home Productietechnologie Fabricage-apparatuur
Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Effectieve lichtabsorptie met behulp van de dubbelzijdige piramideroosters voor dunne-film silicium zonnecel

Abstract

Het ontwerp van de dubbelzijdige piramideroosterstructuur kan worden gebruikt om de breedbandlichtabsorptie te verbeteren. Het voorste rooster kan de lichtreflectie aanzienlijk verminderen, vooral in het korte golflengtegebied, en het achterste rooster kan hetzelfde effect ook bereiken in het langere golflengtegebied. In het artikel wordt voor de dubbelzijdige piramideroosterstructuur de fotonabsorptieverdeling van elk onderdeel bestudeerd en vergeleken met het kale kristallijne silicium. Theoretische resultaten laten zien dat, door de structuurparameters van het dubbelzijdige rooster redelijk aan te passen, de lichtreflectie van de hele band sterk kan worden verminderd, wat gunstig is voor de vorming van zwart silicium en ook de totale lichtabsorptie wordt verhoogd. Verdere studies hebben echter aangetoond dat het gebruik van het achterste rooster de effectieve lichtabsorptie van het kristallijne silicium niet verbetert.

Achtergrond

Met de vooruitgang in microfabricagetechnologie zijn nanometeroppervlakmorfologie en structuurontwerp gebruikelijker en echt belangrijk geworden [1, 2]. Het optimalisatieontwerp van parameters is urgenter en noodzakelijker geworden, vooral voor de dunne-film zonnecellen van kristallijn silicium (CS) [3,4,5,6]. Er zijn enkele rapporten over het dubbelzijdige roosterontwerp toegepast op CS-dunne-filmzonnecellen, en ze hebben allemaal dezelfde mening geuit dat een dergelijke structuur een breedbandige lichtabsorptieverbetering kan bereiken die de Yablonovitch-limiet kan bereiken [7,8] ,9,10]. Het lijdt geen twijfel dat het dubbelzijdige roosterontwerp het algehele lichtvangvermogen van CS-zonnecellen kan verbeteren. Het genereren en scheiden van elektron-gat-paren vindt immers plaats binnen het CS, en als elk geabsorbeerd foton met energie groter dan de bandafstand wordt beschouwd, produceert het één en slechts één elektron-gat-paar, dus hoe de fotonabsorptie wordt verdeeld over de verschillende delen van de CS-zonnecel staat centraal in dit artikel. Bovendien is ons doel de fotonenabsorptie van CS zelf tot het maximum te verhogen door parameters aan te passen.

In dit artikel worden de fotonabsorptieverdelingen van het voorste piramiderooster (FPG), het achterste piramiderooster (RPG) en het dubbelzijdige piramiderooster (DSPG) bestudeerd. De totale fotonabsorptie A is verder verdeeld in drie verschillende delen zoals weergegeven in Fig. 1, de fotonabsorptie van de voorste oppervlakteroosters, het CS-deel en de achterste oppervlakteroosters en gelabeld als A F , A Si , en A R , respectievelijk. De lichtreflectie R , transmissie T , en totale absorptie A voldoen aan R + T + A = 1. A Si wordt niet op dezelfde manier berekend voor verschillende structuurmodellen.

Verschillende structuren van kristallijn silicium (CS) dunne-film zonnecel met of zonder piramideroosters. een Het kale kristalsilicium (BCS). b Het voorste piramiderooster (FPG). c Het achterste piramiderooster (RPG). d Het dubbelzijdig piramiderooster (DSPG). (A F , A Si , en A R vertegenwoordigen de lichtabsorptie van respectievelijk de vooroppervlakroosters, het CS-deel en de achteroppervlakroosters. H is de dikte van de CS-laag; P 1 , D 1 , H 1 en P 2 , D 2 , H 2 vertegenwoordigen de periode, bodemdiameter en hoogte van de siliciumpiramide van respectievelijk het voor- of achteroppervlak)

Methoden

In onze theoretische berekeningen worden de nettostralingsmethode en effectieve mediumbenadering samen gebruikt vanwege de goede afstemming tussen simulatie en experimentele resultaten [4, 11]. Zoals weergegeven in Fig. 2, is een meerlagig mediumsysteem van N lagen, N ik is de complexe brekingsindex van de i het medium en de interfaces zijn gelabeld i = 1, …, N 1, waar i is het totale aantal interfaces. Abonnementen a , d en b , c vertegenwoordigen respectievelijk de inkomende en uitgaande elektromagnetische straling. De relaties tussen de uitgaande en inkomende energiestromen (Q ) op elke interface kan worden uitgedrukt in termen van de reflectie op de interface en de transmissie die door het medium gaat. Voor elke interface i , er zijn vier vergelijkingen,

Schematische meerlagige mediumstructuur van de siliciumpiramideroosters, met nummeringsconventie van interfaces (1, …, i , ..., N − 1), complexe brekingsindex (N 1 , ..., N ik , ..., N N ), en elektromagnetische stralingsfluxen (Q ik ,een , V ik ,b , V ik + 1,c , V ik + 1,d , …)

$$ \left\{\begin{array}{l}{Q}_{i,a}={\tau}_i{Q}_{i,c}\\ {}{Q}_{i,b }={{r_i}_{,}}_{i+1}{Q}_{i,a}+{t}_{i+1,i}{Q}_{i+1,d}\ \ {}{Q}_{i+1,c}={t}_{i,i+1}{Q}_{i,a}+{r}_{i+1,i}{Q} _{i+1,d}\\ {}{Q}_{i+1,d}={\tau}_{i+1}{Q}_{i+1,b}\end{array} \Rechtsaf. $$ (1)

r ik ,ik + 1 en t ik ,ik + 1 (r ik ,ik + 1 + t ik ,ik + 1 =1) zijn respectievelijk de reflectiviteit en de transmissiviteit, die worden bepaald met behulp van de wetten van Fresnel op elk van de interfaces. De subscripts geven energiefluxen aan die worden overgedragen van laag i naar laag i +-1 en vice versa. τ ik is de absorptie-dempingssnelheid van laag i , gedefinieerd door

$$ {\tau}_i=\exp \left[-{\alpha}_i\ {d}_i/\cos \left({\varphi}_i\right)\right] $$ (2)

waar α ik = 4πk ik /λ is de absorptiecoëfficiënt van laag i en d ik /cos(φ ik ) is de afstand die is afgelegd door de laag met dikte d ik met voortplantingshoek φ ik . k ik is het denkbeeldige deel van de complexe brekingsindex N ik = n ik − ik ik . Zowel de echte brekingsindex n ik en de extinctiecoëfficiënt k ik zijn functies van λ . Uitgaande van de loodrechte invallende energieflux Q 1,een = 1 en Q N ,d = 0, dan, voor elke laag i , de energieabsorptiecoëfficiënt A ik = Q ik ,een − V ik ,c + Q ik ,d − V i,b kan worden uitgewerkt.

De effectieve meerlaagse structuur van de siliciumpiramide wordt ook getoond in Fig. 2 en de complexe brekingsindices van verschillende lagen kunnen worden opgelost door de effectieve mediumbenaderingsformule,

$$ \frac{f_1\left({N}_{Si}^2-{N}_{Eff}^2\right)}{\left({N}_{Si}^2+2{N} _{Eff}^2\right)}+\frac{f_2\left({N}_{Air}^2-{N}_{Eff}^2\right)}{\left({N}_{ Lucht}^2+2{N}_{Eff}^2\right)}=0 $$ (3)

waar f 1 en f 2 zijn de verhouding van volumevulling van respectievelijk siliciumpiramideroosters en de lucht, en f 1 + f 2 = 1. N Si , N Lucht , en N Eff zijn de complexe brekingsindices van respectievelijk CS, lucht en de tussenlaag van siliciumpiramideroosters.

Door de bovenstaande formules te combineren, kan de geabsorbeerde fotonenflux van elke laag worden berekend met de volgende formule,

$$ {\varPhi}_i=\int {A}_iF\left(\lambda \right)\lambda /\left({h}_0{c}_0\right) d\lambda $$ (4)

A ik is de energieabsorptiecoëfficiënt van elke laag; F (λ ) is de verdeling van de spectrale intensiteit van zonnestraling op het aardoppervlak onder het AM1,5-spectrum. λ is de golflengte van invallend licht, h 0 en c 0 zijn de Planck-constante en de lichtsnelheid in vacuüm, respectievelijk. Het totale aantal geabsorbeerde foton kan worden uitgedrukt als Φ =  ∑ Φ ik .

Resultaten en discussie

Voor de verschillende piramideroosterstructuren en voor vergelijkingsdoeleinden worden de gerelateerde parameters als volgt geselecteerd. Ten eerste, de dikte van de CS-laag H = 10 μm; de hoogte en bodemdiameter van de siliciumpiramide zijn ingesteld op H 1 = H 2 = 200 nm en D 1 = D 2 = 100 nm, respectievelijk. Voor FPG wordt de verhouding van periode tot bodemdiameter ingesteld P 1 /D 1 = 1, en voor RPG, twee verhoudingen P 2 /D 2 = 1 en P 2 /D 2 = 10 worden beschouwd. Ten slotte worden voor DSPG de verschillende combinaties van de bovenstaande parameters vergeleken.

De optische prestaties van verschillende piramideroosterstructuren onder de gegeven parameters worden getoond in figuur 3. Zoals te zien is in figuur 3 (a) en (b), kunnen de vooroppervlakroosters de lichtreflectie van de hele band aanzienlijk verminderen en de totale lichtabsorptie verbeteren, vooral in de regio's I en II. Ondertussen kan in regio II de absorptie van infrarood licht worden verbeterd door de roosters op het achteroppervlak onder de juiste verhoudingsparameters (P 2 /D 2 = 10). Daarom kunnen ze, door ze samen te gebruiken, voor DSPG, door de juiste parameters aan te passen, niet alleen de lichtabsorptie maximaliseren tot de Yablonovitch-limiet [7], maar ook de nul-lichtreflectie van de hele band bereiken die het echte zwarte silicium kan maken. Bovendien kunnen de piramideroosters op het achteroppervlak de transmissie van het zichtbare en nabij-infrarode licht, gezien in figuur 3 (c), vergroten, wat gunstig is voor gebruik in nabij-infrarood-fotodetectoren en andere velden [9, 10].

Optische eigenschappen van verschillende siliciumpiramideroosterstructuren onder de gegeven parameters vergeleken met de BCS van dezelfde dikte (BCS (H = 10 μm), FPG (P 1 /D 1 = 1, H 1 = 200 nm), RPG (P 2 /D 2 = 1 of P 2 /D 2 = 10, H 2 = 200 nm), DSPG (P 1 /D 1 = 1, P 2 /D 2 = 1 of P 2 /D 2 = 10, H 1 = H 2 = 200 nm)). (een ), (b ), en (c ) zijn respectievelijk de totale lichtreflectiviteit, absorptie en doorlaatbaarheid

Voor de CS-zonnecellen is het sterk verbeteren van de lichtabsorptie, vooral in het CS-lichaam, het uiteindelijke doel. Daarom is het noodzakelijk om de verdeling van geabsorbeerde fotonen tussen verschillende delen verder te bestuderen. Voor de FPG-structuur en de RPG-structuur worden driedimensionale contourkaarten van fotonabsorptie in elk deel getoond in respectievelijk Fig. 4 en Fig. 5.

Contourkaarten van de fotonabsorptiedistributie in verschillende delen voor FPG-structuur. (een ) De totale fotonabsorptie A . (b ) De fotonabsorptie van de voorste oppervlakteroosters A F . (c ) De fotonabsorptie van CS deel A Si . (De stippellijn in de afbeelding geeft de absorptie van BCS weer)

Contourkaarten van de fotonabsorptiedistributie in verschillende delen voor RPG-structuur. (een ) De totale fotonabsorptie A . (b ) De fotonabsorptie van CS deel A Si . (c ) De fotonabsorptie van de achterste oppervlakteroosters A R . (De stippellijn in de afbeelding geeft de absorptie van BCS weer)

Voor de FPG-structuur, waarbij de geometrische parameters van piramide-arrays worden gewijzigd, wordt de algehele fotonabsorptieverdeling vergeleken met de fotonabsorptieverdeling van elk deel getoond in figuur 4. Uit figuur 4 (a) blijkt dat de totale geabsorbeerde fotonen neemt toe met de hogere hoogte van de piramide, terwijl de grotere verhouding van periode tot diameter niet effectief is voor fotonabsorptie. Het betekent dus dat de hogere hoogte en samen met de kleinere opening meer hoogfrequente fotonen zullen oogsten en hetzelfde lijkt te gelden voor de FPG-absorptie getoond in figuur 4 (b). Als de hoogte van de FPG echter blijft toenemen, vermindert dit de fotonabsorptie van de CS die zich eronder bevindt, zoals weergegeven in figuur 4 (c). Uiteraard is er een optimale parameterconfiguratie waarbij P 1 /D 1 = 1,05, H 1 = 53 nm. Bovendien, als wordt aangenomen dat de fotonen die worden geabsorbeerd door de siliciumpiramide niet betrokken zijn bij de conversie van elektron-gatparen in de CS, op basis van deze berekeningen, worden ook de geschikte bereiken van de FPG-geometrische parameters verkregen en vergeleken met de blote silicium getoond in Fig. 4 (c). Kortom, hoe hoger de hoogte van FPG, hoe lager de reflectiviteit, maar dit betekent niet dat er een effectievere lichtabsorptie is.

Op dezelfde manier worden voor de RPG-structuur de fotonabsorptieverdelingen van het geheel en elk deel getoond in Fig. 5. Voor de totale absorptie getoond in Fig. 5 (a), vergeleken met de FPG-structuur, toont er een significante het verschil in dat fotonabsorptie wordt verbeterd met de grotere verhouding van periode tot bodemdiameter en de lagere piramidehoogte. Dit betekent dat aan de ene kant de grotere verhouding van P 2 /D 2 en kleinere H 2 verminderen de laagfrequente fotonentransmissie en de fotonen keren terug, waardoor de reflectie toeneemt. Maar aan de andere kant worden fotonen bevorderd om in het proces te worden geabsorbeerd. Vanzelfsprekend is de parameterconfiguratie die resulteert in de minste absorptie P 2 /D 2 = 1.01, H 2 = 168 nm, en de geschikte bereiken van de geometrische RPG-parameters worden ook verkregen in vergelijking met het kale silicium dat wordt getoond in figuur 5 (a). Op het CS-gedeelte getoond in Fig. 5 (b) is er echter geen duidelijke verbetering in de effectieve lichtabsorptie omdat een groot aantal fotonen wordt gereflecteerd. Figuur 5 (c) laat zien dat de fotonen die worden geabsorbeerd door het achteroppervlaktraster twee orden van grootte lager zijn dan die geabsorbeerd door CS, en er is een vergelijkbare trend die lijkt op die van de totale absorptie die wordt getoond in figuur 5 (a). Ook hier is de configuratie van de parameters P 2 /D 2 = 1,03 en H 2 = 170 nm en bijna hetzelfde als hierboven.

Zoals blijkt uit de absorptieverdeling van de FPG en de RPG, speelt de eerste duidelijk een belangrijke rol bij het verbeteren van de fotonenabsorptie zoals weergegeven in figuur 4 (c), terwijl de laatste impliceert dat de fotonenabsorptie in het CS-gedeelte verzwakt is vanwege de bestaan ​​van de achteroppervlakroosters getoond in Fig. 5 (b). Door de bovenstaande bevindingen te combineren, worden de optische eigenschappen van de vier sets van verschillende parameters die representatief zijn voor de DSPG bestudeerd en weergegeven in figuur 6.

Optische eigenschappen van vier sets van verschillende parameters voor de DSPG (P 1 /D 1 = 10, H 1 = 10 nm en P 2 /D 2 = 1,03, H 2 = 170 nm of P 2 /D 2 = 10, H 2 = 10 nm; P 1 /D 1 = 1,05, H 1 = 53 nm en P 2 /D 2 = 1,03, H 2 = 170 nm of P 2 /D 2 = 10, H 2 = 10 nm) vergeleken met de BCS (H = 10 μm) en FPG (P 1 /D 1 = 1,05, H 1 = 53 nm en P 1 /D 1 = 10, H 1 = 10 nm). (een ), (b ), (c ), en (d ) zijn respectievelijk de totale lichtreflectiviteit, doorlaatbaarheid, absorptievermogen en het absorptievermogen van het CS-deel

Vanwege het zwakke transmissievermogen van hoogfrequente fotonen getoond in Fig. 6 (b), als de verhouding van periode tot bodemdiameter niet geschikt is (P 1 /D 1 = 10 en H 1 = 10 nm), niet alleen vermindert het de reflectiviteit niet, maar het zorgt er ook voor dat de reflectie toeneemt en de absorptie afneemt, zoals weergegeven in Fig. 6. Alleen geschikte parameters (P 1 /D 1 = 1,05 en H 1 = 53 nm) kan een aanzienlijke verbetering van de lichtabsorptie bereiken. Voor de CS, vanwege zijn eigen onvermogen om de fotonen met een lagere frequentie te absorberen, zoals weergegeven in het gebied III, heeft de modulatie van de voorste en achterste oppervlakteroosters alleen invloed op de verdeling van licht tussen de reflectie en transmissie. Het wordt duidelijk dat de achterste roosters een belangrijke rol spelen in regio II en regio III, en met de juiste match van de parameters van de voorste oppervlakteroosters (P 1 /D 1 = 1,05, H 1 = 53 nm, en P 2 /D 2 = 1,03, H 2 = 170 nm), kan bijna nul reflectie van de volledige golfband worden gerealiseerd. Vergeleken met de FPG van dezelfde parameters, voor de totale absorptie getoond in Fig. 6 (c), in regio II, kan de aanwezigheid van de achterste oppervlakteroosters met geschikte parameters de infraroodlichtabsorptie daadwerkelijk verbeteren (P 2 /D 2 = 10, H 2 = 10 nm), wat eerdere conclusies bevestigt dat het niet-overeenkomende ontwerp met dubbele roosters aanzienlijke verbeteringen in de apparaatprestaties mogelijk maakt [10]. Voor de absorptie van het CS-deel getoond in Fig. 6 (d), heeft het gebruik van het ontwerp van achteroppervlakroosters echter weinig effect bij het verbeteren van de lichtabsorptie van CS. Daarom biedt de RPG in deze zin, hoewel het licht kan reflecteren en het terug kan sturen naar de fotoactieve gebieden van de zonnecel [12], geen extra voordeel voor de effectieve lichtabsorptie. Er moeten enkele nieuwe ontwerpen worden ontwikkeld om het absorptiespectrum af te stemmen voor een geoptimaliseerde integratie [1, 13].

Conclusies

Het ontwerp van de dubbelzijdige piramideroosterstructuur wordt aangenomen om de algehele lichtabsorptie van de siliciumzonnecel te bevorderen, en het kan ook de nulreflectie realiseren door de parameters aan te passen. Voor de effectieve lichtabsorptie van het CS-deel neemt het echter niet toe met de verbetering van de algehele lichtabsorptie. Voor de piramideroosters aan de voorkant is de voorgestelde verhouding van P 1 /D 1 kleiner is dan 1,4 en H 1 ligt tussen 10 en 600 nm, en voor de piramideroosters aan de achterkant is er weinig effect op de effectieve verbetering van de lichtabsorptie, dus zijn er geen achterroosters nodig. Daarom is de innovatie en het geoptimaliseerde ontwerp van de oppervlaktestructuur aan de voorkant een grote trend voor verdere verbetering van de efficiëntie van zonnecellen.

Afkortingen

CS:

Kristallijn silicium

DSPG:

Dubbelzijdig piramiderooster

FPG:

Piramiderooster vooraan

RPG:

Piramiderooster aan de achterkant


Nanomaterialen

  • Metaal
  • Hars
  • vezel
  • Samengesteld materiaal
  • Nanomaterialen
  • Polymeer materialen
  • Biologie
  • kleurstof
  • Kruiden
    1. 9 effectieve best practices voor het gebruik van DevOps in de cloud
    2. DSP's gebruiken voor audio-AI aan de rand
    3. Nano-heterojuncties voor zonnecellen
    4. Wat is de doorlooptijd voor FRP-roosters?
    5. Hoogreflecterende dunnefilmoptimalisatie voor micro-LED's met volledige hoek
    6. Plasmon-versterkte lichtabsorptie in (p-i-n) Junction GaAs nanodraad-zonnecellen:een FDTD-simulatiemethodestudie
    7. Een efficiënt en effectief ontwerp van InP-nanodraden voor maximale oogst van zonne-energie
    8. De optimale titaniumvoorloper voor het vervaardigen van een TiO2-compacte laag voor perovskietzonnecellen
    9. Zonnetechnologie gebruiken om slimme apparaten binnenshuis van stroom te voorzien
    10. Platform voor kwantumtechnologieën die goud gebruiken
    11. 9 effectieve veiligheidstips voor de industriële werkplek