Fotovoltaïsche prestaties van Pin Junction Nanocone Array-zonnecellen met verbeterde effectieve optische absorptie

Resultaten en discussie

Axiale Pin Junction GaAs Nanocone Array Zonnecellen

Figuur 2a-c toont de golflengteafhankelijke absorptie, reflectie en transmissie van de axiale GaAs-nanoconusarrays met verschillende hellingshoeken. Vergeleken met de cilinder NW-arrays (θ = 0°), tonen nanocone-arrays een lagere reflectie over het hele golflengtebereik, en het fenomeen wordt duidelijker naarmate de hellingshoek groter wordt. Het antireflectievermogen van de NW-arrays kan worden toegeschreven aan de lage vulverhouding, die de effectieve brekingsindex vermindert en een goede impedantieovereenkomst tussen GaAs en lucht biedt [7]. Voor de nanocone-arrays met een grote hellingshoek is de vulverhouding aan de bovenkant van de arrays extreem laag, wat leidt tot een bijna perfecte impedantie-overeenkomst met lucht en bijna nul reflectie. In het korte golflengtebereik van 300-700 nm neemt de absorptie toe met de toename van de hellingshoek als gevolg van de onderdrukte reflectie. De absorptie van licht met lange golflengte in de buurt van de GaAs-bandgap neemt echter af bij grote hellingen vanwege de zeer dunne nanocone-top die geen optische modi kan ondersteunen. Afbeelding 2d toont de AM 1.5G-gewogen integraal van de absorptie-, reflectie- en transmissiespectra voor verschillende hellingshoeken. Bij kleine hoeken neemt de absorptie toe met toenemende hellingshoek als gevolg van de verminderde reflectie. Wanneer de hellingshoek groter is dan 3°, neemt het absorptievermogen iets af. Dit wordt waarschijnlijk toegeschreven aan het verminderde absorptiepad, aangezien de zeer dunne nanocone-top geen lange-golflengtemodi kan ondersteunen. Desalniettemin heeft de totale absorptie van nanokegels bij verschillende hellingshoeken (1~5°) zeer weinig verschil (in het bereik van 92~-93,5%), wat suggereert dat de hellingshoek weinig invloed heeft op de totale absorptie van nanokegels. Als alternatief wordt aangenomen dat de hellingshoek een sterke invloed heeft op de absorptie in het intrinsieke gebied, dat de foto-elektrische conversie-efficiëntie domineert. Dit wordt in het volgende deel in detail besproken.

een Absorptie, b reflectie, en c transmissie van de axiale pinovergang GaAs nanocone-arrays met D /P = 0.5 en D = 0,18 μm. d De AM1.5G-gewogen integraal van de absorptie, reflectie en transmissie van de axiale nanoconusarrays met verschillende hellingshoeken

De totale optische generatieprofielen van de axiale GaAs-nanoconusarrays onder AM 1.5G-verlichting worden getoond in figuur 3a. Het is te zien dat bij θ = 0°, de meeste geabsorbeerde fotonen concentreren zich aan de bovenkant van cilinder NW's. Vanwege de hoge doteringsconcentratie en het ontbreken van ingebouwd elektrisch veld voor de scheiding van elektron-gatparen [34,35,36,37], is de recombinatie van fotodragers in het bovenste p-gebied erg hoog, wat resulteert in groot verlies van invallend licht. Voor nanocone-arrays verschuift de fotonabsorptiepositie naar beneden met de toename van de hellingshoek, wat leidt tot een absorptieverbetering in het i-gebied. Zoals is gemeld, wordt de lichtabsorptie van NW's gedomineerd door de resonantiemodi, die nauw verwant zijn aan de NW-diameter [37]. Vanwege de unieke geometrie van nanocones kunnen er in het bovenste gebied met een kleine diameter maar weinig modi met lange golflengte worden ondersteund. Dit wordt ondersteund door Fig. 3b-g, die de golflengte-afhankelijke optische generatieprofielen van nanocones met een hellingshoek van 0 ~  5° presenteert. Het is te zien dat in cilinder NW's de meeste absorptie zich concentreert in het bovenste gebied voor alle golflengten. Naarmate de hellingshoek echter toeneemt, verschuiven de optische modi, in het bijzonder de langere golflengtemodi, naar beneden naar een dikker gebied. De toename van de hellingshoek leidt dus niet alleen tot een verbetering van de absorptie in het middelste i-gebied, maar resulteert ook in een vermindering van de absorptie in het bovenste gebied. Dit kan verklaren waarom de nanocone-array met een gemiddelde hellingshoek van 3 ° de hoge totale absorptie heeft zoals weergegeven in figuur 3e, aangezien de absorptie in zowel het bovenste p-gebied als de middelste intrinsieke regio's relatief sterk is bij die hoek. Er wordt aangenomen dat de neerwaartse verschuiving van de absorptie een cruciale rol speelt bij de prestatieverbetering van het apparaat, omdat het niet alleen het absorptieverlies in het bovenste p-gebied onderdrukt, maar ook de absorptie in het middelste i-gebied verbetert.

een De totale optische generatieprofielen van de axiale pin nanocones. b –g Golflengteafhankelijke optische generatieprofielen van nanoconusarrays op θ = 0~ 5°

De absorptiespectra van het i-gebied zijn uitgezet in figuur 4a. In het korte golflengtegebied, als de diameter van het p-gebied krimpt met toenemende hellingshoek, nemen zowel het p-gebiedvolume als het lichtvermogen dat in de nanoconus kan worden opgesloten af, wat leidt tot onvoldoende absorptie in het p-gebied en een hoge absorptie in de i-regio. Bij het lange golflengtegebied strekt het absorptiegebied zich uit tot in het onderste n-gebied in nanocones met een grote hellingshoek, wat resulteert in een verminderde absorptie in het i-gebied. Figuur 4b toont de integraal van de absorptiespectra in het i-gebied. De absorptie van elke golflengte wordt gewogen door het AM 1.5G-spectrum. Het is te zien dat de absorptie in het i-gebied dramatisch toeneemt met het vergroten van de hellingshoek, wat wijst op een verbeterde effectieve absorptie die naar verwachting de conversie-efficiëntie zal verbeteren.

een Golflengteafhankelijke absorptiespectra van het i-gebied. b De AM1.5G-gewogen integraal van de absorptiespectra van i-regio in a

De fotogeneratieprofielen worden vervolgens opgenomen in het elektrische gereedschap [35] om de fotovoltaïsche prestaties van de axiale pin junction nanocone array-zonnecel te bestuderen. Figuur 5a toont de stroom-spanningskarakteristieken bij verschillende hellingshoeken. Vergeleken met de cilinder-NW-arrays, een veel hogere kortsluitstroomdichtheid (J _sc ) wordt verkregen in zonnecellen met nanocone-array. Bij θ = 5°, het apparaat levert een J . op _sc van 30,1 mA/cm ² (7,3 mA/cm ² hoger dan de cilinder één) en V _oc van 0,885 V, wat resulteert in een hoge foto-elektrische conversie-efficiëntie (η ) van 20,1% (4,8% hoger dan de cilinder). In figuur 5b wordt de afhankelijkheid van de conversie-efficiëntie van de hellingshoek weergegeven. Naarmate de hellingshoek toeneemt van 0 tot 5°, neemt het conversierendement monotoon toe van 15,3 tot 20,1%. Zoals eerder vermeld, verzadigt de absorptie van de hele nanocone-arrays bij θ =-2 °, wat suggereert dat de efficiëntieverbetering bij een grote hellingshoek niet wordt veroorzaakt door de absorptieverbetering van de hele nanocone-arrays. In plaats daarvan is de trend van de conversie-efficiëntie in hoge mate in overeenstemming met de absorptie in de i-regio die wordt getoond in figuur 4b, wat aantoont dat de conversie-efficiëntie wordt gedomineerd door de effectieve optische absorptie in de i-regio.

een Stroom-spanningscurven van axiale p(i)n-junctie nanocone array-zonnecellen met verschillende hellingshoeken. b Foto-elektrische conversie-efficiëntie van axiale p(i)n-junctie nanocone array-zonnecellen met verschillende hellingshoeken

Radial Pin Junction GaAs Nanocone Array Zonnecellen

Het GaAs-nanocone-arraymodel met radiale pinovergang wordt getoond in Fig. 6, dat bestaat uit GaAs-nanocones met periodieke radiale pins met een diameter D = 360 nm, punt P = 720 nm, en lengte L = 2 μm. De dikte van het i-gebied is 10 nm en de straal van de kern is gelijk aan de schaaldikte. De doteringsconcentraties van de n-type kern en p-type schaal zijn ingesteld om hetzelfde te zijn als die van de axiale nanocones. De hellingshoek wordt gewijzigd van 0 tot 10° door de onder- en bovendiameter te variëren terwijl de gemiddelde diameter constant wordt gehouden.

Het schematische diagram van de GaAs nanocone-arrays van de radiale pinovergang

De golflengte-afhankelijke absorptie, reflectie en transmissie van radiale GaAs-nanoconusarrays met verschillende hellingshoeken worden getoond in Fig. 7a-c. Net als bij axiale structuren vertonen radiale nanocons een lagere reflectie over het gehele golflengtebereik in vergelijking met de radiale cilinder NW's (θ = 0°), en dit fenomeen wordt duidelijker naarmate de hellingshoek groter wordt. In figuur 7a is te zien dat in het korte golflengtebereik van 300-700 nm de absorptie toeneemt met de toename van de hellingshoek als gevolg van de onderdrukking van reflectie. Bij grote hellingshoeken is de bovenkant van de nanoconus te dun om modi met lange golflengte te ondersteunen, wat resulteert in een afname van de absorptie. Afbeelding 7d toont de AM 1.5G-gewogen integraal van de absorptie-, reflectie- en transmissiespectra voor verschillende hellingshoeken. Het is te zien dat naarmate de hellingshoek groter wordt, de absorptie een algemene opwaartse trend vertoont met lichte fluctuaties, wat wijst op uitstekende absorptie-eigenschappen voor nanoconusstructuren.

een Absorptie, b reflectie, en c transmissie van de radiale pin junction GaAs nanocone array met D /P = 0.5 en D = 0,36 μm. d De AM1.5G-gewogen integraal van de absorptie, reflectie en transmissie van de radiale nanocone-array met verschillende hellingshoeken

Afbeelding 8 toont de totale optische generatieprofielen van de radiale GaAs-nanoconusarrays onder AM 1.5G-verlichting. Vergelijkbaar met die in axiale arrays, concentreren de meeste fotonen zich aan de bovenkant van cilinder NW's. Naarmate de hellingshoek geleidelijk toeneemt, verschuift de absorptie naar beneden. Aangezien de i-regiobuis in de radiale overgang het hele NW doordringt, kan de neerwaartse verschuiving van absorptie niet direct leiden tot een absorptieverbetering zoals die in de axiale penovergang. Samen met de neerwaartse verschuiving van de absorptie wordt echter ook de absorptielengte groter, wat resulteert in een grotere overlap tussen de lichtabsorptie en het i-gebied. Daarom wordt aangenomen dat de effectieve absorptie ook wordt verbeterd.

De optische generatieprofielen van de radiale pin-nanoconusarrays met verschillende hellingshoeken

De stroom-spanningskarakteristieken van de radiale nanoconus-zonnecellen worden getoond in Fig. 9a. Vergeleken met de zonnecel met cilinder NW array, veel hoger J _sc wordt bereikt in zonnecellen met nanocone-array. Bij θ ≥ 6°, alle J _sc hoger zijn dan 25 mA/cm ² , daarentegen, de J _sc is 17,4 mA/cm ² bij θ = 0°. Afbeelding 9(b) toont de afhankelijkheid van de conversie-efficiëntie van de hellingshoek. Bij kleine hellingshoeken neemt de efficiëntie monotoon toe met de hellingshoek en bereikt een maximale waarde van 17,4% bij θ = 6°, 6,4% hoger dan de cilindertegenhanger. Wanneer de hoek verder toeneemt, verzadigt de efficiëntie en neemt zelfs iets af. Dit wordt waarschijnlijk toegeschreven aan de concurrentie tussen de opname van de bovenste en middelste i-regio's. Bij een grote hellingshoek is de bovenkant van de nanoconus te dun om modi met lange golflengte te ondersteunen. Hoewel de absorptie van het middelste i-regiogedeelte toeneemt als gevolg van de neerwaartse verschuiving van de absorptie, neemt de absorptie in het bovenste i-regiogedeelte af, waardoor de absorptietoename in het middelste i-regio wordt gecompenseerd.

een Stroom-spanningscurven van zonnecellen met radiale pin-junction nanocone-array met verschillende hellingshoeken. b Afhankelijkheid van de conversie-efficiëntie van de hellingshoek