Plasmon-versterkte lichtabsorptie in (p-i-n) Junction GaAs nanodraad-zonnecellen:een FDTD-simulatiemethodestudie

Resultaten en discussie

De optimale keuze van NW-geometrie of de verhouding tussen vuldiameter en periodiciteit (D /P ratio) maakt een zeer efficiënte absorptie van de zonnecel mogelijk. Daarom hebben we de D . geoptimaliseerd /P verhouding van de NW door optische simulatie om de beste optische absorptiekarakteristieken te bereiken in een GaAs nanowire array-zonnecel met p -ik -n knooppunt. Afbeelding 2 toont het totale opgenomen vermogen van een kale GaAs-nanodraad met een lengte (L = 1 µm) en diameter (D = 100 nm), bij verschillende periodiciteit tussen 165 en 500 nm en beeldverhouding tussen 0,6 en 0,2. Uit figuur 2 blijkt dat voor golflengten van 300-600 nm de absorptie-efficiëntie van de NW's in alle simulaties boven de 90% wordt gehouden, ongeacht de NW D /P verhouding, die veel hoger is dan die voor het materiaal dunne films. Voor de NW D /P verhouding van 0,2 (ononderbroken lijn), treedt een scherpe afname in absorptie op voor fotonenergieën die kleiner zijn dan de overeenkomstige bandgap voor naakt GaAs NW. Boven 600 nm tot de golflengte dichtbij de bandgap, laat figuur 2 zien dat de absorptie van het NW sterk wordt beïnvloed door het verhogen van de D /P verhouding. Het beste absorptiespectrum werd verkregen bij een D /P verhouding van 0,6 (holle cirkels). Naarmate de NW-periodiciteit afneemt met de toename van D /P verhouding, laat figuur 2 zien dat het lichtvangende effect van de NW's drastisch afneemt bij de golflengte dichtbij de bandgap voor lagere NW D /P verhoudingen. In de literatuur is aangetoond dat de D /P ratio speelt een belangrijke rol bij de absorptie van GaAs NW's [34, 35]. FDTD-berekeningen laten zien dat de optische absorptie van NW's gevoelig is voor geometrische parameters zoals NW-diameter, lengte en grotere D /P verhouding. Echter, in combinatie met metalen NP's, is de absorptie van NW's met een lagere D /P verhouding bij de golflengte nabij de bandgap verbetert significanter dan die met een hogere NW D /P verhouding. Gemotiveerd door deze observatie hebben we optische simulaties uitgevoerd voor onze GaAs NW-structuren die zijn opgenomen met verschillende NP's-groottes bij kleinere D /P verhoudingen van respectievelijk 0,2 en 0,3. Als typisch voorbeeld toont figuur 3 het berekende totale absorptievermogen voor GaAs NW's bij een D /P verhouding van 0,2 opgenomen met verschillende Au-NP-diameters van respectievelijk 30 nm (gevulde stippen), 40 nm (gevulde vierkanten), 50 nm (gevulde driehoeken) en 60 nm (holle cirkels). Ter vergelijking is ook de absorptie van het kale NW uitgezet (ononderbroken lijn). Uit figuur 3 kan worden afgeleid dat wanneer de Au NP's worden geïntroduceerd, een NP-grootteafhankelijke veldverbetering binnen het NW goed is ingeburgerd. Dit komt waarschijnlijk door de resonante koppeling van de vrije geleidingselektronen, ook wel plasmonen genoemd, wat leidt tot een verhoogde absorptie in het NW. We ontdekten dat naarmate de grootte van de ingebouwde NP's toeneemt, de NW-absorptie effectief wordt verbeterd, het meest significant bij de lichtgolflengte boven de snijkant van 650 nm tot de bijna-bandgap-golflengte van 800 nm. De beste absorptie binnen het NW wordt bereikt wanneer 60 nm Au NPs-diameter wordt opgenomen. Aan de andere kant, bij korte golflengten van 300-400 nm, vertoont de simulatie een bescheiden daling van de absorptieprestaties van bijna 20-30% na de opname van het volledige bereik van Au NP's. Bovendien treedt een scherpe afname van het absorptievermogen op bij golflengten die overeenkomen met de plasmonresonantie van de ingebouwde Au NP's (golflengten van 440-470 nm). Dit is waarschijnlijk te wijten aan gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonanties (LSPR's) die zich in de NP's bevinden. Vervolgens onderzochten we de veldverdeling binnen het NW bij de bijna-bandgap-golflengte van 800 nm, waar de optische absorptie van het NW effectief wordt verbeterd door de oppervlakteplasmonen. We vergeleken de lichtverdeling binnen de NW-structuur voor en na het decoreren van de NW's met de Au NP's, zoals weergegeven in Fig. 4. De laatste toont een bovenaanzicht van de 2D-intensiteitsverdeling in de x –j vlak over de dwarsdoorsnede van een GaAs NW verkregen uit de simulatietopmonitors voor het elektrische veld |E | (a), en het totale geabsorbeerde vermogen (b), bij de golflengte van 800 nm voor en na decoratie met Au NP's met een diameter van respectievelijk 30, 40, 50 en 60 nm. De kleurenbalk geeft de veldintensiteit aan, genormaliseerd naar de maximale waarde. Uit de resultaten blijkt dat voor kleine NP-afmetingen het ingesloten elektrische veld behoort tot de lage-orde gelokaliseerde oppervlakteplasmonmodus, terwijl naarmate de diameter van NP toeneemt, de hogere-ordemodus wordt geëxciteerd. Uit Fig. 4 is te zien dat de lichtkoppeling van de Au NP's in de x -richting in de naburige GaAs NW is gemakkelijk duidelijk en het duidelijkst wanneer de grootte van de opgenomen Au NP's toeneemt. Daarentegen wordt geen effect van veldversterking en/of lichtkoppeling in het NW gevonden van de NP's in de y -richting. De collectieve oscillaties van de NP's lijken zich te concentreren op de voorwaartse en achterwaartse richtingen van de NP's in plaats van op de koppeling in het NW. Wanneer de D /P verhouding van de NW-vulling wordt verhoogd tot 0,3 (Fig. 5) en Au NP's met een diameter van 40 nm (gevulde cirkels), 50 nm (gevulde driehoeken) en 60 nm (holle cirkels) worden respectievelijk opgenomen, de algehele absorptie-efficiëntie van de NW blijft boven de 95% voor de verschillende opgenomen NP-maten. In vergelijking met figuur 3 wordt een lichte afname van de absorptie-efficiëntie waargenomen voor golflengten die overeenkomen met de plasmonresonantie van de ingebouwde NP's in het bereik van 440-470 nm. Naarmate de grootte van de ingebouwde Au NP's toeneemt, wordt de NW-absorptie effectief verbeterd, en opnieuw het meest significant tussen de golflengten van 650 nm - tot aan de rand van de GaAs-bandgap. Bovendien wordt de beste NW-absorptie gevonden wanneer 60 nm Au NP-diameter wordt opgenomen. De simulatieresultaten in Fig. 3, 4 en 5 suggereren sterk dat de opname van de Au NP's in de NW's leidt tot een sterk verbeterde absorptie van de GaAs NW's, zelfs bij kleine D /P verhoudingen waar de absorptie van de kale NW's lager is dan verwacht. De LSPR die plaatsvond aan het oppervlak van de Au NP's is waarschijnlijk de belangrijkste bron van het verbeterde lokale veld binnen de uitgelijnde GaAs NW's. De LSPR is sterk afhankelijk van de NP-grootte, vorm en omringende materiaaleigenschappen [13]. Om de plasmon-versterkte NW-absorptie in meer detail te verduidelijken, hebben we de GaAs NW-veldversterking onderzocht wanneer deze werd versierd met een enkele NP met een diameter van 60 nm, die de beste resultaten bleek te hebben. We stelden de NW-periodiciteit in op 0,2 en kozen drie typische lichtgolflengten van 450, 600 en 800 nm. Bij deze lichtgolflengten heeft de NP-decoratie waarschijnlijk invloed op de NW-absorptie. We vergeleken de lichtverdeling binnen de NW-structuur voor en na decoratie met de NP's, zoals weergegeven in Fig. 6a-h. Figuur 6a toont een zijaanzicht van de 2D elektrische veldsterkte bij een golflengte van 450 nm voor kale GaAs NW berekend door FDTD. Zoals te zien is, vertoont de lichtverdeling van het kale NW in Fig. 6a een mooi absorptieprofiel aan de boven-, midden- en onderkant van het NW. Aan de andere kant toont de simulatie van de Au-geïncorporeerde GaAs NW in figuur 6b een klein effect op de NW-absorptie, d.w.z. het invallende licht wordt nauwelijks geabsorbeerd over de gehele lengte van de NW. De zwakke E -veldverdeling binnen het NW duidt op een slechte lichtabsorptie. Bovendien is het lichtveld eerder geconcentreerd rond de Au NP's dan binnen het NW. Dit komt waarschijnlijk door de lagere extinctiecoëfficiënt van de aangeslagen LSPR in het nabije veld [15]. Figuur 6c toont de lichtverdeling voor kale GaAs bij een golflengte van 600 nm. De figuur illustreert dat het grootste deel van het invallende licht wordt geabsorbeerd in de bovenste helft van de GaAs NW. Na decoratie met de Au NP's, toont Fig. 6d een verbeterd absorptieprofiel in vergelijking met Fig. 6b. Een klein deel van het E-veld is gelijkmatig verdeeld met een hogere intensiteit over de gehele lengte van het NW, met de neiging zich te concentreren aan de bovenkant van het NW. Bovendien laat figuur 6d zien dat de excitatieoverdracht dominant is binnen de NP's. Bij een golflengte van 800 nm vertoont de absorptie van het kale NW een uniforme veldverdeling aan de boven-, midden- en onderkant van het hele NW, zoals weergegeven in figuur 6e. Aan de andere kant wordt de NW-absorptie aanzienlijk verbeterd na decoratie met Au-NP, en de geabsorbeerde veldintensiteit binnen de GaAs NW blijft vrijwel onveranderd van de boven- tot de onderkant van de NW (figuur 6f). Bovendien is een geconcentreerd veld rond de NP's gemakkelijk te zien. Figuur 6g en h tonen het bovenaanzicht van de 2D E-veldverdeling binnen de GaAs NW bij 800 nm, zoals weergegeven in respectievelijk figuur 6e en f. Aangezien onze studie zich alleen richt op het verfraaien van de GaAs NW's met Au NP's, vergeleken met gepubliceerde literatuurresultaten [34], geven onze bevindingen aan dat de metalen NP's de absorptie van GaAs NW's zelfs bij lagere D verbeteren /P verhouding, d.w.z. van 0,2. De vooruitgang van onze resultaten is de mogelijkheid om de absorptie van de NW's bij hogere golflengten, d.w.z. 600 en 800 nm, verder te verbeteren.

De totale absorptieprestaties van GaAs NW met verschillende D /P verhoudingen zonder toevoeging van Au-metaalnanodeeltjes

De totale absorptie-efficiëntie van GaAs NW met D /P verhoudingen van 0,2 (a ) ingebouwd met verschillende Au NP-maten van 30 tot 60 nm in diameter in vergelijking met kale NW

Bovenaanzicht van de 2D lichtverdeling; een het berekende opgenomen vermogen; b de GaAs-nanodraad na opname van de Au NP's met een diameter van 30, 40, 50 en 60 nm berekend door FDTD bij de lichtgolflengte van 800 nm vergeleken met de kale GaAs NW

De totale absorptie-efficiëntie van GaAs NW met D /P verhoudingen van 0,3 opgenomen met verschillende Au NP-groottes van 40 tot 60 nm in diameter in vergelijking met de kale NW

Zijaanzicht van de 2D-lichtverdeling voor de kale GaAs-nanodraad bij golflengten a 450, c 600, en e 800 nm vergeleken met de GaAs NW versierd met 60 Au NP's (b ), (d ), en (f ). Cijfers g en h toon het bovenaanzicht van Figuren (e ) en (f ), respectievelijk

Om de analyseset te voltooien, wordt het totale geabsorbeerde vermogen binnen de GaAs NW berekend na het verfraaien van de 60 nm Au NPs-diameter op de drie snijlichtgolflengten van 450, 600 en 800 nm (Fig. 7a-f). Nogmaals, het totale geabsorbeerde vermogen voor het blote NW bij deze drie lichtgolflengten is ter vergelijking opgenomen. Uit Fig. 7a-f kan worden geconcludeerd dat een verhoogd geabsorbeerd vermogen wordt waargenomen in het NW na decoratie van de Au NP's, vooral bij de hogere golflengten van 600 en 800 nm, vergeleken met de kale GaAs NW. Het best geabsorbeerde vermogen wordt gevonden voor de GaAs-Au gedecoreerde NW bij een golflengte van 800 nm (figuur 7f). Voor de laatste is de geabsorbeerde vermogensverdeling sterk verhoogd in de bovenste helft van de GaAs NW, wat consistent is met de eerdere resultaten in Fig. 3. Figuur 7g, h toont het bovenaanzicht van de 2D E -veldverdeling binnen de GaAs NW bij 800 nm, zoals weergegeven in respectievelijk Fig. 7e, f. Deze simulatiebevindingen geven aan dat de lichtconcentratie als gevolg van de excitatie van LSPR rond Au NP's leidt tot verbeterde gelokaliseerde fotostromen in de GaAs NW, waardoor ze kunnen dienen als effectieve energieoverdrachtsantennes op nanoschaal voor het invallende licht. Om meer inzicht te krijgen in de absorptie-efficiëntie van de nanodraden, werden de extinctie-dwarsdoorsnedegegevens (absorptie + verstrooiing) van de GaAs NW's voor en na decoratie met de 60 nm Au NP's berekend. Figuur 8a, b toont de optische extinctie-dwarsdoorsnede voor kale GaAs-nanodraden (a) en Au-gedecoreerde nanodraden (b) onder loodrechte verlichting. Figuur 8a geeft een maximale absorptie weer van het kale NW bij een golflengte van ongeveer 400 nm. Dit laatste verklaart vrij goed dat de GaAs NW's goede absorbers zijn in het UV-gebied van het EM-spectrum. Bovendien wordt de extinctiecoëfficiënt in figuur 8a gedomineerd door NW-absorptie, terwijl lichtverstrooiing minimaal is. Figuur 8b toont de gesimuleerde optische extinctie-dwarsdoorsnede van GaAs NW versierd met Au NP's met een diameter van 60 nm. Zoals te zien is, vertoont het lichtvangende vermogen van GaAs NW twee absorptiepieken als volgt:(1) In het nabij-infrarode gebied; de NW-absorptie neemt  ~ 8% in beslag bij een golflengte van 650 nm. Dit zijn vermoedelijk de LSPR's die op de zijwand rond het NW zijn opgesloten; (2) In het verre veld neemt de NW-absorptie  ~ 35% bij  ~ 800 nm golflengte in beslag, terwijl een hogere optische extinctiecoëfficiënt behouden blijft. Als we Fig. 8a, b vergelijken, kan worden afgeleid dat de optische dwarsdoorsnede effectief wordt vergroot. Een orde van grootte toename van de optische dwarsdoorsnede is direct duidelijk. Vervolgens worden de optische generatie en fotoconversie-efficiëntie van onze zonnecelstructuur voor en na decoratie met NP's onderzocht. Figuur 9a toont de efficiëntie van de NW-zonnecelstructuur met (rode lijn) en zonder decoratie van Au NP's (zwarte lijn) onder AM 1.5G-verlichting. We zien duidelijk een verhoogde fotostroom als gevolg van decoratie met Au NP's. De nullastspanning (V _oc ) neemt licht toe van 0,878 (voor kale NW's) tot 0,899 (voor gedecoreerde NW's). Bovendien is de kortsluitstroomdichtheid (J _sc ) neemt drastisch toe van 18,9 (voor kale NW's) tot 24,3 mA/cm ² (voor gedecoreerde NW's). Afbeelding 9b toont een toenemende efficiëntie van fotoconversie met toenemende D /P verhouding (maximaal op 0,6). De afbeelding laat zien dat de fotoconversie-efficiëntie toeneemt met toenemende D /P verhouding tot waarden tussen 0,5 en 0,6, waarboven stabiliteit van fotoconversie-efficiëntie wordt bereikt. Dit is vermoedelijk te wijten aan het feit dat het invallende licht in een volledige golflengteband kan worden geabsorbeerd door GaAs-nanodraden als de D /P verhouding groot genoeg is. Bovendien neemt de reflectie toe bij hoge D /P verhoudingen, die de absorptie-efficiëntie zouden verminderen. Uit de figuur blijkt dat de efficiëntie van de nieuwe structuur met een factor 24 wordt verbeterd van 12,96 naar 16,92% wanneer de D /P verhouding is 0,4. Omdat de fotoconversie-efficiëntie schijnbaar door vele factoren wordt beïnvloed, is het uit onze resultaten denkbaar dat de verbetering in fotostroomdichtheid te wijten is aan de opname van Au NP's in onze NW's-structuren. De laatste biedt een methode om de lichtvangst bij lagere D . te verbeteren /P verhoudingen van het GaAs NWs-materiaal. Onze studie waarin LSPR's worden gecombineerd met nanodraadarrays, die beide duidelijke effecten hebben op het opvangen van licht, biedt inzicht in verder onderzoek om de zonne-efficiëntie te verbeteren en kan de kosten van zonnecellen verlagen als ze verder worden geoptimaliseerd.

Zijaanzicht van 2D-absorptievermogensverdeling in kale GaAs bij golflengten a 450, c 600 en 800 nm e vergeleken met NPS-versierde GaAs NW (b ), (d ) en (f ). Afbeeldingen g en h toon het bovenaanzicht van afbeeldingen (e ) en (f ), respectievelijk

De absorptie-, verstrooiings- en extinctiedoorsneden (absorptie + verstrooiing) voor kale GaAs NW a onder loodrechte verlichting en b voor NW gedecoreerd met respectievelijk 60 Au NP's (maximaal 26 NP's)

een Vergelijking van ik –V kenmerken tussen kale NW's en NW's met 60-nm Au NP's; b fotoconversie-efficiëntie van NW's met verschillende D /P versierd met 60-nm Au-nanodeeltjes

Na lichtabsorptie hebben we drie mogelijke mechanismen voor plasmonische versterking binnen het NW naar voren gebracht, waarbij gebruik wordt gemaakt van (1) verstrooiing van invallende fotonen, (2) overdracht van ladingsdragers en (3) verbetering van het nabije veld. Gezien mechanisme (1) hebben onze NP's met een diameter van 60 nm een ​​voldoende groot volume om licht efficiënt te verstrooien. Dit komt doordat de intensiteit van het verstrooide licht varieert met de zesde macht van de deeltjesdiameter [39]. In dit opzicht fungeren de plasmonische NP's als nanoreflectoren voor invallende fotonen in de voorwaartse en achterwaartse richting door middel van absorptie- en heremissiemechanismen [40]. Dit laatste leidt tot een verlenging van het gemiddelde fotonenpad, wat resulteert in een toenemende invangsnelheid van invallende fotonen. Wat betreft mechanisme (2), in de plasmonische halfgeleider-NW-combinatie, blokkeert een Schottky-barrière gelokaliseerd op het grensvlak de overdracht van elektronen van het NP naar het NW en vice versa. Als de geabsorbeerde energie van hete elektronen bij LSPR-excitatie van de metalen NP's echter voldoende is, kunnen de elektronen de barrière overwinnen en in de geleidingsband van de NW worden geïnjecteerd. In deze afbeelding draagt ​​mechanisme (2) bij aan de plasmonische verbetering van de lichtabsorptie binnen de verticaal uitgelijnde GaAs-nanodraad. Bovendien wordt invallend licht geabsorbeerd in een geschikt spectraal bereik met gelijktijdige overlap van LSPR en bandgap-energie kan de bandgap-excitatie van de halfgeleider aanzienlijk veroorzaken. Vanuit dit oogpunt kunnen verhoogde snelheden van elektron-gatgeneratie worden bereikt in de NW-halfgeleider die wordt blootgesteld aan het elektrische veld in mechanisme (3). Bovendien kan de immobilisatie van Au NP's in contact met de halfgeleider NW vaak de ladingsscheiding vergemakkelijken bij het genereren van elektronen-gatparen, aangezien de Fermi-niveaus van de plasmonische NP's veel lager zijn dan die van de geleidingsbandranden van de halfgeleiders [41] . Omdat het mechanisme van injectie met hete drager vereist dat de metalen NP's en de NW in ultiem contact zijn, is gevonden dat de dragergeneratie van de halfgeleider wordt verbeterd door de LSPR van het metaal, zelfs onder elektrische isolatie [42,43,44 ,45,46,47,48,49,50]. In de buurt van de NP's wordt een sterk elektrisch veld waargenomen; waarvan de intensiteit enkele ordes van grootte groter is dan die van het invallende verre veld [41]. Dit laatste is levendig aangetoond in een optische simulatiestudie met behulp van de finite-difference time-domain (FDTD)-methode [51].