Photovoltaische Leistung einer Nanodraht/Quantenpunkt-Hybrid-Nanostruktur-Array-Solarzelle

Hintergrund

Der Einbau von Quantenpunkten (QDs) in Solarzellen wurde als vielversprechender Weg zur Verbesserung der Umwandlungseffizienz von Bauelementen vorgeschlagen [1, 2]. Das Einfügen von QDs in den aktiven Bereich einer Solarzelle ermöglicht es, die effektive Bandlücke des Materials zu gestalten und das Absorptionsspektrum zu erweitern [3,4,5,6]. Dies kann verwendet werden, um den Photostrom einer homogenen Solarzelle zu erhöhen [7,8,9] oder um ein isoliertes Zwischenband innerhalb der Bandlücke des Wirtsmaterials zu bilden, um Photonen mit einer Energie unterhalb der Energielücke des Wirtsmaterials zu absorbieren [10,11,12 ,13]. Um jedoch die Effizienz herkömmlicher Geräte zu übertreffen, muss die durch QDs verursachte Absorptionsverstärkung deutlich verbessert werden. Dies kann durch Erhöhung der Anzahl der QDs, durch Erhöhung der optischen Absorption oder durch eine Kombination von beidem erreicht werden [14]. In den letzten Jahren wurde durch Aufwachsen von Stranski-Krastanov (SK) QDs auf den Seitenwänden von Nanodrähten (NWs) eine attraktive Struktur hergestellt, die einen innovativen Ansatz bietet, um die Vorteile der beiden Arten von Nanostrukturen zu kombinieren [15,16,17, 18,19]. Mehrschicht-QDs können auf den Seitenwänden von NWs gezüchtet werden, was die Anzahl der QDs erheblich erhöht, während das vertikal ausgerichtete NW-Array die Absorption von QDs aufgrund der hervorragenden Lichteinfangfähigkeit dramatisch verbessern kann [20,21,22,23,24 ]. Daher wird erwartet, dass der von QDs beigesteuerte Photostrom im NW/QD-Hybrid-Nanostruktur-Array größer ist als der in Dünnfilm-QD-Strukturen. Darüber hinaus kann die NW/QD-Hybridstruktur auf kostengünstigen Siliziumsubstraten hergestellt werden, was sie für kostengünstige, hocheffiziente Solarzellen vielversprechend macht [25]. Obwohl über die Herstellung und die optischen Eigenschaften von NW/QD-Hybrid-Nanostrukturen ausführlich berichtet wurde, wurde die Leistung von Solarzellen basierend auf den Hybridstrukturen noch nicht untersucht.

In diesem Beitrag wird eine gekoppelte optoelektronische Simulation vorgestellt, um die photovoltaische Leistung einer GaAs/InAs-NW/QD-Hybridsolarzelle zu untersuchen. Die betrachtete Struktur besteht aus einem vertikal ausgerichteten NW-Array, wobei jedes NW fünf Schichten von QDs enthält, die senkrecht zur NW-Wachstumsachse angeordnet sind. Sowohl die QDs als auch die Benetzungsschichten (WLs) tragen zur Subbandgap-Photonenabsorption bei, wodurch das Absorptionsspektrum auf 950 nm erweitert wird. Jeder NW besteht aus einem radialen pin-Übergang, wobei sich alle QD-Schichten im intrinsischen Bereich befinden. Zunächst wird ein Vergleich der Lichtabsorptionsspektren zwischen den NW-Arrays mit und ohne QDs unter Verwendung von dreidimensionalen Finite-Differenz-Zeitbereichssimulationen (3D-FDTD) durchgeführt. Die Absorptionsspektren ihrer Dünnschicht-Gegenstücke werden ebenfalls berechnet. Dann werden die Photogenerationsprofile in die elektrischen Simulationen integriert, um die Stromdichte gegenüber der Spannung (I -V ) Eigenschaften. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einbau von QDs sowohl in NW-Array- als auch in Dünnschicht-Solarzellen den Kurzschlussstrom erhöhen kann (J _sc ) durch Erhöhung der Lichtabsorption; jedoch eine Abnahme der Leerlaufspannung (V _oc ) tritt gleichzeitig auf. Die durch die Quantenpunkte in NW-Array-Solarzellen induzierte Gesamteffizienzsteigerung bei der Leistungsumwandlung ist sechsmal höher als die Effizienzsteigerung in Dünnschichtsolarzellen, die die gleiche Menge an Quantenpunkten enthalten, was darauf hindeutet, dass die NW-Array-Struktur die photovoltaische Leistung verbessern kann von Quantenpunkt-Solarzellen.

Methoden

In unserer vorherigen Studie [15] wurde die Herstellung der NW/QD-Hybridstrukturen unter Verwendung eines Thomas Swan Close Coupled Showerhead (CCS) metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidungssystems (MOCVD) realisiert. Trimethylgallium (TMGa), Trimethylindium (TMIn) und Arsin (AsH₃ .) ) wurden als Vorläufer verwendet. Der Träger war Wasserstoff. Ein Au-beschichtetes GaAs-Substrat wurde in den MOCVD-Reaktor geladen und unter AsH₃ . getempert Umgebung, um Au-Ga-Legierungspartikel als Katalysator zu bilden. Zuerst wurden die GaAs-NWs gezüchtet, und dann wurde die erste Hülle aus InAs-QDs durch Abschalten von TMGa und Erhöhen der Temperatur abgeschieden. Nach dem Aufwachsen der InAs-QD-Schicht wurde die GaAs-Abstandshalterschale radial auf den InAs-QDs aufgewachsen. Die Mehrfachschichten von QD-Strukturen wurden durch wiederholte Kombination von InAs-QDs und GaAs-Spacer-Schale für bestimmte Zeiten realisiert.

Das Schema der NW/QD-Hybridsolarzelle ist in Abb. 1a dargestellt. Das Gerät besteht aus periodischen GaAs/InAs NW/QD Hybridstrukturen. Jeder NW enthält einen radialen pin-Übergang mit fünf QD-Schichten, die senkrecht zur NW-Wachstumsachse in der intrinsischen Region angeordnet sind, wie in Fig. 1b gezeigt. Die Dotierungskonzentration der p-Typ-Schale und des n-Typ-Kerns beträgt 3 × 10 ¹⁸ und 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , bzw. Die QD-Schichten werden modelliert, indem InAs-QDs, WL und GaAs-Material um die QDs als wirksames Medium behandelt werden. Die Dicke jedes effektiven Mediums beträgt 2 nm.

a Die schematischen Zeichnungen der NW/QD-Hybridsolarzelle und ihres Dünnschicht-Pendants. b Die detaillierten Strukturen der mit Drahtmodellen gekennzeichneten Einheiten in a . c Absorptionskoeffizient des Wirkmediums. Die Volumenanteile von QDs, WL und GaAs im effektiven Medium betragen 0,002882996, 0,649123 bzw. 0,347994

Für die optische Simulation wird der wellenlängenabhängige komplexe Brechungsindex des effektiven Mediums durch eine volumengewichtete Überlagerung des QDs-, WL- und GaAs-Materials wie in [26] beschrieben berechnet, die durch Gl. (1).

wo F _QD , F _WL , und F _GaAs sind die Volumenanteile von QD-, WL- bzw. GaAs-Materialien im effektiven Medium. Der Absorptionskoeffizient von InAs QDs und WLs wird aus [26] erhalten, mit der gleichen QD-Größe und -Dichte. Weitere Materialparameter sind [27] zu entnehmen. Der in dieser Arbeit verwendete Absorptionskoeffizient ist in Abb. 1c dargestellt. Unterhalb der GaAs-Bandlücke werden zwei Peaks beobachtet, wobei einer bei einer Wellenlänge von 876 nm und der andere bei 916 nm zentriert ist, die den QD-Schichten zugeschrieben werden. Zum Vergleich wird auch die Dünnschichtsolarzelle mit QD-Schichten simuliert. Die Dicke der Dünnschichtsolarzelle wird gleich der NW-Länge eingestellt, und das Gesamtvolumen der QD-Schichten und die Dicke der intrinsischen Schicht in den Dünnschichtsolarzellen werden gleich denen in der NW . eingestellt /QD-Hybridsolarzellen. Die Absorptionseigenschaften der Solarzellen werden durch das Softwarepaket FDTD Solutions (Lumerical Solutions, Inc.) berechnet. Durch Setzen periodischer Randbedingungen können die Simulationen in einer einzigen Elementarzelle durchgeführt werden, um die periodische Array-Struktur zu modellieren. Das AM1.5G-Spektrum ist in 87 diskrete Wellenlängenintervalle von 300 bis 950 nm unterteilt. Die Beiträge der transversalen elektrischen (TE) und transversalen magnetischen (TM) Moden werden überlagert, um die entsprechenden unpolarisierten Eigenschaften des Sonnenlichts zu modellieren. Die gesamte optische Erzeugung unter AM1.5G-Beleuchtung kann modelliert werden, indem die spektral aufgelösten Einzelwellenlängen-Photogenerationsraten überlagert werden.

Für die elektrische Modellierung werden die optischen 3D-Generierungsprofile in das Finite-Elemente-Netz der Geräte im Device-Softwarepaket (Lumerical Solutions, Inc.) integriert, das die mit der Poisson-Gleichung gekoppelten Ladungsträgerkontinuitätsgleichungen selbstkonsistent löst. Um die Ladungsträgertransporteigenschaften des effektiven Mediums zu modellieren, nehmen wir an, dass die optisch erzeugten Ladungsträger in GaAs-Barrieren von der 2D-WL mit niedrigerer Bandlücke eingefangen werden und anschließend auf Zeitskalen von 1–50 ps in den QD-Grundzustand relaxieren [28, 29]. Die in QDs erzeugten oder von WL eingefangenen Träger rekombinieren oder entweichen durch thermische Emission in WL zurück [30]. Der Einfang- und Escape-Prozess wird modelliert, indem ein effektiver Bandversatz von 100 meV an der Grenzfläche von GaAs und dem effektiven Medium entsprechend der in der Literatur angegebenen Aktivierungsenergie für die thermische Emission von Quantenpunkten festgelegt wird [30, 31, 32]. Eine ähnliche Modellierungsmethode wurde in [26] beschrieben, in der die Eigenschaften von QD-verstärkten Multijunction-Solarzellen untersucht wurden. Das beleuchtete Energiebanddiagramm der NW/QD-Hybridsolarzellen ist in Abb. 2 dargestellt.

Das beleuchtete Energiebanddiagramm der NW/QD-Hybridsolarzellen

Strahlungs-, Auger- und Shockley-Read-Hall (SRH)-Rekombination wird bei der elektrischen Simulation des Geräts berücksichtigt. Die Lebensdauern der QD-Minoritätsträger werden unter Verwendung einer Strahlungsrekombinationslebensdauer von 1 ns und einer SRH-Rekombinationslebensdauer von 10 ns beschrieben [26], die endgültigen Lebensdauern des effektiven Mediums sind eine gewichtete Summe der NW-Rekombinationslebensdauern von QD und GaAs (unter der Annahme, dass Ladungsträger eingefangen wurden) vom WL werden anschließend vom QD erfasst), wie in [26] beschrieben. Der Auger-Rekombinationskoeffizient des effektiven Mediums wird auf 4,2 × 10 ^–29 . eingestellt cm ⁶ /s [33]. Und die effektiven Massen von Elektron und Loch sind auf 0,053m . eingestellt ₀ und 0,341m ₀ , bzw. [26]. Bei der Modellierung des Transports von Barriereträgern durch die effektive mittlere Region verwenden wir die Barrieremobilität (2500 cm ² /Vs für Elektronen und 150 cm ² /Vs für Löcher) [34], wie in [35] beschrieben. Im Gerätemodell wird eine Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit von 3000 cm/s verwendet, vorausgesetzt, die Nanodrahtoberflächen sind gut passiviert [34, 36]. Und die Rekombinationsgeschwindigkeit der Kontaktminoritätsträger wird auf 10 ⁷ . eingestellt cm/s [37].

Ergebnisse und Diskussion

Die Absorptionsspektren von GaAs-NW-Array-Solarzellen mit und ohne QD-Schichten sind in Abb. 3 gezeigt. Der NW-Radius ist auf 100 nm eingestellt und die Periode beträgt 360 nm. Durch die Einführung von QD-Schichten wird die Absorption von GaAs-NWs dramatisch verbessert und das Absorptionsspektrum auf 950 nm erweitert. Abbildung 3a–d zeigt die Absorptionsspektren mit unterschiedlichen NW-Längen. Es ist zu erkennen, dass die Absorption durch QD-Schichten bei einer Wellenlänge über 450 nm deutlich erhöht wird, da die QD-Schichten einen höheren Absorptionskoeffizienten als GaAs-NWs aufweisen. Mit zunehmender NW-Länge wird der Absorptionsunterschied zwischen NW-Arrays mit und ohne QD-Schichten im Wellenlängenbereich jenseits der GaAs-Bandlücke kleiner, was darauf hindeutet, dass die Absorption von GaAs für längere NWs ausreichender ist. Während im Wellenlängenbereich unterhalb der GaAs-Bandlücke GaAs-NWs wenig zur Lichtabsorption beitragen, wird die durch QD-Schichten induzierte Absorptionsverstärkung mit zunehmender NW-Länge deutlicher. Im Wellenlängenbereich unterhalb der GaAs-Bandlücke werden zwei Absorptionspeaks beobachtet, die bei 876 bzw. 916 nm zentriert sind, entsprechend den Wellenlängen, bei denen das effektive Medium den höchsten Absorptionskoeffizienten hat. Im Vergleich zur NW/QD-Hybridsolarzelle sättigt die Absorption der Dünnschichtsolarzelle mit zunehmender Schichtdicke viel früher, da der Hauptverlust der Dünnschichtsolarzelle die Reflexion ist. Da das Volumenverhältnis der QD-Schichten in den Dünnfilmen viel geringer ist als das im NW-Array, ist die durch die QD-Schichten induzierte Lichtabsorptionsverstärkung im Wellenlängenbereich jenseits der GaAs-Bandlücke nahezu vernachlässigbar. Im Wellenlängenbereich unterhalb der GaAs-Bandlücke ist die Absorption der QD-Schichten im Dünnfilm aufgrund der fehlenden Fähigkeit zum Einfangen von Licht jedoch viel geringer als im NW-Array.

Die Absorptionsspektren des NW/QD-Hybrid-Nanostruktur-Arrays und seines Dünnfilm-Gegenstücks mit und ohne QD-Schichten. Die NW-Länge in a –d beträgt 500, 1000, 2000 bzw. 3000 nm

Die optischen Erzeugungsprofile der betrachteten Strukturen sind in Abb. 4 dargestellt. NWs mit Längen von 500 und 3000 nm werden in diesem Teil betrachtet (im Folgenden als kurzer NW bzw. langer NW bezeichnet). Es ist offensichtlich, dass die Ladungsträgererzeugung in einem effektiven Medium viel höher ist als in GaAs, was die durch QDs induzierte Absorptionsverstärkung zeigt. In NW/QD-Hybridsolarzellen werden weniger Ladungsträger in der NW-Kernregion erzeugt, da einige Ladungsträger stattdessen in QD-Regionen konzentriert sind. Es wird erwartet, dass dieses Phänomen der Leistungsfähigkeit der Vorrichtung zugute kommt, da der hochdotierte Kernbereich oft unter ernsthaften Rekombinationsverlusten leidet. In kurzen NWs verteilen sich die optisch erzeugten Ladungsträger im gesamten NW, während in langen NWs die Ladungsträger hauptsächlich oben konzentriert sind, was darauf hindeutet, dass die Lichtabsorption in langen NWs ausreichend ist, obwohl das betrachtete NW-Array keine Substrate enthält. Es kann beobachtet werden, dass sich in langen NWs eine Region mit hoher Ladungsträgererzeugung in QD-Schichten länger erstreckt als die im NW-Kern, und die Ladungsträger sind auf mehrere Keulen entlang der NW-Achse konzentriert. Dies wird durch die Resonanzmoden in einem langwelligen Bereich im NW induziert. Licht mit langer Wellenlänge hat eine längere Absorptionslänge und wird hauptsächlich in QD-Bereichen absorbiert, insbesondere das Licht in einem Wellenlängenbereich unterhalb der GaAs-Bandlücke. Die Verteilungen des elektrischen Felds unter Beleuchtung mit unpolarisiertem Licht in GaAs-NWs bei 876 und 916 nm sind in Abb. 4c gezeigt, aus der wir sehen können, dass das elektrische Feld stark mit den QD-Regionen überlappt, was den verstärkenden Effekt von NW-Strukturen auf die . weiter erklärt QD-Absorption bei dieser Wellenlänge. Das optische Erzeugungsprofil einer 500-nm-Dünnschichtsolarzelle ist in Abb. 4d dargestellt, und es ist zu erkennen, dass die Absorption in Dünnschichtstrukturen viel schwächer ist als in NWs. Bei Dünnschichtstrukturen haben die in QDs erzeugten Ladungsträger wenig Einfluss auf das Gesamterzeugungsprofil. Während in NWs QDs mit demselben Volumen dank geführter Resonanzmoden in NWs signifikant zur Absorption beitragen können [21].

a Der vertikale Querschnitt optischer Erzeugungsprofile in kurzen NW- und NW/QD-Hybridsolarzellen. b Der vertikale Querschnitt optischer Erzeugungsprofile in langen NW- und NW/QD-Hybridsolarzellen. c Die elektrischen Feldverteilungen im NW-Querschnitt bei 876 und 916 nm, in denen die Lage der QD-Schichten mit weißen Linien markiert ist. d Der vertikale Querschnitt optischer Erzeugungsprofile in Dünnschicht- und Dünnschicht-/QD-Hybridsolarzellen

Weitere Studien konzentrieren sich auf die Untersuchung der potenziellen Steigerung der photovoltaischen Effizienzgewinne aufgrund der durch QDs induzierten Absorptionsverstärkung. Zuvor simulierte Fotogenerationsprofile werden in das Geräte-Softwarepaket integriert, um das I . zu berechnen -V Eigenschaften der betrachteten Geräte. Es wird erwartet, dass die Trägererzeugung in QD-Regionen erhöht wird; Träger in QD-Regionen leiden jedoch unter einer höheren Rekombinationsrate. Dadurch wird eine Erhöhung der Kurzschlussströme (J _sc ) in QD-verstärkten Solarzellen wird oft von einer Verschlechterung der Leerlaufspannung (V _oc ) [38]. Die Wirkung von QDs auf die Geräteeffizienz hängt von einem Kompromiss zwischen J _sc erhöhen und V _oc die Ermäßigung. Das Ich -V Charakteristiken der NW-Solarzellen sind in Abb. 5a, b gezeigt, und die Vereinigung von QDs in kurzen NWs führt zu einem J _sc Verbesserung um 1,09 mA/cm ² und ein V _oc Reduzierung um 0,017 V. Während in langen NWs ein J _sc Anstieg um 1,22 mA/cm ² und ein V _oc Reduktion von 0,021 V beobachtet. Die Gesamteffizienzsteigerung beträgt 0,67 % in kurzen NW und 0,45 % in langen NW. Durch Erhöhen der NW-Länge wird das J _sc Verbesserung wird ebenso erhöht wie das V _oc Reduzierung aufgrund der Zunahme des QD-Volumens. Abbildung 5c veranschaulicht die Strahlungsrekombinationsprofile in NWs nahe V _oc; im Vergleich zu reinen GaAs-NWs steigen die Strahlungsrekombinationsraten in den QD-Schichten um mehr als 3 Größenordnungen an, was die V . erklärt _oc Degeneration. Auch die Umwandlungseffizienzen von Dünnschichtsolarzellen mit und ohne QDs werden berechnet. Die durch QDs induzierte Effizienzsteigerung ist mit nur 0,11% viel geringer als bei NWs-Solarzellen, obwohl die QD-Volumen in NWs und Dünnschichtstrukturen gleich sind. Das Ergebnis zeigt, dass ein NW-Array vorteilhaft ist, um die Effizienz von Quantenpunkt-Solarzellen zu verbessern. Die durch QDs induzierte Effizienzsteigerung ist in dieser Arbeit aufgrund der Degeneration von V . nicht so beeindruckend _oc; Es wurden jedoch mehrere Ansätze gezeigt, um V . aufrechtzuerhalten _oc in QD-verstärkten Solarzellen [5, 39]. Eine zufriedenstellendere Effizienzsteigerung wird erwartet, wenn die V _oc Degeneration konnte in NW/QD-Hybridsolarzellen vermieden werden. Darüber hinaus hängt das optische Absorptionsspektrum von QDs stark von der Punktgrößenverteilung ab [40, 41, 42]. Wir glauben, dass es durch Modifizieren der QD-Größe und -Dichte möglich ist, einen höheren Absorptionskoeffizienten zu erreichen, was zu einer signifikanteren Absorptionsverbesserung und einer höheren Umwandlungseffizienz führen kann.

a Das Ich -V Eigenschaften kurzer NW- und NW/QD-Hybridsolarzellen. b Das Ich -V Eigenschaften langer NW- und NW/QD-Hybridsolarzellen. c Hälfte des vertikalen Querschnitts der Strahlungsrekombinationsraten kurzer NW- und NW/QD-Hybridsolarzellen. d Das Ich -V Eigenschaften von Dünnschicht- und Dünnschicht-/QD-Hybridsolarzellen

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir die photovoltaische Leistung einer GaAs/InAs-NW/QD-Hybridsolarzelle untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Absorptionsspektren von GaAs-NWs auf 950 nm erweitert werden können, indem mehrschichtige InAs-QDs an den NW-Seitenwänden eingebaut werden. Die Absorption von QDs wird aufgrund des Lichteinfangeffekts des NW-Arrays ebenfalls dramatisch verbessert. Ich -V Merkmale zeigen, dass J _sc in NW-Solarzellen kann aufgrund der Verbesserung der Lichtabsorption erhöht werden, während V _oc ist aufgrund einer ernsthafteren Rekombination, die durch QDs induziert wird, degeneriert. Die durch QDs induzierte Gesamteffizienzsteigerung in NW-Solarzellen ist viel höher als die in Dünnschichtsolarzellen, was darauf hindeutet, dass die GaAs/InAs-NW/QD-Hybridstruktur für QD-Solarzellen vielversprechend ist.

Abkürzungen

3D-FDTD:

Dreidimensionaler Zeitbereich mit endlicher Differenz

AsH₃ :

Arsin

CCS:

Direkt gekoppelter Duschkopf

I -V :

Stromdichte gegen Spannung

J _sc :

Kurzschlussstrom

MOCVD:

Metallorganische chemische Gasphasenabscheidung

NWs:

Nanodrähte

QDs:

Quantenpunkte

S-K:

Stranski-Krastanov

SRH:

Shockley-Read-Hall

TE:

Quer elektrisch

TM:

Quermagnetisch

TMGa:

Trimethylgallium

TMIn:

Trimethylindium

V _oc :

Leerlaufspannung

WLs:

Benetzungsschichten