Effektive Lichtabsorption mit doppelseitigen Pyramidengittern für Dünnschicht-Silizium-Solarzellen

Hintergrund

Mit dem Fortschritt in der Mikrofertigungstechnologie sind Nanometer-Oberflächenmorphologie und Strukturdesign häufiger geworden und wirklich wichtig [1, 2]. Die Optimierung des Parameterdesigns ist dringlicher und notwendiger geworden, insbesondere für die kristallinen Silizium(CS)-Dünnschichtsolarzellen [3,4,5,6]. Es gibt einige Berichte über das doppelseitige Gitterdesign, das auf CS-Dünnschichtsolarzellen angewendet wird, und alle haben ähnliche Meinungen geäußert, dass eine solche Struktur eine Breitband-Lichtabsorptionsverbesserung erreichen kann, die in der Lage ist, die Yablonovitch-Grenze zu erreichen [7,8 ,9,10]. Es besteht kein Zweifel, dass das doppelseitige Gitterdesign die Lichteinfangfähigkeit von CS-Solarzellen insgesamt verbessern kann. Schließlich findet die Erzeugung und Trennung von Elektron-Loch-Paaren innerhalb des CS statt, und wenn man jedes absorbierte Photon mit einer Energie größer als die Bandlücke betrachtet, ergibt sich ein und nur ein Elektron-Loch-Paar, also wie die Photonenabsorption auf die verschiedenen Teile verteilt ist der CS-Solarzelle steht im Mittelpunkt dieses Artikels. Darüber hinaus ist es unser Ziel, die Photonenabsorption von CS selbst durch Anpassung der Parameter auf ein Maximum zu steigern.

In dieser Arbeit werden die Photonenabsorptionsverteilungen des vorderen Pyramidengitters (FPG), des hinteren Pyramidengitters (RPG) und des doppelseitigen Pyramidengitters (DSPG) untersucht. Die gesamte Photonenabsorption A ist weiter in drei verschiedene Teile unterteilt, wie in Fig. 1 gezeigt, die Photonenabsorption der vorderen Oberflächengitter, des CS-Teils und der hinteren Oberflächengitter und als A . bezeichnet _F , A _Si , und A _R , bzw. Die Lichtreflexion R , Übertragung T , und Gesamtabsorption A erfüllen R + T + A = 1. A _Si wird für verschiedene Strukturmodelle nicht gleich berechnet.

Unterschiedliche Strukturen von kristallinen Silizium (CS) Dünnschichtsolarzellen mit oder ohne Pyramidengitter. a Das nackte Kristallsilizium (BCS). b Das vordere Pyramidengitter (FPG). c Das hintere Pyramidengitter (RPG). d Das doppelseitige Pyramidengitter (DSPG). (A _F , A _Si , und A _R repräsentieren die Lichtabsorption der vorderen Oberflächengitter, des CS-Teils bzw. der hinteren Oberflächengitter. H die Dicke der CS-Schicht ist; P ₁ , D ₁ , H ₁ und P ₂ , D ₂ , H ₂ repräsentieren die Periode, den unteren Durchmesser und die Höhe der Siliziumpyramide der Vorder- bzw. Rückseite)

Methoden

In unseren theoretischen Berechnungen werden die Nettostrahlungsmethode und die Effektivmedium-Approximation wegen der guten Übereinstimmung zwischen Simulations- und experimentellen Ergebnissen zusammen verwendet [4, 11]. Wie in Abb. 2 gezeigt, ist ein mehrschichtiges Mediensystem von N Schichten, N _ich ist der komplexe Brechungsindex des i Medium und die Schnittstellen sind mit i gekennzeichnet = 1, …, N − 1, wobei i ist die Gesamtzahl der Schnittstellen. Tiefgestellte a , d und b , c repräsentieren die ein- und ausgehende elektromagnetische Strahlung. Die Beziehungen zwischen den ausgehenden und eingehenden Energieflüssen (Q ) an jeder Grenzfläche kann durch die Reflexion an der Grenzfläche und die Transmission durch das Medium ausgedrückt werden. Für jede Schnittstelle i , es gibt vier Gleichungen,

Schematische Multilayer-Medium-Struktur der Silizium-Pyramidengitter, mit Nummerierungskonvention der Grenzflächen (1, …, i , …, N − 1), komplexer Brechungsindex (N ₁ , …, N _ich , …, N _N ) und elektromagnetische Strahlungsflüsse (Q _{ich ,a} , Q _{ich ,b} , Q _{ich + 1,c ,} Q _{ich + 1,d} , …)

r _{ich ,ich + 1} und t _{ich ,ich + 1} (r _{ich ,ich + 1} + t _{ich ,ich + 1} = 1) sind die Reflektivität bzw. Transmissivität, die mit den Fresnelschen Gesetzen an jeder der Grenzflächen bestimmt werden. Die tiefgestellten Indizes geben Energieflüsse an, die von der Schicht i . übertragen werden um i zu schichten + 1 und umgekehrt. τ _ich ist die Absorptionsschwächungsrate der Schicht i , definiert durch

wobei α _ich = 4πk _ich /λ ist der Absorptionskoeffizient der Schicht i und d _ich /cos(φ _ich ) ist die zurückgelegte Strecke durch die Schicht der Dicke d _ich mit Ausbreitungswinkel φ _ich . k _ich ist der Imaginärteil des komplexen Brechungsindex N _ich = n _ich − ik _ich . Sowohl der reelle Brechungsindex n _ich und der Extinktionskoeffizient k _ich sind Funktionen von λ . Unter Annahme des senkrecht einfallenden Energieflusses Q _1,a = 1 und Q _{N ,d} = 0, dann für jede Schicht i , der Energieabsorptionskoeffizient A _ich = Q _{ich ,a} − Q _{ich ,c} + Q _{ich ,d} − Q _i,b ausgearbeitet werden kann.

Die effektive mehrschichtige Struktur der Siliziumpyramide ist auch in Abb. 2 gezeigt, und die komplexen Brechungsindizes verschiedener Schichten können durch die Näherungsformel für das effektive Medium gelöst werden,

wo f ₁ und f ₂ sind das Verhältnis der Volumenfüllung von Siliziumpyramidengittern bzw. der Luft und f ₁ + f ₂ = 1. N _Si , N _Luft , und N _Eff sind die komplexen Brechungsindizes von CS, Luft bzw. der Zwischenschicht von Siliziumpyramidengittern.

Durch Kombination der obigen Formeln kann der absorbierte Photonenfluss jeder Schicht mit der folgenden Formel berechnet werden:

A _ich der Energieabsorptionskoeffizient jeder Schicht ist; F (λ ) ist die Verteilung der spektralen Intensität der Sonnenstrahlung auf der Erdoberfläche unter dem AM1.5-Spektrum. λ ist die Wellenlänge des einfallenden Lichts, h ₀ und c ₀ sind die Planck-Konstante bzw. die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Die Gesamtzahl der absorbierten Photonen kann als Φ . ausgedrückt werden =  ∑ Φ _ich .

Ergebnisse und Diskussion

Für die verschiedenen Pyramidengitterstrukturen und zu Vergleichszwecken werden die zugehörigen Parameter wie folgt ausgewählt. Erstens die Dicke der CS-Schicht H = 10 μm; die Höhe und der untere Durchmesser der Siliziumpyramide sind auf H . eingestellt ₁ = H ₂ = 200 nm und D ₁ = D ₂ = 100 nm. Für FPG wird das Verhältnis von Periode zu Bodendurchmesser auf P eingestellt ₁ /D ₁ = 1 und für RPG zwei Verhältnisse P ₂ /D ₂ = 1 und P ₂ /D ₂ = 10 werden berücksichtigt. Schließlich werden für DSPG die verschiedenen Kombinationen der obigen Parameter verglichen.

Die optischen Leistungen verschiedener Pyramidengitterstrukturen unter den gegebenen Parametern sind in Abb. 3 dargestellt. Wie aus Abb. 3 (a) und (b) ersichtlich ist, können die Frontflächengitter die Lichtreflexion des gesamten Bandes stark reduzieren und Verbesserung der Gesamtlichtabsorption, insbesondere in den Regionen I und II. Währenddessen kann im Bereich II die Absorption von Infrarotlicht durch die Rückseitengitter unter geeigneten Verhältnisparametern (P ₂ /D ₂ = 10). Daher können sie bei gemeinsamer Verwendung für DSPG und Anpassung der richtigen Parameter nicht nur die Lichtabsorption bis zum Yablonovitch-Limit maximieren [7], sondern auch die Null-Lichtreflexion des gesamten Bandes erreichen, die das echte schwarze Silizium herstellen kann. Darüber hinaus können die Pyramidengitter auf der Rückseite die Transmission des sichtbaren und nahen Infrarotlichts aus Abb. 3 (c) erhöhen, was für die Verwendung in Nahinfrarot-Fotodetektoren und anderen Bereichen von Vorteil ist [9, 10].

Optische Eigenschaften verschiedener Silizium-Pyramidengitterstrukturen unter den gegebenen Parametern im Vergleich zum BCS gleicher Dicke (BCS (H = 10 μm), FPG (P ₁ /D ₁ = 1, H ₁ = 200 nm), Rollenspiel (P ₂ /D ₂ = 1 oder P ₂ /D ₂ = 10, H ₂ = 200 nm), DSPG (P ₁ /D ₁ = 1, P ₂ /D ₂ = 1 oder P ₂ /D ₂ = 10, H ₁ = H ₂ = 200 nm)). (a ), (b ) und (c ) sind das Gesamtlichtreflexionsvermögen, das Absorptionsvermögen bzw. das Transmissionsvermögen

Für die CS-Solarzellen ist es das oberste Ziel, die Lichtabsorption insbesondere im CS-Körper stark zu verbessern. Daher ist es notwendig, die Verteilung absorbierter Photonen zwischen verschiedenen Teilen weiter zu untersuchen. Für die FPG-Struktur und die RPG-Struktur sind dreidimensionale Konturkarten der Photonenabsorption in jedem Teil in Fig. 4 bzw. Fig. 5 gezeigt.

Konturkarten der Photonenabsorptionsverteilung in verschiedenen Teilen für die FPG-Struktur. (a ) Die gesamte Photonenabsorption A . (b ) Die Photonenabsorption der Frontflächengitter A _F . (c ) Die Photonenabsorption des CS-Teils A _Si . (Die gestrichelte Linie in der Abbildung stellt die Absorption von BCS dar)

Konturkarten der Photonenabsorptionsverteilung in verschiedenen Teilen für die RPG-Struktur. (a ) Die gesamte Photonenabsorption A . (b ) Die Photonenabsorption des CS-Teils A _Si . (c ) Die Photonenabsorption der Rückseitengitter A _R . (Die gestrichelte Linie in der Abbildung stellt die Absorption von BCS dar)

Für die FPG-Struktur, die die geometrischen Parameter der Pyramiden-Arrays ändert, ist die Gesamtphotonenabsorptionsverteilung im Vergleich zur Photonenabsorptionsverteilung jedes Teils in Abb. 4 gezeigt. Aus Abb. 4(a) ist ersichtlich, dass die gesamten absorbierten Photonen nehmen mit der höheren Höhe der Pyramide zu, während das größere Verhältnis von Periode zu Durchmesser für die Photonenabsorption nicht wirksam ist. Das bedeutet also, dass die höhere Höhe und zusammen mit der kleineren Lücke mehr hochfrequente Photonen ernten werden, und dasselbe scheint für die in Abb. 4 (b) gezeigte FPG-Absorption zu gelten. Wenn die Höhe des FPG jedoch weiter zunimmt, verringert dies die Photonenabsorption des darunter befindlichen CS, wie in Abb. 4 (c) gezeigt. Offensichtlich gibt es eine optimale Parameterkonfiguration, bei der P ₁ /D ₁ = 1.05, H ₁ = 53 nm. Wenn außerdem angenommen wird, dass die von der Siliziumpyramide absorbierten Photonen nicht an der Umwandlung von Elektron-Loch-Paaren im KS beteiligt sind, werden basierend auf diesen Berechnungen auch die geeigneten Bereiche der geometrischen Parameter des FPG erhalten und mit den bloßen . verglichen in Abb. 4(c) gezeigtes Silizium. Kurz gesagt, je höher die Höhe des FPG, desto geringer ist die Reflektivität, aber dies bedeutet nicht, dass die Lichtabsorption effektiver ist.

In gleicher Weise sind für die RPG-Struktur die Photonenabsorptionsverteilungen des Ganzen und jedes Teils in Abb. 5 gezeigt. Für die in Abb. 5(a) gezeigte Gesamtabsorption zeigt sich im Vergleich zur FPG-Struktur ein signifikantes Unterschied darin, dass die Photonenabsorption mit dem größeren Verhältnis von Periode zu Bodendurchmesser und der niedrigeren Pyramidenhöhe verstärkt wird. Dies bedeutet einerseits, dass das größere Verhältnis von P ₂ /D ₂ und kleiner H ₂ reduzieren die niederfrequente Photonentransmission und die Photonen kehren zurück, wodurch die Reflexion erhöht wird. Auf der anderen Seite wird jedoch die Absorption von Photonen im Prozess gefördert. Offensichtlich ist die Parameterkonfiguration, die zu der geringsten Absorption führt, P ₂ /D ₂ = 1.01, H ₂ = 168 nm, und die geeigneten Bereiche der geometrischen RPG-Parameter werden auch im Vergleich zu dem in Abb. 5 (a) gezeigten blanken Silizium erhalten. Bei dem in Fig. 5(b) gezeigten CS-Teil gibt es jedoch keine offensichtliche Verbesserung der effektiven Lichtabsorption, da eine große Anzahl von Photonen reflektiert wird. Abbildung 5 (c) zeigt, dass die vom Rückflächengitter absorbierten Photonen um zwei Größenordnungen niedriger sind als die von CS absorbierten Photonen, und es gibt einen ähnlichen Trend, der der in Abbildung 5 (a) gezeigten Gesamtabsorption ähnelt. Auch hier ist die Parameterkonfiguration P ₂ /D ₂ = 1.03 und H ₂ = 170 nm und fast wie oben.

Wie aus der Absorptionsverteilung des FPG und des RPG ersichtlich, spielt ersteres offensichtlich eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der in Abb. 4(c) gezeigten Photonenabsorption, während letzteres impliziert, dass die Photonenabsorption im CS-Teil aufgrund der geschwächt wird Existenz der in Fig. 5 (b) gezeigten Rückflächengitter. In Kombination der obigen Ergebnisse werden die optischen Eigenschaften der vier Sätze verschiedener Parameter, die für das DSPG repräsentativ sind, untersucht und in Abb. 6 gezeigt.

Optische Eigenschaften von vier verschiedenen Parametersätzen für das DSPG (P ₁ /D ₁ = 10, H ₁ = 10 nm und P ₂ /D ₂ = 1.03, H ₂ = 170 nm oder P ₂ /D ₂ = 10, H ₂ = 10 nm; P ₁ /D ₁ = 1.05, H ₁ = 53 nm und P ₂ /D ₂ = 1.03, H ₂ = 170 nm oder P ₂ /D ₂ = 10, H ₂ = 10 nm) im Vergleich zum BCS (H = 10 μm) und FPG (P ₁ /D ₁ = 1.05, H ₁ = 53 nm und P ₁ /D ₁ = 10, H ₁ = 10 nm). (a ), (b ), (c ) und (d ) sind das Gesamtlichtreflexionsvermögen, das Transmissionsvermögen, das Absorptionsvermögen bzw. das Absorptionsvermögen des CS-Anteils

Aufgrund der schwachen Transmissionsfähigkeit von Hochfrequenzphotonen, die in Abb. 6(b) gezeigt ist, ist das Verhältnis von Periode zu Bodendurchmesser nicht angemessen (P ₁ /D ₁ = 10 und H ₁ = 10 nm), verringert nicht nur nicht das Reflexionsvermögen, sondern bewirkt auch, dass die Reflexion zunimmt und die Absorption abnimmt, wie in Abb. 6 gezeigt. Nur geeignete Parameter (P ₁ /D ₁ = 1.05 und H ₁ = 53 nm) kann eine signifikante Verbesserung der Lichtabsorption erreichen. Für den CS beeinflusst die Modulation der vorderen und hinteren Oberflächengitter aufgrund seiner eigenen Unfähigkeit, die niederfrequenten Photonen zu absorbieren, wie im Bereich III gezeigt, nur die Lichtverteilung zwischen Reflexion und Transmission. Es wird deutlich, dass die hinteren Gitter in Region II und Region III eine große Rolle spielen und bei entsprechender Anpassung der Frontflächengitterparameter (P ₁ /D ₁ = 1.05, H ₁ = 53 nm und P ₂ /D ₂ = 1.03, H ₂ = 170 nm), kann eine nahezu Nullreflexion des Vollwellenbandes realisiert werden. Verglichen mit dem FPG der gleichen Parameter kann für die in Fig. 6(c) gezeigte Gesamtabsorption im Bereich II das Vorhandensein der rückwärtigen Oberflächengitter mit geeigneten Parametern die Infrarotlichtabsorption tatsächlich verbessern (P ₂ /D ₂ = 10, H ₂ = 10 nm), was frühere Schlussfolgerungen bestätigt, dass das fehlangepasste Doppelgitterdesign signifikante Verbesserungen der Geräteleistung ermöglichen kann [10]. Für die Absorption des in Fig. 6(d) gezeigten CS-Teils hat die Verwendung des Designs von Rückflächengittern jedoch wenig Wirkung auf die Verbesserung der Lichtabsorption von CS. Obwohl das RPG in diesem Sinne Licht reflektieren und zurück zu den photoaktiven Bereichen der Solarzelle umlenken kann [12], bietet es daher keinen zusätzlichen Vorteil für die effektive Lichtabsorption. Es müssen einige neuartige Designs entwickelt werden, um das Absorptionsspektrum für eine optimierte Integration abzustimmen [1, 13].