel tandem perovskit/silicon dengan struktur nanolubang yang diusulkan dan tampilan samping dari satu periode, masing-masing.

Dalam model kami, array nanolubang diisi dengan TiO₂ sebagai lapisan tunneling antara dua juntal. Untuk memfokus studi pada properti optik sub-sel nano-struktur, ketebalan ITO, Spiro-OMeTAD, CH₃NH₃PbI₃, SiO₂, dan TiO₂ tetap ditetapkan sebesar 50 nm, 10 nm, 300 nm, 20 nm, 40 nm, masing-masing. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2, array dapat dikarakterisir oleh periodisitas (P), diameter nanolubang (D), tinggi nanolubang (h), dan total tinggi substrat silicon (H). Rasio pengisian didefinisikan sebagai \(\eta = D/P\). Total tinggi substrat silicon H tetap ditetapkan sebesar 1 μm. Selain itu, konstanta optik Silicon dan bahan lain yang digunakan dalam desain sel berasal dari penelitian F Miha’s [23]. Kondisi batas periodik diadopsi di arah x dan y dan kondisi batas lapisan cocok sempurna diterapkan di arah z. Sumber cahaya diasumsikan sebagai sumber gelombang datar yang berkisar dari 300 hingga 1100 nm, tegak lurus terhadap array nanolubang sepanjang arah z.

Monitor datar di atas permukaan sel atas diterapkan untuk mencatat refleksi (R), dan monitor kedua di bawah substrat silicon mencatat transmisi (T); serapan (A) dari tandem perovskit/silicon ditentukan oleh \(A(\lambda ) = 1 - R(\lambda ) - T(\lambda )\). Performa serapan akan dievaluasi oleh kepadatan arus foto pendek \(J_{{{\text{sc}}}}\), yang didefinisikan sebagai [14]:

$$J_{{{\text{sc}}}} = \frac{e}{hc}\int_{{\lambda_{{\min}} }}^{{\lambda_{{\max}} }} {\lambda A(\lambda )\Phi (\lambda ){\text{d}}_{\lambda } }$$ (1)

di mana \(\Phi (\lambda )\) adalah spektrum densitas energi surya AM1.5G, e adalah muatan elementer, h adalah konstanta Planck dan c adalah kecepatan cahaya dalam vakum. Perhitungan diasumsikan bahwa semua pemuatan foto dikumpulkan oleh elektroda karena panjang difusi pemegang minor cukup panjang dalam CH₃NH₃PbI₃ dan kristal silicon.

Hasil dan Pembahasan

Untuk tujuan mengklarifikasi peran array nanolubang pada serapan cahaya dalam sel surya tandem dan untuk memandu desain properti optik dengan baik, kami telah menghitung kurva serapan array nanolubang di bawah berbagai rasio pengisian. Dalam proses simulasi eksperimen, lapisan CH₃NH₃PbI₃ 300 nm dan substrat silicon 1 μm diterapkan untuk menangkap foton. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3a, b, tinggi nanolubang bawah tetap pada angka 600 nm terhadap periode yang berbeda, masing-masing. Seiring bertambahnya nilai rasio pengisian dari 0,1 hingga 0,9, kurva serapan dapat dibagi menjadi tiga bagian. Pada awalnya, serapan menunjukkan penurunan performa pada rentang panjang gelombang pendek 300–600 nm. Kemudian, serapan lapisan perovskit diamati menurun pada rentang 600–850 nm, sementara resonansi, sebaliknya, mencapai puncak pada titik awalnya 600 nm. Bagian ketiga jatuh pada rentang 850–1100 nm, dan itu berisi tiga puncak resonansi serapan secara keseluruhan. Mempertimbangkan batasan dominansi lapisan perovskit atas serapan panjang gelombang yang dapat mencapai hingga 850 nm, nilai itu juga dapat dianggap sebagai panjang gelombang ambang CH₃NH₃PbI₃ dalam model kami.

Dari Gambar 3c, terlihat bahwa kepadatan arus foto dan \(\eta\) menunjukkan korelasi positif, yang berarti akan meningkat seiring bertambahnya \(\eta\). Seperti untuk parameter periode tetap, peningkatan kepadatan arus pertama kali muncul dalam tahap pertumbuhan cepat, dan \(J_{i}\) secara bertahap memasuki rentang terpuaskan di mana rasio pengisian lebih besar dari 0,5 karena distribusi yang tidak merata panjang dan pendek panjang gelombang dalam AM1.5G. Seiring bertambahnya nilai rasio pengisian, efisiensi serapan substrat silicon juga meningkat sesuai dengan itu; namun, materi silicon tampak berkurang dalam satu periode. Oleh karena itu, rasio pengisian array nanolubang silicon harus menunjukkan nilai optimal. Puncak resonansi serapan mencapai nilai mendekati 1000 nm dalam spektrum, dan puncak ini dapat dianggap sebagai mencapai maksimumnya ketika periode adalah 500 nm dibandingkan dengan kondisi dua lainnya. Gambar 3d menunjukkan kurva kepadatan arus foto meningkat seiring bertambahnya rasio pengisian pada kondisi ketika P = 500 nm. Selain itu, garis merah dapat diperoleh melalui pemakaian polinomial. Dapat disimpulkan bahwa ketika rasio pengisian mencapai tepat 0,5, titik infleksi akan muncul dalam pertumbuhan kepadatan arus foto.

Sesuai dengan analisis di atas, parameter serapan teroptimasi sel tandem berdasarkan array nanolubang ditemukan pada periode 500 nm dan rasio pengisian tepat 0,5. Untuk menjelaskan mekanisme emisi serapan cahaya lebih lanjut, spektrum serapan terhadap berbagai tinggi nanolubang dibandingkan dalam kondisi yang disebutkan. Gambar 3a, b menunjukkan perubahan tren variasi serapan spektral dan kepadatan arus foto seiring bertambahnya tinggi nanolubang, masing-masing. Dapat diringkas bahwa puncak serapan pada panjang gelombang 1000 nm menunjukkan ketergantungan tinggi pada tinggi nanolubang, sementara ketergantungan dari dua puncak serapan lainnya yang ditunjukkan dalam Gambar 4b pada tinggi nanolubang sangat lemah. Hasil ini menunjukkan bahwa resonansi Mie mendominasi eksitasi. Dari Gambar 4c, d, peningkatan kepadatan arus yang signifikan dapat diamati naik dari 14,53 hingga 15,68 mA/cm² ketika kedalaman kurang dari 300 nm, dan ketika nilai h lebih besar dari 300 nm, nilai akan mencapai angka yang hampir terpuaskan. Ketergantungan lemah ini pada tinggi nanolubang mungkin berguna dalam hal desain serta manufaktur array nanolubang dalam praktik.

Sebagai prinsip umum, ketika gelombang cahaya masuk ke struktur antarmuka sel surya tandem, efek penyebaran dan emisi akan muncul. Penyebaran gelombang cahaya yang disebabkan oleh struktur array nanolubang akan memperpanjang jalur propagasi foton. Untuk menganalisis lebih lanjut serapan cahaya sel surya tandem perovskit/Si dengan array nanolubang, eksperimen simulasi memilih distribusi intensitas medan listrik penampang (|E|²) pada panjang gelombang 500 nm, 600 nm, 700 nm, 800 nm, 900 nm dan 1000 nm, sementara tinggi dirancang tetap pada nilai h tetap pada 900 nm, yang juga ditunjukkan dalam Gambar 5. Profil spasial serapan optik per volume satuan pada bidang x–z dapat dibagi menjadi tiga bagian, yaitu perovskit, array nanolubang, dan substrat silicon. Dalam bagian array nanolubang, silicon terstruktur dipisahkan dengan nanolubang yang diisi TiO₂, yang ditandai dengan garis putus-putus dalam Gambar 5a.

Gambar 5a, b menunjukkan bahwa sel atas dapat mendominasi serapan panjang gelombang pendek (< 600 nm); namun, efek anti-refleksi yang dihasilkan oleh array nanolubang pada panjang gelombang 600 nm tampak lebih luar biasa dibandingkan dengan panjang gelombang 500 nm. Namun, karena koefisien serapan silicon yang lebih rendah, serapannya pada panjang gelombang menengah (500–600 nm) lebih rendah dari struktur datar. Juga berkat keberadaan nanolubang periodik, efek interferensi yang jelas pada lapisan perovskit atas juga dapat diamati, yang berarti, refleksi cahaya pada 700 nm dan 800 nm dapat kembali ke sel atas dan meningkatkan serapannya.

Dengan asumsi bahwa perovskit memiliki tepi serapan yang tajam pada 850 nm, dan kemudian, panjang gelombang pada 900 nm dan 1000 nm akan ditransmisikan ke sel bawah dan terutama akan diserap oleh sel bawah, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5e, f. Dengan pengisian TiO₂ dalam array nanolubang silicon, perbedaan distribusi periodik indeks refraksi menyebabkan sel bawah dimaksudkan untuk mendukung mode terpandu yang terletak medan elektromagnetik dekat tandem, dan pengkobalan cahaya insiden dengan mode terpandu ini mengarah pada peningkatan serapan yang prominent. Untuk mengilustrasikan kelayakan pendekatan ini, empat kasus berbeda disimulasikan untuk melakukan analisis di bawah berbagai tinggi array nanolubang. Semua serapan ini memiliki parameter array nanolubang yang sama dengan \(\eta = 0,5\) dan P = 500 nm, dan panjang gelombang cahaya insiden mereka tetap pada 900 nm, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6. Interaksi interaksi mode terpandu yang didukung secara signifikan ditingkatkan seiring bertambahnya tinggi nanolubang.

Kesimpulan

Secara ringkas, artikel ini mempelajari kombinasi sel surya tandem perovskit/silicon dengan array nanolubang sebagai cara praktis bagi perangkat untuk mencapai perangkat tandem berdaya tinggi. Kami telah menemukan bahwa jika set parameter array nanolubang yang dioptimalkan \(\eta = 0,5\) dan P = 500 nm meningkat dari nilai 14,53 mA/cm² menjadi 15,68 mA/cm² ketika kedalaman array kurang dari 300 nm, perangkat tersebut dapat dijadikan landasan untuk daya tinggi. Kemudian melalui perkenalan array nanolubang yang diisi TiO₂, kami telah lebih membuktikan bahwa mode serapan cahaya sel tandem akan berubah menjadi mode campur dengan berbagai mode serapan cahaya. Pengurangan selektif pada panjang gelombang pendek mengarah pada penurunan serapan foton panjang gelombang pendek; namun, interferensi yang menghasilkan penangkap cahaya dalam sel atas dan penangkap cahaya terpandu indeks dalam sel bawah dapat berfungsi untuk secara signifikan meningkatkan serapan selektif tandem. Hasil eksperimental di atas membuktikan bahwa ini adalah cara yang menjanjikan untuk meningkatkan serapan sel surya tandem perovskit/silicon.

Ketersediaan Data dan Bahan

Kesimpulan yang dibuat dalam naskah ini didasarkan pada data (teks utama dan gambar) yang disajikan dan ditampilkan dalam makalah ini.

Singkatan

FDTD:

Finite-difference time-domain