Fotovoltaïsche prestaties van een Nanowire/Quantum Dot Hybrid Nanostructure Array Zonnecel

Abstract

Een innovatieve zonnecel op basis van een nanodraad/quantum dot hybride nanostructuur-array is ontworpen en geanalyseerd. Door meerlagige InAs-kwantumdots op de zijwanden van GaAs-nanodraden te laten groeien, wordt niet alleen het absorptiespectrum van GaAs-nanodraden uitgebreid met kwantumdots, maar wordt ook de lichtabsorptie van kwantumdots drastisch verbeterd dankzij het lichtvangende effect van de nanodraadarray. Door vijf lagen InAs-kwantumdots op te nemen in een 500 nm hoge GaAs-nanodraadarray, is de verbetering van de energieconversie-efficiëntie die wordt veroorzaakt door de kwantumdots zes keer hoger dan de verbetering van de efficiëntie van de energieconversie in dunnefilmzonnecellen die dezelfde hoeveelheid bevatten. van quantum dots, wat aangeeft dat de nanodraad-arraystructuur de fotovoltaïsche prestaties van quantum dot-zonnecellen ten goede kan komen.

Achtergrond

De opname van kwantumdots (QD's) in zonnecellen is voorgesteld als een veelbelovende manier om de conversie-efficiëntie van het apparaat te verbeteren [1, 2]. Door QD's in het actieve gebied van een zonnecel in te voegen, kan men de effectieve bandgap van het materiaal ontwerpen en het absorptiespectrum uitbreiden [3,4,5,6]. Dit kan worden gebruikt om de fotostroom van een homogene zonnecel [7,8,9] te versterken of om een geïsoleerde tussenband te vormen binnen de bandgap van het gastheermateriaal om fotonen te absorberen met energie onder de energiekloof van het gastheermateriaal [10,11,12 ,13]. Om de efficiëntie van conventionele apparaten te overtreffen, moet de absorptieverbetering veroorzaakt door QD's echter aanzienlijk worden verbeterd. Dit kan worden bereikt door het aantal QD's te vergroten, door de optische absorptie te verbeteren of een combinatie van beide [14]. In de afgelopen jaren is een aantrekkelijke structuur gefabriceerd door Stranski-Krastanov (SK) QD's op de zijwanden van nanodraden (NW's) te laten groeien, wat een innovatieve benadering biedt om het voordeel van de twee soorten nanostructuren te combineren [15,16,17, 18,19]. Meerlaagse QD's kunnen worden gekweekt op de zijwanden van NW's, waardoor het aantal QD's aanzienlijk toeneemt, terwijl de verticaal uitgelijnde NW-array de absorptie van QD's drastisch kan verbeteren vanwege het uitstekende lichtvangende vermogen [20,21,22,23,24 ]. Dus de fotostroom die wordt bijgedragen door QD's in de NW / QD hybride nanostructuur-array zal naar verwachting groter zijn dan die in dunne-film QD-structuren. Bovendien kan de NW/QD-hybride structuur worden vervaardigd op goedkope siliciumsubstraten, wat het veelbelovend maakt voor goedkope, zeer efficiënte zonnecellen [25]. Hoewel de fabricage en optische eigenschappen van NW/QD hybride nanostructuren algemeen zijn gerapporteerd, zijn de prestaties van zonnecellen op basis van de hybride structuren nog niet onderzocht.

In dit artikel wordt een gekoppelde opto-elektronische simulatie gepresenteerd om de fotovoltaïsche prestaties van een GaAs/InAs NW/QD hybride zonnecel te onderzoeken. De overwogen structuur bestaat uit een verticaal uitgelijnde NW-array waarbij elke NW vijf lagen QD's bevat die loodrecht op de NW-groei-as zijn gerangschikt. Zowel de QD's als de bevochtigingslagen (WL's) dragen bij aan sub-bandgap fotonabsorptie, waardoor het absorptiespectrum wordt uitgebreid tot 950 nm. Elke NW bestaat uit een radiale pinovergang met alle QD-lagen in het intrinsieke gebied. Eerst wordt een vergelijking gemaakt in lichtabsorptiespectra tussen de NW-arrays met en zonder QD's door gebruik te maken van driedimensionale eindige-verschil tijdsdomein-simulaties (3D-FDTD). De absorptiespectra van hun dunne-film tegenhangers worden ook berekend. Vervolgens worden de fotogeneratieprofielen opgenomen in de elektrische simulaties om de stroomdichtheid versus spanning te berekenen (I -V ) kenmerken. De resultaten laten zien dat, in zowel NW-array als dunne-filmzonnecellen, de opname van QD's de kortsluitstroom kan verbeteren (J _sc ) door de lichtabsorptie te verhogen; echter een degeneratie van nullastspanning (V _oc ) gebeurt tegelijkertijd. De algehele verbetering van de energieconversie die wordt veroorzaakt door de kwantumdots in NW-array-zonnecellen is zes keer hoger dan de efficiëntieverbetering in dunnefilmzonnecellen die hetzelfde aantal quantumdots bevatten, wat aangeeft dat de NW-arraystructuur de fotovoltaïsche prestaties ten goede kan komen van quantum dot zonnecellen.

Methoden

In onze vorige studie [15] werd de fabricage van de NW/QD hybride structuren gerealiseerd door gebruik te maken van een Thomas Swan Close Coupled Showerhead (CCS) metaal-organische chemische dampafzetting (MOCVD) systeem. Trimethylgallium (TMGa), trimethylindium (TMIn) en arsine (AsH₃ ) werden gebruikt als voorlopers. De drager was waterstof. Een Au-gecoat GaAs-substraat werd in de MOCVD-reactor geladen en uitgegloeid onder AsH₃ omgevingstemperatuur om Au-Ga-legeringsdeeltjes als katalysator te vormen. De GaAs NW's werden in de eerste plaats gekweekt en vervolgens werd de eerste schil van InAs QD's afgezet door TMGa uit te schakelen en de temperatuur te verhogen. Na de groei van de InAs QD-laag, werd de GaAs-afstandhouder radiaal gegroeid op de InAs QD's. De meerlagen van QD-structuren werden gerealiseerd door de combinatie van InAs QD's en GaAs spacer-shell voor bepaalde tijden te herhalen.

Het schema van de NW/QD hybride zonnecel wordt geïllustreerd in figuur 1a. Het apparaat bestaat uit periodieke GaAs/InAs NW/QD hybride structuren. Elke NW bevat een radiale pinovergang met vijf lagen QD's die loodrecht op de NW-groei-as in het intrinsieke gebied zijn gerangschikt, zoals weergegeven in figuur 1b. De dopingconcentratie van de p-type schaal en n-type kern is 3 × 10¹⁸ en 1 × 10¹⁸ cm⁻³ , respectievelijk. De QD-lagen worden gemodelleerd door InAs QD's, WL en GaAs-materiaal rondom QD's als een effectief medium te behandelen. De dikte van elk effectief medium is 2 nm.

een De schematische tekeningen van de NW/QD hybride zonnecel en zijn dunne-film tegenhanger. b De gedetailleerde structuren van de eenheden gemarkeerd met wireframes in a . c Absorptiecoëfficiënt van het effectieve medium. De volumefracties van QD's, WL en GaAs in het effectieve medium zijn respectievelijk 0,002882996, 0,649123 en 0,347994

Voor optische simulatie wordt de golflengte-afhankelijke complexe brekingsindex van het effectieve medium berekend door een volumegewogen superpositie van het QDs-, WL- en GaAs-materiaal zoals beschreven in [26], uitgedrukt door Vgl. (1).

$$ {\alpha}_{\mathrm{eff}}={F}_{\mathrm{QD}}{\alpha}_{\mathrm{QD}}+{F}_{\mathrm{WL}} {\alpha}_{\mathrm{WL}}+{F}_{\mathrm{GaAs}}{\alpha}_{\mathrm{GaAs}} $$ (1)

waar F _QD , F _WL , en F _GaAs zijn respectievelijk de volumefracties van QD-, WL- en GaAs-materialen in het effectieve medium. De absorptiecoëfficiënt van InAs QD's en WL's wordt verkregen uit [26], met dezelfde QD-grootte en dichtheid. Andere materiaalparameters worden verkregen uit [27]. De absorptiecoëfficiënt die in dit werk wordt gebruikt, wordt weergegeven in figuur 1c. Twee pieken worden waargenomen onder de GaAs-bandgap, met één gecentreerd op een golflengte van 876 nm en de andere gecentreerd op 916 nm, die worden toegeschreven aan de QD-lagen. Ter vergelijking wordt ook de dunnefilmzonnecel met QD-lagen gesimuleerd. De dikte van de dunnefilmzonnecel is gelijk aan de NW-lengte, en het totale volume van de QD-lagen en de dikte van de intrinsieke laag in de dunnefilmzonnecellen zijn gelijk aan die in de NW /QD hybride zonnecellen. De absorptie-eigenschappen van de zonnecellen worden berekend door het softwarepakket FDTD Solutions (Lumerical Solutions, Inc.). Door periodieke randvoorwaarden te plaatsen, kunnen de simulaties worden uitgevoerd in een enkele eenheidscel om de periodieke array-structuur te modelleren. Het AM1.5G-spectrum is verdeeld in 87 discrete golflengte-intervallen, van 300 tot 950 nm. De transversale elektrische (TE) en transversale magnetische (TM) modusbijdragen worden gesuperponeerd om het corresponderende niet-gepolariseerde kenmerk van zonlicht te modelleren. De totale optische generatie onder AM1.5G-verlichting kan worden gemodelleerd door de spectraal opgeloste fotogeneratiesnelheden met één golflengte over elkaar heen te leggen.

Voor elektrische modellering zijn de 3D optische generatieprofielen opgenomen in het eindige-elementennetwerk van de apparaten in het Device-softwarepakket (Lumerical Solutions, Inc.), dat de continuïteitsvergelijkingen van de vervoerder gekoppeld aan de Poisson-vergelijking zelfconsistent oplost. Om de dragertransporteigenschappen van het effectieve medium te modelleren, nemen we aan dat de optisch gegenereerde dragers in GaAs-barrières worden opgevangen door de lagere bandgap 2D WL en vervolgens ontspannen naar de QD-grondtoestand op tijdschalen van 1-50 ps [28, 29]. De dragers die zijn gegenereerd in QD's of gevangen zijn uit WL, recombineren of ontsnappen terug naar WL door thermische emissie [30]. Het vang- en ontsnappingsproces wordt gemodelleerd door 100 meV effectieve bandoffsets in te stellen op het grensvlak van GaAs en effectief medium, volgens de activeringsenergie voor thermische emissie van kwantumstippen die in de literatuur wordt vermeld [30,31,32]. Een vergelijkbare modelleringsmethode is gerapporteerd in [26], waarin de kenmerken van QD-versterkte multijunction-zonnecellen zijn onderzocht. Het verlichte energiebanddiagram van de NW/QD hybride zonnecellen wordt getoond in Fig. 2.

Het verlichte energiebanddiagram van de NW/QD hybride zonnecellen

Bij de elektrische simulatie van het apparaat wordt rekening gehouden met stralings-, auger- en Shockley-Read-Hall (SRH)-recombinatie. De levensduur van de QD-minderheidsdragers wordt beschreven met behulp van een stralingsrecombinatielevensduur van 1 ns en een SRH-recombinatielevensduur van 10 ns [26], de uiteindelijke levensduur van het effectieve medium is een gewogen som van de QD- en GaAs NW-recombinatielevensduren (ervan uitgaande dat door de WL worden vervolgens opgevangen door de QD), zoals beschreven in [26]. De Auger-recombinatiecoëfficiënt van het effectieve medium is ingesteld op 4,2 × 10⁻²⁹ cm⁶ /s [33]. En de effectieve massa's van elektronen en gaten zijn ingesteld op 0,053m ₀ en 0,341m ₀ , respectievelijk [26]. Bij het modelleren van het transport van barrièredragers door het effectieve mediumgebied gebruiken we de barrièremobiliteit (2500 cm² /Vs voor elektronen en 150 cm² /Vs voor gaten) [34], zoals beschreven in [35]. In het apparaatmodel wordt een oppervlakterecombinatiesnelheid van 3000 cm/s gebruikt, ervan uitgaande dat de nanodraadoppervlakken goed gepassiveerd zijn [34, 36]. En de recombinatiesnelheid van de contactminderheidsdragers is ingesteld op 10⁷ cm/s [37].

Resultaten en discussie

De absorptiespectra van GaAs NW-array-zonnecellen met en zonder QD-lagen worden getoond in Fig. 3. De NW-straal is ingesteld op 100 nm en de periode is 360 nm. Door QD-lagen te introduceren, wordt de absorptie van GaAs NW's drastisch verbeterd en wordt het absorptiespectrum uitgebreid tot 950 nm. Figuur 3a–d toont de absorptiespectra met verschillende NW-lengtes. Het is te zien dat de absorptie aanzienlijk wordt verhoogd door QD-lagen bij een golflengte van meer dan 450 nm, aangezien de QD-lagen een hogere absorptiecoëfficiënt hebben dan GaAs NW's. Naarmate de NW-lengte toeneemt, wordt het absorptieverschil tussen NW-arrays met en zonder QD-lagen kleiner in het golflengtebereik voorbij de GaAs-bandgap, wat aangeeft dat de absorptie van GaAs meer voldoende is voor langere NW's. Terwijl in het golflengtebereik onder de GaAs-bandgap, aangezien GaAs NW's weinig bijdragen aan lichtabsorptie, wordt de absorptieverbetering die wordt veroorzaakt door QD-lagen prominenter naarmate de NW-lengte toeneemt. Er worden twee absorptiepieken waargenomen in het golflengtebereik onder de GaAs-bandgap, die gecentreerd zijn op respectievelijk 876 en 916 nm, wat overeenkomt met de golflengten waarbij het effectieve medium de hoogste absorptiecoëfficiënt heeft. Vergeleken met de NW/QD hybride zonnecel verzadigt de absorptie van de dunne-film zonnecel veel eerder met de toename van de filmdikte, aangezien het belangrijkste verlies in de dunne-film zonnecel reflectie is. Aangezien de volumeverhouding van QD-lagen in de dunne films veel lager is dan die in de NW-array, is de door QD-lagen geïnduceerde verbetering van de lichtabsorptie bijna verwaarloosbaar in het golflengtebereik voorbij de GaAs-bandgap. In het golflengtebereik onder de GaAs-bandgap is de absorptie van QD-lagen in de dunne film, vanwege het gebrek aan lichtvangend vermogen, veel lager dan die in de NW-array.

De absorptiespectra van de NW/QD hybride nanostructuur-array en zijn dunne-film tegenhanger met en zonder QD-lagen. De NW-lengte in a –d is respectievelijk 500, 1000, 2000 en 3000 nm

De optische generatieprofielen van de beschouwde structuren worden getoond in Fig. 4. In dit deel worden NW's met een lengte van 500 en 3000 nm beschouwd (hierna respectievelijk de korte NW en de lange NW genoemd). Het is duidelijk dat de dragergeneratie in effectief medium veel hoger is dan die in GaAs, wat de absorptieverbetering aantoont die wordt veroorzaakt door QD's. In NW/QD hybride zonnecellen worden minder dragers gegenereerd in de NW-kernregio, omdat sommige dragers in plaats daarvan geconcentreerd zijn in QD-regio's. Dit fenomeen zal naar verwachting de prestaties van het apparaat ten goede komen, aangezien het sterk gedoteerde kerngebied vaak lijdt aan ernstig recombinatieverlies. In korte NW's verspreiden de optisch gegenereerde dragers zich in het hele NW, terwijl in lange NW's de dragers voornamelijk aan de bovenkant geconcentreerd zijn, wat aangeeft dat de lichtabsorptie in lange NW's voldoende is, hoewel de beschouwde NW-array geen substraten bevat. Er kan worden waargenomen dat, in lange NW's, een gebied met hoge dragergeneratie in QD-lagen zich langer uitstrekt dan dat in de NW-kern, en de dragers zijn geconcentreerd in verschillende lobben langs de NW-as. Dit wordt veroorzaakt door de resonantiemodi in een langgolvig gebied in het NW. Licht met een lange golflengte heeft een langere absorptielengte en wordt voornamelijk geabsorbeerd in QD-gebieden, vooral het licht bij een golflengtebereik onder de GaAs-bandgap. De elektrische veldverdelingen onder ongepolariseerde lichtverlichting in GaAs NW's bij 876 en 916 nm worden getoond in figuur 4c, waaruit we kunnen zien dat het elektrische veld sterk overlapt met de QD-regio's, wat het versterkende effect van NW-structuren op de QD-absorptie bij deze golflengte. Het optische generatieprofiel van een 500 nm dunne-film zonnecel wordt getoond in figuur 4d, en het is te zien dat de absorptie in dunne-filmstructuren veel zwakker is dan die in NW's. Voor dunnefilmstructuren hebben de dragers die in QD's worden gegenereerd weinig effect op het algemene generatieprofiel. In NW's kunnen QD's met hetzelfde volume aanzienlijk bijdragen aan absorptie dankzij geleide-resonantiemodi in NW's [21].

een De verticale doorsnede van optische generatieprofielen in korte NW en NW/QD hybride zonnecellen. b De verticale doorsnede van optische generatieprofielen in lange NW en NW/QD hybride zonnecellen. c De elektrische veldverdelingen in NW-dwarsdoorsnede bij 876 en 916 nm, waarin de locatie van QD-lagen is gemarkeerd met witte lijnen. d De verticale doorsnede van optische generatieprofielen in dunne-film en dunne-film/QD hybride zonnecellen

Verdere studies richten zich op onderzoek naar de mogelijke toename van fotovoltaïsche efficiëntiewinsten als gevolg van de absorptieverbetering die wordt veroorzaakt door QD's. Eerder gesimuleerde fotogeneratieprofielen zijn opgenomen in het Device-softwarepakket om de I . te berekenen -V kenmerken van overwogen apparaten. Het genereren van carriers zal naar verwachting toenemen in QD-regio's; carriers in QD-regio's hebben echter last van een hogere recombinatiesnelheid. Dientengevolge, een verbetering van kortsluitstromen (J _sc ) in QD-versterkte zonnecellen gaat vaak gepaard met een verslechtering van de nullastspanning (V _oc ) [38]. Het effect van QD's op de efficiëntie van apparaten hangt af van een afweging tussen J _sc verhogen en V _oc afname. De ik -V kenmerken van de NW-zonnecellen worden getoond in Fig. 5a, b, en corporatie van QD's in korte NW's leidt tot een J _sc verbetering van 1,09 mA/cm² en een V _oc reductie van 0,017 V. In lange NW's, a J _sc toename van 1,22 mA/cm² en een V _oc vermindering van 0,021 V waargenomen. De totale efficiëntieverhoging is 0,67% in korte NW's en 0,45% in lange NW's. Door de NW-lengte te vergroten, wordt de J _sc verbetering is verhoogd evenals de V _oc vermindering als gevolg van de toename van het QD-volume. Afbeelding 5c illustreert de stralingsrecombinatieprofielen in NW's nabij V _oc; vergeleken met zuivere GaAs NW's, nemen de stralingsrecombinatiesnelheden toe met meer dan 3 ordes van grootte in de QD-lagen, wat de V verklaart _oc degeneratie. Ook wordt de conversie-efficiëntie van dunnefilmzonnecellen met en zonder QD's berekend. De efficiëntieverbetering die wordt veroorzaakt door QD's is slechts 0,11%, veel lager dan die in NW-zonnecellen, hoewel de QD-volumes in NW's en dunnefilmstructuren hetzelfde zijn. Het resultaat geeft aan dat NW-array voordelig is voor het verbeteren van de efficiëntie van quantum dot-zonnecellen. De efficiëntieverbetering die wordt veroorzaakt door QD's is niet zo indrukwekkend in dit werk vanwege de degeneratie van V _oc; er zijn echter verschillende benaderingen aangetoond om V . te behouden _oc in QD-versterkte zonnecellen [5, 39]. Verwacht wordt dat meer bevredigende efficiëntieverbeteringen worden verkregen als de V _oc degeneratie zou kunnen worden vermeden in NW/QD hybride zonnecellen. Bovendien hangt het optische absorptiespectrum van QD's sterk af van de puntgrootteverdeling [40, 41, 42]. Wij zijn van mening dat het mogelijk is om, door de QD-grootte en -dichtheid te wijzigen, een hogere absorptiecoëfficiënt te bereiken, wat kan leiden tot een grotere absorptieverbetering en een hogere conversie-efficiëntie.

een De ik -V kenmerken van korte NW en NW/QD hybride zonnecellen. b De ik -V kenmerken van lange NW en NW/QD hybride zonnecellen. c De helft van de verticale dwarsdoorsnede van stralingsrecombinatiesnelheden van korte NW- en NW/QD-hybride zonnecellen. d De ik -V kenmerken van dunne-film en dunne-film/QD hybride zonnecellen

Conclusies

Samenvattend hebben we de fotovoltaïsche prestaties van een GaAs/InAs NW/QD hybride zonnecel bestudeerd. De resultaten laten zien dat de absorptiespectra van GaAs NW's kunnen worden uitgebreid tot 950 nm door meerlaagse InAs QD's op de NW-zijwanden op te nemen. De absorptie van QD's is ook drastisch verbeterd dankzij het lichtvangende effect van de NW-array. Ik -V kenmerken laten zien dat J _sc in NW-zonnecellen kan worden verhoogd door verbetering van de lichtabsorptie, terwijl V _oc is gedegenereerd vanwege meer ernstige recombinatie veroorzaakt door QD's. De algehele efficiëntieverbetering die wordt veroorzaakt door QD's in NW-zonnecellen is veel hoger dan die in dunnefilmzonnecellen, wat aangeeft dat de GaAs/InAs NW/QD hybride structuur veelbelovend is voor QD-zonnecellen.

Afkortingen

3D-FDTD:: Driedimensionaal eindig-verschil tijdsdomein
AsH₃ :: Arsine
CCS:: Nauw gekoppelde douchekop
Ik -V :: Stroomdichtheid versus spanning
J _sc :: Kortsluitstroom
MOCVD:: Metaal organische chemische dampafzetting
NW's:: Nanodraden
QD's:: Kwantumstippen
S-K:: Stranski-Krastanov
SRH:: Shockley-Read-Hall
TE:: Dwars elektrisch
TM:: Dwars magnetisch
TMGa:: Trimethylgallium
TMIn:: Trimethylindium
V _oc :: Nullastspanning
WL's:: Bevochtigende lagen

Computationeel ontwerp van flat-band materiaal De biocompatibiliteit van tandheelkundig materiaal van nanoglas-zirconia na veroudering

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal