Optimalisatie van breedbandig lichtabsorptie in dun-film silicium zonnecellen met dubbelzijdige piramide-golven

Samenvatting

Het gebruik van een dubbelzijdig piramide-golf op kristallijn-silicium (CS) dunne films kan de lichtabsorptieprestaties aanzienlijk verbreken. Een voorgolf onderdrukt effectief reflectie in het korte-golfregime, terwijl een achtergolf een vergelijkbaar effect bereikt bij langere golflengtes. Deze studie analyseert de foton-absorptieverdeling voor elk component van de dubbelzijdige structuur en vergelijkt dit met kaal CS. Theoretische simulaties tonen aan dat nauwkeurige afstelling van golfparameters de breedbandreflectie dramatisch reduceert, wat de creatie van zwart silicium vergemakkelijkt en de algehele lichtopvang verhoogt. Onze resultaten wijzen er echter op dat het toevoegen van een achtergolf niet leidt tot hogere effectieve absorptie in de silicium-bulk.

Achtergrond

Vooruitgang in micro-fabricatie heeft nanometerschalige oppervlakteteksturen en ontworpen morfologieën een hoeksteen gemaakt van next-generation fotovoltaïsche toepassingen. Voor CS dun-film zonnecellen is het optimaliseren van structurele parameters cruciaal om de efficiëntie naar de theoretische Yablonovitch-limiet te duwen. Omdat elk geabsorbeerde foton met energie boven de bandkloof een enkel elektronen-gat paar genereert, bepaalt de verdeling van fotonabsorptie over de lagen van de cel de uiteindelijke conversie-efficiëntie. Dit artikel richt zich op hoe voorgolven (FPG), achtergolven (RPG) en hun combinatie (DSPG) de fotonabsorptie in de CS-laag beïnvloeden.

We splitsen de totale fotonabsorptie A in drie bijdragen: absorptie in de voorgolven (A_F), in de silicium-bulk (A_Si), en in de achtergolven (A_R), zoals geïllustreerd in Fig. 1. Deze voldoen aan de behoudsrelatie R + T + A = 1. Belangrijk is dat A_Si verschillend berekend wordt voor elke structurele variant.

Verschillende structuren van kristallijn-silicium (CS) dun-film zonnecellen met of zonder piramide-golven. a Kaal kristallijn silicium (BCS). b Voorpiramide-golf (FPG). c Achterpiramide-golf (RPG). d Dubbelzijdige piramide-golf (DSPG). (A_F, A_Si en A_R vertegenwoordigen de lichtabsorptie van de vooroppervlakte-golven, het CS-deel en de achteroppervlakte-golven respectievelijk. H is de dikte van de CS-laag; P₁, D₁, H₁ en P₂, D₂, H₂ vertegenwoordigen de periode, bodemdiameter en hoogte van de silicium-piramide van de voor- of achterzijde respectievelijk)

Methoden

Onze simulaties combineren de nettostralingsmethode met de effectieve-medium benadering, een combinatie die consistent experimentele data voor silicium-golven heeft gematcht. Figuur 2 toont het multicouche-systeem: een N-laag stapel met complexe brekingsindices N_i op elke interface (i = 1…N-1). Inkomende en uitgaande energiestromen worden aangeduid als Q_i,a, Q_i,b, Q_i+1,c en Q_i+1,d.

Schematische multicouche-medium structuur van de silicium-piramide-golven, met nummerconventie van interfaces (1, …, i, …, N - 1), complexe brekingsindex (N₁, …, N_i, …, N_N) en elektromagnetische stralingsfluxen (Q_i,a, Q_i,b, Q_i+1,c, Q_i+1,d, …)

Energiebalans op elke interface volgt:

{
Q_{i,a}=\tau_iQ_{i,c}
Q_{i,b}=r_{i,i+1}Q_{i,a}+t_{i+1,i}Q_{i+1,d}
Q_{i+1,c}=t_{i,i+1}Q_{i,a}+r_{i+1,i}Q_{i+1,d}
Q_{i+1,d}=\tau_{i+1}Q_{i+1,b}
}

waarbij r_i,i+1 en t_i,i+1 de Fresnel-reflectiviteit en -transmissiviteit zijn. De absorptie-verzwakking van laag i is:

\tau_i=\exp\left[-\alpha_i\,d_i/\cos\varphi_i\right]

met α_i = 4\pi k_i/\lambda en k_i het imaginaire deel van N_i. Bij normale inval Q_1,a=1 en nul uitgaande flux achterin Q_N,d=0, is de absorptiecoëfficiënt van laag i A_i=Q_i,a−Q_i,c+Q_i,d−Q_i,b.

Effectieve brekingsindices voor de piramide-lagen worden verkregen via de Bruggeman-formule:

\frac{f_1(N_{Si}^2-N_{Eff}^2)}{N_{Si}^2+2N_{Eff}^2}+ \frac{f_2(N_{Air}^2-N_{Eff}^2)}{N_{Air}^2+2N_{Eff}^2}=0

waarbij f₁ en f₂=1−f₁ de volumefracties van silicium en lucht zijn. De totale geabsorbeerde fotonflux in laag i is dan:

\Phi_i=\int A_i\,F(\lambda)\,\lambda/(h_0c_0)\,d\lambda

met F(\lambda) het AM1.5 zonspectrum. De geaggregeerde geabsorbeerde flux is Φ=\sum_i\Phi_i.

Resultaten en discussie

Voor een eerlijke vergelijking stellen we de CS-laagdikte in op H = 10 µm. De piramide-hoogte en basisdiameter zijn vastgezet op H₁=H₂=200 nm en D₁=D₂=100 nm respectievelijk. De periode-tot-diameterverhouding van de voorgolf is P₁/D₁=1. Voor de achtergolf verkennen we P₂/D₂=1 en 10. De dubbelzijdige configuratie combineert deze parameter sets.

Figuur 3 vat de optische prestaties van elke structuur samen. De voorgolven reduceren de breedbandreflectie dramatisch en verhogen de totale absorptie, met name in het korte-golfgebied (regio's I en II). De achtergolven onderdrukken reflectie verder in het infrarood (regio II) wanneer P₂/D₂=10. Samen kan de DSPG de Yablonovitch-limiet benaderen en nabij-nul reflectie over het hele spectrum bereiken, een kenmerk van zwart silicium. Interessant genoeg verhogen de achtergolven de zichtbare en nabij-IR transmissie, wat fotodetectors kan ten goede komen.

Optische eigenschappen van verschillende silicium-piramide-golf structuren vergeleken met de BCS van dezelfde dikte (BCS (H = 10 µm), FPG (P₁/D₁=1, H₁=200 nm), RPG (P₂/D₂=1 of 10, H₂=200 nm), DSPG (P₁/D₁=1, P₂/D₂=1 of 10, H₁=H₂=200 nm)). (a), (b) en (c) zijn de totale lichtreflectiviteit, absorptiviteit en transmissiviteit respectievelijk.

Om te ontleden waar fotonen geabsorbeerd worden, presenteren we driedimensionale contourkaarten voor de FPG- en RPG-structuren in Fig. 4 en Fig. 5. Deze kaarten onthullen dat voor de FPG, het verhogen van de piramide-hoogte de totale absorptie verbetert, maar uiteindelijk de silicium-bulk absorptie vermindert zodra de voorlaag te hoog wordt. De optimale voorgolf-geometrie lijkt te liggen bij P₁/D₁=1,05 en H₁=53 nm.

Contourkaarten van de fotonabsorptieverdeling in verschillende delen voor FPG-structuur. (a) De totale fotonabsorptie A. (b) De fotonabsorptie van de vooroppervlakte-golven A_F. (c) De fotonabsorptie van CS-deel A_Si. (De stippenlijn in de illustratie vertegenwoordigt de absorptie van BCS)

Contourkaarten van de fotonabsorptieverdeling in verschillende delen voor RPG-structuur. (a) De totale fotonabsorptie A. (b) De fotonabsorptie van CS-deel A_Si. (c) De fotonabsorptie van de achteroppervlakte-golven A_R. (De stippenlijn in de illustratie vertegenwoordigt de absorptie van BCS)

Voor de RPG verhoogt een grotere periode-tot-diameterverhouding (P₂/D₂=10) gecombineerd met een kortere piramide-hoogte de infraroodabsorptie door licht terug te richten naar de actieve laag. De silicium-bulk absorptie blijft echter grotendeels onveranderd omdat de achtergolven veel fotonen reflecteren in plaats van ze op te vangen. Gevolgd, hoewel de achtergolven de totale absorptie verbeteren, versterken ze niet de effectieve absorptie in de CS-bulk.

Figuur 6 consolideert de prestaties van vier representatieve DSPG-parameter sets. Wanneer de verhouding van de voorgolf te groot is (bijv. P₁/D₁=10 met H₁=10 nm), neemt reflectie toe en daalt absorptie. Alleen de configuratie P₁/D₁=1,05, H₁=53 nm, gekoppeld met P₂/D₂=1,03 en H₂=170 nm levert nabij-nul reflectie en maximaal absorptie over het spectrum. Toch overschrijdt zelfs in deze optimale DSPG de fractie fotonen geabsorbeerd door de silicium-bulk niet die van de beste FPG alleen, wat benadrukt dat achtergolven beperkte voordelen bieden voor bulk-absorptie.

Optische eigenschappen van vier sets verschillende parameters voor de DSPG (P₁/D₁=10, H₁=10 nm en P₂/D₂=1,03, H₂=170 nm of P₂/D₂=10, H₂=10 nm; P₁/D₁=1,05, H₁=53 nm en P₂/D₂=1,03, H₂=170 nm of P₂/D₂=10, H₂=10 nm) vergeleken met de BCS (H=10 µm) en FPG (P₁/D₁=1,05, H₁=53 nm en P₁/D₁=10, H₁=10 nm). (a), (b), (c) en (d) zijn de totale lichtreflectiviteit, transmissiviteit, absorptiviteit en de absorptiviteit van CS-deel respectievelijk.

Samenvattend, hoewel de achtergolf de spectrale respons kan afstemmen en reflectie kan reduceren, biedt het verwaarloosbare verbetering in de effectieve absorptie van de silicium-bulk. De voorgolf-geometrie blijft de cruciale hefboom voor het maximaliseren van bulk-absorptie en het bereiken van hoge-efficiënte, lage-reflectie silicium zonnecellen.

Conclusies

De dubbelzijdige piramide-golf strategie verhoogt de algehele lichtabsorptie en kan reflectie over het hele spectrum onderdrukken. Echter, het verbetert niet de effectieve absorptie in de silicium-bulk. Voor optimale prestaties raden we een voorgolf periode-tot-diameterverhouding onder 1,4 en een hoogte tussen 10 nm en 600 nm aan. Achtergolven bieden minimaal voordeel voor bulk-absorptie en kunnen weggelaten worden ten gunste van een vereenvoudigde, kosteneffectieve ontwerp die zich richt op de voorzijdige textuur.

Afkortingen

CS:

Kristallijn silicium

DSPG:

Dubbelzijdige piramide-golf

FPG:

Voorpiramide-golf

RPG:

Achterpiramide-golf