Fotonisch ontwerp en elektrische evaluatie van dubbelfunctionele zonnecellen voor energieconversie en weergavetoepassingen

Resultaten en discussie

Getoond in Fig. 1 is het schematische diagram van de voorgestelde kleurgestuurde a-Si:H SC. Van boven naar beneden bestaat het uit ARC-lagen, DBR-stack, bufferlaag en de a-Si:H SC. Hier is de dikte van de a-Si:H actieve laag 500 nm die 30 nm (50 nm) n-type (p-type) dopingzone bevat. Het materiaal van de achterste (voorste) elektrode voor elektronen (gat) transport is ZnO (ITO) met een dikte van 100 nm (20 nm). De bufferlaag is samengesteld uit 55 nm TiO₂ om de lichtreflectie [24] te verminderen en de kleurzuiverheid te verbeteren. De DBR is samengesteld uit 6 ZnS/ZnO-paren met de kwartgolflengtedikte voor elke laag. In feite spelen de reflectiviteit en de spectrale breedte een zeer belangrijke rol bij het bepalen van de kleurkwaliteit. De reflectiviteit (R ) van DBR kan analytisch worden bepaald met behulp van de volgende vergelijking [25]:

waar n ₀ , n ₁ , n ₂ , en n _s zijn respectievelijk de brekingsindices van lucht, de twee DBR-lagen en het substraat; N is het aantal DBR-paren. De reflectiebandbreedte (∆λ₀ ) is [25]:

waar λ₀ is de centrale golflengte van DBR. Opgemerkt wordt dat het vergroten van het verschil van n ₁ en n ₂ , R wordt hoger (d.w.z. de verhoogde kleurhelderheid), maar ∆λ₀ en kleurverzadiging worden verminderd. Als gevolg hiervan is een relatief klein verschil van n ₁ en n ₂ samen met een relatief grote N wordt gebruikt om een ​​hoge verzadiging te garanderen om de hoge kleurzuiverheid en helderheid te presenteren.

Schematisch diagram van de voorgestelde kleurgestuurde a-Si:H SC's (links) en de gedetailleerde apparaatconfiguratie (rechts)

Volgens de dunne-filmoptiek moeten de DBR-diktes zorgvuldig worden ontworpen om de RGB-kleuren op een andere manier in de zichtbare band weer te geven. Hier, exclusief de SC's, onderzoeken we eerst de controleerbaarheid van het DBR-reflectiespectrum voor RGB-weergave. Figuur 2a toont de reflectiespectra van DBR's onder RGB-ontwerpen, met de overeenkomstige structuur en filmdiktes gegeven in figuur 2b. Het blijkt dat de reflecties pieken bij λ₀ =625, 520 en 445 nm, respectievelijk, die goed overeenkomen met de RGB-centra. Bovendien zijn de piekreflecties sterk genoeg (d.w.z. 74,82%, 72,1% en 76,31%) om de helderheid van de weergave te garanderen. In feite bestaan ​​er voor DBR enkele zijgolven uit de verboden band. Dergelijke golven zijn nadelig voor het bereiken van de hoge kleurzuiverheid [26]. Afbeelding 2a verifieert het bestaan ​​van dergelijke zijgolven.

Optische reacties van DBR's en RGB a-Si:H SC's. een DBR-reflectiespectra gericht op RGB-weergave. b Structurele en materiële parameters van de ontworpen DBR. Reflectiviteitsspectra (c ) en de CIE 1931 chromaticiteitscoördinaten (d ) van de a-Si:H SC's met RGB DBR's bovenop. Reflectiespectra (e ) en de CIE 1931 chromaticiteitscoördinaten (f ) van de ontworpen kleurgestuurde a-Si:H SC's. Het standaard sRGB-kleurengamma wordt ingevoegd in (f ) ter vergelijking

Boven RGB zijn DBR's nu geïntegreerd met de a-Si:H SC's, d.w.z. RGB-DBR (boven) + SC (onder). De reflectiespectra van de gecombineerde SC-systemen die gericht zijn op het RGB-scherm worden getoond in figuur 2c. Eerst wordt waargenomen dat de centrale golflengten met het opnemen van de SC enigszins rood zijn verschoven (van 625, 520 en 445 nm tot 633, 528 en 453 nm voor respectievelijk R-, G- en B-cellen); bovendien worden de piekreflecties ook verhoogd tot respectievelijk 87,66%, 82,52% en 79,44%. Dit is redelijk aangezien de opname van de SC onder de DBR de systeemconfiguratie heeft veranderd en de resonantiesituatie heeft gewijzigd. Desondanks is het bovenstaande effect relatief zwak zonder de weergavekwaliteit aan te tasten. Er is echter inderdaad een belangrijk ingrediënt dat de kleurzuiverheid sterk verslechtert, d.w.z. de veel intensieve zijgolven die voortkomen uit de verhoogde reflecties aan de interfaces van de SC. Afbeelding 2d toont de kleurcoördinaten van de Commission Internationale de L'Eclairage (CIE) 1931 voor deze gecombineerde SC-systemen. Voor toepassingen voor patroonweergave geldt:hoe groter de kleurruimte, hoe meer kleurelementen het bevat en hoe beter het wordt weergegeven [27]. Wanneer de primaire kleuren gesloten zijn tot de tongvormige grens, kan de grootste kleurruimte worden verkregen. Fig. 2d laat echter zien dat de bereikte RGB relatief ver van de grens ligt; daarom moeten we de reflectiebandbreedte verder verkleinen en de zijgolven elimineren.

Om de RGB-prestaties te verbeteren, introduceren we verder de dual-layer ARC's (MgF₂ en SnO₂ ) samen met een bufferlaag (TiO₂ ). De ARC's zijn bovenop DBR geconfigureerd en de bufferlaag is ingeklemd tussen DBR en a-Si:H SC zoals weergegeven in Fig. 1. Op basis van dunnefilmoptiek kan de dikte van de ARC's worden geregeld door [28]:

waar n ₀ , n _t , n _b , en n _s zijn de brekingsindices van respectievelijk de lucht, de bovenlaag, de onderlaag en het substraat; d _t en d _b zijn de diktes van respectievelijk de bovenste en onderste lagen. Uitgezet in Fig. 2e zijn de reflectiespectra van de ontworpen kleurgestuurde a-Si:H SC's met ARC's, DBR en bufferlaag. Het is duidelijk dat (1) de piekgolflengten 625, 515 en 445 nm zijn, dicht bij die van de stand-alone DBR's; (2) de resonantiebandbreedtes zijn sterk verminderd voor de cel met RGB-kleuren; (3) de zijgolven worden dramatisch onderdrukt, zelfs vergeleken met de resultaten van alleen DBR's getoond in figuur 2a. Zoals verwacht zijn, na het introduceren van de ARC's en bufferlagen, de optische padverschillen veranderd, waardoor de resonantiesituatie is veranderd. Als resultaat worden de centrale golflengten, de reflectiebandbreedte en de zijgolven van het systeem verbeterd. Daarom leiden de geavanceerde fotonische ontwerpen tot de gewenste kleur met een sterk gepromote kleurkwaliteit, zoals bewezen door de CIE 1931-chromaticiteitscoördinaten in Fig. 2f. Vergeleken met de sRGB zijn de kleurverschillen tussen de ontworpen RGB en sRGB als volgt:ΔE_R = 16.8 voor rood, ΔE_G = 47.6 voor groen, en ΔE_B = 41,7 voor blauw. Ondanks dat de kleurverschillen een kleine verandering vertonen tussen de ontworpen RGB en sRGB die de waarnemer waarneemt, is de kleurruimte voor ons ontwerp vergelijkbaar met die van de sRGB. De RGB-kleurruimten zijn bijvoorbeeld ongeveer gelijk aan 52,7% (72%) van de National Television System Commission (NTSC)-kleurruimten voor respectievelijk de ontworpen en standaardsystemen.

Tot nu toe hebben we met succes de a-Si:H SC's ontworpen met een geavanceerde dunne-film optische strategie. Voor een dergelijke weergavefunctie zal de elektrische respons van de SC's echter onvermijdelijk worden beïnvloed. Daarom is het noodzakelijk om de gedetailleerde opto-elektronische respons van de kleurgestuurde a-Si:H SC's te onderzoeken. In de afgelopen jaren hebben we uitgebreide studies uitgevoerd naar simulaties op apparaatniveau van op halfgeleiders gebaseerde SC's, waaronder opto-elektronische simulatie met het aanpakken van de elektromagnetische en dragertransportreacties [17, 18], evenals de geavanceerde opto-elektrisch-thermische simulatie van SC's [19]. SC's op basis van (1) verschillende materialen (bijv. Si, GaAs en a-Si:H) en (2) verschillende nanostructuren (bijv. enkele nanodraad, nanotexturen en dubbele verbindingen) zijn onderzocht om de manieren om het intrinsieke multifysische gedrag binnen de SC's te beheersen en de efficiëntie van de fotoconversie te verbeteren [20,21,22]. Daarom kan de opto-elektronische respons van de speciaal ontworpen a-Si:H SC's die in dit artikel worden gepresenteerd gemakkelijk worden verkregen door de bijbehorende opto-elektronische simulatie uit te voeren.

Afbeelding 3a–c toont de absorptie (A ) en EQE-spectra van de RGB SC's onder AM1.5-verlichting. Ten eerste wordt aangetoond dat de absorptiespectra schijnbare dalingen vertonen bij specifieke golflengten die overeenkomen met de reflectiepieken voor respectievelijk R-, G- en B-kleuren. Dit komt omdat de kleurweergavefunctie de specifieke lichtreflecties op de zichtbare band vereist; dus de optische absorptie (A ) en de elektrische respons (EQE) van de SC's zullen onvermijdelijk worden beïnvloed, wat leidt tot een aanzienlijk verschil in EQE en A voor rode, groene en blauwe SC's. Bovendien kunnen we bij de golflengteband van minder dan 380 nm zien dat het licht bijna volledig wordt geabsorbeerd door de bovenste ITO-laag; daarom zijn de overeenkomstige absorptie en EQE bijna nul. Desondanks is de algehele absorptie van het apparaat goed genoeg om de piek A . te tonen ruim 80%. Ten tweede, aangezien a-Si:H SC in deze studie wordt beschouwd, bestaat het dragerrecombinatie-effect bijna in de hele geldige spectrale band (omdat de actieve laag erg dun is), zodat de EQE altijd lager is dan A . De bijbehorende stroom-spanningskarakteristieken (J -V curven) zijn uitgezet in Fig. 3d, waar de inzet de gedetailleerde kortsluitstroomdichtheid (J _SC ), nullastspanning (V _OC ), vulfactor (FF) en fotoconversie-efficiëntie (Eff) voor de RGB-cellen. Ter vergelijking:een conventionele a-Si:H SCs met een 100 nm SiO₂ antireflectielaag wordt gebruikt en vertoont een efficiëntie van ~ 7,59%, wat vergelijkbaar is met het rapport van Anderson et al. [16, 29]. Het is gebleken dat het RGB-ontwerp geen duidelijke invloed heeft op de V oc en FF. Er wordt erkend dat de V _OC en FF van de SC worden voornamelijk bepaald door de intrinsieke eigenschappen van materiaal (bijv. Band-gap), doteringsconcentratie van de actieve laag en apparaatconfiguratie; vandaar dat het RGB-ontwerp de absorptie beïnvloedt, in plaats van de V _OC en FF. Zoals verwacht, tonen de kleuren-SC's de verminderde efficiëntie als gevolg van het doel van kleurweergave. Meer gedetailleerd, de blauwgekleurde SC heeft het maximale rendement van 6,54%, terwijl de groene 5,58% en de rode 4,88%. De rode cel vertoont de grootste efficiëntievermindering aangezien het gereflecteerde rode licht de sterkste zonne-energie heeft. Dit is een redelijke opoffering voor zo'n multifunctionele SC.

Absorptie- en EQE-spectra van de kleurgestuurde a-Si:H SC's met een kleur van a rood, b groen, en c blauw. d IV-curven van de ontworpen a-Si:H SC's, waarbij het originele systeem zonder RGB-ontwerp ter referentie is opgenomen. De ingevoegde tabel toont de J _SC , V _OC , FF en Eff

Opgemerkt moet worden dat, als we de energieconversie-efficiëntie verder willen verhogen, een complexere structuur kan worden ingevoerd. Optisch kan bijvoorbeeld (1) het lichtvangende effect (bijv. de TCO met gestructureerd oppervlak) worden gebruikt; (2) het TCO-oppervlak kan worden bedekt met TiO₂ -ZnO-antireflectielagen (verbeter bijvoorbeeld de kwantumefficiëntie ~  10% bij 550  nm) [30]. Elektrisch gezien (1) kan een triode plasma-enhanced chemical vapour deposition (PECVD) techniek worden gebruikt om het door licht geïnduceerde degradatie-effect te onderdrukken [31]; (2) onze opto-elektronische simulatie kan het dynamische gedrag van het vervoerdertransport optimaliseren om de recombinatie van de vervoerder verder te verlagen en de elektriciteitsoutput te verbeteren [18]. Bovendien is dit ontwerpprincipe ook van toepassing op andere soorten SC's (bijv. Perovskiet, kristallijn Si, organische en hybride SC's) [32]. Daarom kan de energieconversie-efficiëntie van de ontworpen kleurrijke SC worden verhoogd met verschillende fotonische of elektrische middelen.

Vervolgens demonstreren we de toepassing van de a-Si:H SC's in patroonweergave en esthetische architectuur. Afbeelding 4 toont het ontworpen logo van Soochow University (links boven), het vergrote deel van het logo (midden boven), de gedetailleerde structuurinformatie voor RGB-ontwerpen (rechts) en de bijbehorende RGB-waarden van zeven kleuren in het logo (midden onder ). (1) Er zijn zeven kleurelementen in het logo, bestaande uit de primaire RGB-elementen. (2) De vier cirkels zijn rood, de woordenlijsten onderaan de buitenste ring zijn groen en de Chinese karakters bovenaan de buitenste ring zijn blauw, rechtstreeks afkomstig van de kleurgestuurde SC's. (3) De achtergrond vertoont een kleur paars in grijs, bestaande uit gelijke RGB-bijdragen. De RGB-waarde in het logo staat voor de drie componenten rood, groen en blauw. Voor rood geldt bijvoorbeeld:hoe kleiner de waarden van groen en blauw, hoe groter de kleurverzadiging [33]. Daarom is de verzadiging van rode en blauwe kleuren hoger dan die van groen, wat leidt tot een groter aantal R- en B- dan G-waarden in de mengkleur, waardoor deze paars wordt [34]. (4) De RGB-waarden zijn niet groot genoeg in vergelijking met de maximale waarde van 255, wat leidt tot een lage helderheid en grijze kleur. De centrale Chinese karakters zijn magenta, bestaande uit gelijk rood en blauw, zoals blijkt uit de vergrote afbeelding rechtsboven in Fig. 4. (5) De chromatische aberratie van magenta is kleiner dan de andere mengkleuren vanwege de betere verhouding van RGB-componenten. De "SOOCHOW" (UNIVERSITEIT) zijn cyaan (geel), bestaande uit respectievelijk groen en blauw (rood en groen). Beide hebben problemen met proportionele RGB-onbalans en lage helderheid. Hoewel er ruimte is voor verdere verbetering, is het patroon als geheel duidelijk en herkenbaar.

Logo van Soochow University, met pixels samengesteld uit RGB a-Si:H SC's. De inzet toont de microscopische pixelsamenstelling, de structuurdetails van de RGB a-Si:H SC's en de RGB-waarden van kleurenkaarten gemengd door de drie primaire kleuren

In praktische toepassingen kunnen, in tegenstelling tot de nanogestructureerde SC's, de voorgestelde RGB SC's in vlakke configuratie worden gefabriceerd door de zeer volwassen commerciële fabricageprocessen [35]. Onderaan bevindt zich een representatieve a-Si:H-zonnecel met een p-i-n-structuur. Ten eerste wordt de n-type amorf silicium (na-Si:H) laag afgezet op een TCO-gecoat substraat (glas of plastic) door PECVD, intrinsiek amorf silicium (ia-Si:H) en p-type amorf silicium ( pa-Si:H)-lagen worden op dezelfde manier gevolgd. De bovenste elektrode is dan meestal de TCO-laag, die door sputteren wordt afgezet [36]. Vervolgens wordt de bufferlaag aangebracht op de volledige a-Si:H SC, gevolgd door de alternerende laag van DBR met behulp van magnetronsputteren [37]. Uiteindelijk worden RGB a-Si:H SC's voltooid door de bovenste dubbellaagse ARC's af te zetten met magnetronsputteren. In het voorbereidingsproces is een variatie van de dikte van 1 tot 5% mogelijk. Om het effect van de variatie van de diktes te onderzoeken, introduceren we daarom een ​​willekeurige variatie van de dikte (bijvoorbeeld van − 5% tot 5%) voor elke laag. De simulatieresultaten laten zien dat de kleurverschillen (ΔE) variëren van 1,9 tot 11,2 voor rood, 1,3 tot 15,7 voor groen en 0,5 tot 2,9 voor blauw. Het is duidelijk dat de blauwe SC's de beste tolerantie hebben voor het effect van de variatie van de diktes. Hoewel de kleurverschillen voor rood (groen) oplopen tot 11,2 (15,7), liggen de gemiddelde waarden hiervan rond de 4,3 (8). Daarnaast onderzoeken we de variatie van de dikte (bijv. − 5% en 5%) voor elke laag op de Eff van SC, de overeenkomstige Eff vertoont een kleine variatie in het bereik van − 0.1% tot 0.4% voor de RGB SC's. We kunnen dus stellen dat de efficiëntie van SC robuust is tegen de typische dikteafwijking van de DBR en ARC's in experimenten.

Ten slotte onderzoeken we het effect van de invalshoek op de ontworpen kleuren. Afbeelding 5a laat zien hoe de ontworpen RGB-kleuren evolueren naarmate de invalshoek groter wordt (θ ). Het is duidelijk dat de blauwe en groene SC's betere toleranties hebben tegen de hellende incidentie, vergeleken met de rode waarvan de kleur is veranderd van rood (θ = 0°) naar groen (θ> 70°). Ter vergelijking:Fig. 5b toont de loci van de ontworpen RGB-kleuren in de CIE 1931-chromaticiteitscoördinaten met continu toenemende θ . Volgens het CIE-diagram neemt de verzadiging van alle kleuren af ​​met toenemende θ , vooral onder een grote θ = 80°, waarbij de kleuren heel dicht bij het E-punt liggen (het laagste verzadigingspunt). Afbeelding 5c ​​toont het logo van Soochow University onder verschillende invalshoeken. Het doellogo bestaat uit zeven standaardkleuren en elke kleur heeft de meest standaard tint, verzadiging en helderheid. De standaard RGB is samengesteld uit standaard rode, groene en blauwe kleuren met andere kleuren gegenereerd uit hun combinaties. Beide worden gebruikt ter vergelijking. Het is duidelijk dat het logo ook onder grote invalshoeken goed leesbaar is; de patroonkleuren zijn echter tot op zekere hoogte veranderd door de invalshoek te vergroten. Dit laat ruimte voor verdere optimalisatie in de toekomst.

een De evoluties van de RGB-kleuren weergegeven door de ontworpen a-Si:H SC's met de invalshoek. b De variaties van de RGB-posities in CIE 1931 coördineren met het vergroten van de invalshoek. c De logopatronen weergegeven door de a-Si:H SC onder verschillende invalshoeken (0°, 30°, 45° en 60°). In c , het doellogo en het logo van standaard RGB zijn ter vergelijking opgenomen

Conclusies

Samenvattend hebben we de dunne-film a-Si:H SC's voor elektriciteitsopwekking en weergavetoepassing tegelijkertijd voorgesteld voor de overweging van BIPV's van het nieuwe type. De basis RGB-weergave wordt aangestuurd door de DBR's en de systeemprestaties van de kleurgestuurde a-Si:H SC worden geoptimaliseerd door ARC- en bufferlagen toe te passen. Dankzij de geavanceerde optische dunnefilmstrategieën kan de a-Si:H SC de zeer zuivere rode, groene en blauwe kleuren vertonen, met een kleurruimte die vergelijkbaar is met die van sRGB. We onderzoeken verder de elektrische prestaties op basis van het opto-elektronische model van kleurgestuurde SC's, waaruit blijkt dat de efficiëntie van de stroomconversie respectievelijk 4,88%, 5,58% en 6,54% kan zijn voor R-, G- en B-cellen. De RGB-cellen zijn ontworpen om het logo van Soochow University met succes weer te geven, dat zelfs onder een zeer grote invalshoek gemakkelijk kan worden onderscheiden. Vergeleken met de nanogestructureerde SC's, kunnen de voorgestelde a-Si:H SC's in vlakke configuratie worden gefabriceerd door de zeer volwassen commerciële fabricageprocessen. Hoewel alleen a-Si:H SC's worden geïnvesteerd, kunnen het kleurenweergaveprincipe en het elektrische evaluatiesysteem van kleurgestuurde SC's worden toegepast voor andere soorten SC's. Bovendien kan zo'n gekleurd paneel worden toegepast in de moderne gebouwmuren of daken om een ​​patroon weer te geven, waardoor de esthetische architectuur ontstaat.

Afkortingen

A :

Absorptie

ARC's:

Antireflectiecoatings

BIPV's:

Geïntegreerde fotovoltaïsche energie

CAL:

Kleuraanpassingslaag

CIE:

Commission Internationale de L'Eclairage

DBR:

Gedistribueerde Bragg-reflector

Eff:

Efficiëntie van fotoconversie

EQE:

Externe kwantumefficiëntie

FF:

Vulfactor

FP:

Fabry-Perot

J sc:

Kortsluitstroomdichtheid

J -V :

Stroom-spanning

NTSC:

Nationale commissie voor televisiesystemen

PECVD:

Plasma-versterkte chemische dampafzetting

R :

Reflectiviteit

RCWA:

Rigoureuze analyse met gekoppelde golven

RGB:

Rood-groen-blauw

SC's:

Zonnecellen

sRGB:

Standaard rood-groen-blauw

STCPC:

Selectief transparant en geleidend fotonisch kristal

TCO:

Transparant geleidend oxide

V oc:

Nullastspanning