Ausgezeichneter Lichteinschluss von Hemiellipsoid- und invertierten Hemiellipsoid-modifizierten Halbleiter-Nanodraht-Arrays

Hintergrund

Solarstrom basierend auf dem photovoltaischen (PV)-Effekt hat in den letzten Jahrzehnten bemerkenswerte Fortschritte gemacht und verändert allmählich die globale Energiestruktur [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]. Um den stetig steigenden Bedarf an PV-Strom zu decken, ist ein großflächiger Einsatz von PV-Modulen dringend geboten und mittlerweile durch den relativ hohen Preis eingeschränkt, der vor allem mit den hohen Materialkosten der marktdominierten PV-Produkte auf Basis kristalliner Siliziumwafer zusammenhängt [ 11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]. Obwohl PV-Bauelemente auf Dünnschichtbasis ein enormes Potenzial zur Materialkostenreduzierung haben, ist eine schlechte Lichtabsorption aufgrund der begrenzten optischen Dicke ein großes Problem und muss durch die Einführung von Lichtmanagementstrukturen wie Antireflexbeschichtungen und/oder Substrattexturierung angegangen werden. was zu zusätzlichen Kosten führen würde [21,22,23,24,25,26,27].

Anders als die traditionellen planaren Strukturen besitzen nanostrukturierte Halbleiter-Solarabsorber überlegene Eigenschaften im Lichtmanagement und bei der Sammlung photogenerierter Ladungsträger und weisen somit ein enormes Potenzial für die Anwendung von optoelektronischen Hochleistungs- und Kostenvorrichtungen einschließlich Solarzellen und Photodetektoren auf [28,29,30 ,31,32,33,34,35,36]. Dank der umfangreichen Bemühungen der beteiligten Forscher konnten verschiedene Halbleiter-Nanostrukturen wie Nanodraht (NW) [37,38,39,40,41,42,43,44,45], Nanokonus [46,47,48,49, 50], Nanopit [51,52,53] und Nanohemisphere [54, 55] Arrays wurden vorgestellt und sowohl aus theoretischen als auch aus experimentellen Aspekten untersucht. Die Auswirkungen von Lichtmanagementmodi einschließlich der Modifikation des räumlichen Brechungsindex für Antireflexion, Leckmodus, geführte Längsresonanz, Lichtstreuung und Oberflächenplasmonenresonanz auf das Einfangen von Licht wurden verstanden und mit unterschiedlicher Gewichtung für verschiedene Nanostrukturen hervorgehoben [56,57,58,59 ,60,61]. Jedoch kann nicht jeder einzelne Lichtmanagementmodus eine effiziente Lichtbegrenzung in einem breiten Spektralbereich erfüllen, insbesondere für Solarzellenanwendungen. Dementsprechend ist eine Kombination verschiedener Lichtmanagementmodi für eine vollständige Verbesserung der spektralen Absorption erforderlich. Unter Berücksichtigung der Bedenken im Zusammenhang mit Herstellungsproblemen, z. B. hohe Reproduzierbarkeit zu geringen Kosten, ist eine einfache Struktur für Lichtabsorber erforderlich.

Um einen effizienteren Lichteinschluss mit begrenzter effektiver Dicke für Halbleiter-NW-Arrays zu realisieren, wird die Top-Modifikation unter Verwendung von Hemiellipsoid- und invertierten Hemiellipsoid-Strukturen eingeführt und in diesem Artikel systematisch auf das Lichtmanagementverhalten untersucht. Aufgrund des synergetischen Effekts von effektiver Antireflexion und Lichtstreuung wird die Lichteingrenzung bei reduzierter effektiver Dicke im Vergleich zu den NW-Arrays ohne Modifikation signifikant verstärkt. Im Fall von GaAs-NW-Arrays können 90 % und 95 % der einfallenden Photonen mit einer Energie größer als die Bandlückenenergie von den invertierten Hemiellipsoid-modifizierten NW-Arrays mit einer effektiven Dicke von ~ 180 und 270 nm eingefangen werden. Darüber hinaus zeigen weitere Studien, dass die verwandten Strukturen bei schrägem Einfall eine hervorragende Lichteindämmung bieten.

Methoden

In dieser Studie werden quadratisch angeordnete NW-Arrays (siehe Abb. 1a) mit einer optimierten Periode von 600 nm [56, 62] unter verschiedenen Strukturparametern des Nanodrahtdurchmessers (D ), Gesamthöhe (H ) und Änderungshöhe (h ), wie in Abb. 1b gekennzeichnet. Zur Berechnung der Maxwell-Gleichungen und damit der Energieflussverteilung der optischen Systeme wird eine Finite-Differenzen-Zeitbereichsmethode verwendet. Periodische Randbedingungen werden auf die Seitenwände einer Einheit angewendet, um die zugehörigen Arrays zu konstruieren, und profitieren gleichzeitig von der Einsparung von Berechnungsquelle und Zeit. An der oberen und unteren Grenze der Einheit wird die perfekt passende Schichtgrenze verwendet, um alle ausgehenden Photonen zu absorbieren und damit die Lichtreflexion zu bestimmen (R ) und Übertragung (T ). Dann Lichtabsorption (A ) erhält man nach der Beziehung von A = 1–R –T .

a Schema eines Hemiellipsoid-modifizierten NW-Arrays und b eine Einheit eines invertierten Hemiellipsoid-modifizierten NW-Arrays für optische Simulationen. Die in dieser Studie untersuchten Strukturparameter sind der Nanodrahtdurchmesser (D ), Gesamthöhe (H ) und Änderungshöhe (h ) wie beschriftet

In dieser Arbeit wird das repräsentative optoelektronische Halbleitermaterial GaAs zur Untersuchung herangezogen. Unter Berücksichtigung der Bandlückenenergie von 1,42 eV und des Hauptenergiebereichs der Sonneneinstrahlung werden optische Verhaltensweisen in einem Spektralbereich von 300–1000 nm untersucht. Um den Lichteinfang der optischen Systeme quantitativ zu vergleichen, normierte theoretische Photostromdichte, ^N J _ph , angenommen [27, 63], das als Verhältnis der theoretischen Photostromdichte der untersuchten Struktur zu dieser (~ 32.0 mA/cm ² bei AM 1,5G [64] Beleuchtung für GaAs) eines idealen Absorbers mit der gleichen Bandlückenenergie beide bei einer internen Quanteneffizienz von 100 %.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 2 fasst ^N . zusammen J _ph als Funktion von h für die hemiellopsoid- und inverted hemiellipsoid-modifizierten GaAs-NW-Arrays mit H von (a) 1000, (b) 2000 und (c) 3000 nm; und D von 100, 300 und 500 nm. Man stellt fest, dass ^N J _ph für alle Arrays mit D von 100 nm nimmt mit zunehmendem h . monoton ab . Für solche Arrays mit größerem D von 300 und 500 nm kann im Allgemeinen eine verbesserte Lichteingrenzung beobachtet werden, nachdem die obere Modifikation mit geeigneten Größen eingeführt wurde, außer im Fall von D = 300 nm und H = 1000 nm. Darüber hinaus kann, je dicker die NWs sind, eine bemerkenswertere Verbesserung der Lichteingrenzung realisiert werden. Es ist bemerkenswert, dass, wie in Abb. 2a gezeigt, ^N J _ph von 0,90 und 0,95 können für die invertierte Hemiellipsoid-Modifikation mit den effektiven Dicken von nur ~ 180 und 270 nm für das Array mit D . erreicht werden = 500 nm, H = h = 1000 nm und das Array mit D = 500 nm, H = 1000 nm und h = 750 nm.

Normalisierte theoretische Photostromdichte ( ^N J _ph ) für die hemiellipsoid- und inverted hemiellipsoid-modifizierten GaAs-NW-Arrays als Funktion der Hemiellipsoid-Höhe (h ) in verschiedenen Gesamthöhen von a 1000, b 2000 und c 3000 nm. Die Drahtdurchmesser (D ) sind 100, 300 und 500 nm. Die rote Punktlinie und die rote gestrichelte Linie in jeder Abbildung bezeichnen die Werte von ^N J _ph von 0,90 bzw. 0,95

Es ist bekannt, dass Antireflexion aufgrund des geringeren Unterschieds zwischen den Brechungsindizes der Umgebung (normalerweise Luft) und der optischen Struktur im Vergleich zu ihren flachen Wafer/Film-Gegenstücken eine inhärente Funktion für NW-Arrays ist [27, 52]. Die Entspiegelung führt jedoch infolge der möglichen Erhöhung der Lichtdurchlässigkeit durch die Absorber nicht zu einer effektiven Lichtabsorption. In dieser Studie sind die Arrays mit D von 100 nm besitzen den niedrigsten Füllgrad und damit den kleinsten effektiven Brechungsindex. Obwohl diese Arrays eine ausgezeichnete Antireflexion aufweisen, ist die Lichtdurchlässigkeit besonders im langwelligen Bereich (siehe Abb. 3a), d. h. im hochdichten Bereich von Photonen, signifikant stark. Darüber hinaus trägt, wie in Fig. 3a gezeigt, die Top-Modifikation wenig zur Antireflexion bei, führt jedoch zu einer verbesserten Lichtdurchlässigkeit, wodurch die Lichtabsorption schlechter wird (siehe Fig. 3b) und zu einer Verringerung von ^N . führt J _ph für die Arrays mit 100 nm NW-Durchmesser. Darüber hinaus stellt man fest, dass der wichtigste Lichteinschlussmechanismus der HE₁₁ . ist Leaky-Modus (siehe Einschub von Abb. 3b) für die NW-Arrays von D = 100 nm [65].

a Reflexion/Transmission und b Absorption der Arrays von H = 2000 nm und D = 100 nm. c Reflexion, d Übertragung und e Absorption der Arrays von H = 2000 nm und D = 500 nm. f Absorption der reinen NW-Arrays mit D von 100, 300 und 500 nm und H = 2000 nm. Der Einsatz von b zeigt die Verteilung der elektrischen Feldstärke des HE₁₁ Modus, und der weiß gepunktete Kreis umreißt die Drahtperipherie. Der Einsatz von f zeigt die elektrische Feldstärkeverteilung des reinen NW-Arrays mit H = 2000 nm und D = 500 nm bei der Wellenlänge von 810 nm

Für die NW-Arrays mit größerem D von 300 und 500 nm erhöht sich der Füllgrad und damit der effektive Brechungsindex, und die Lichtreflexion wird deutlich, wie in Fig. 3c gezeigt. Bei diesen Arrays kann eine geeignete Modifikation unter Verwendung sowohl des Halbellipsoids als auch des invertierten Halbellipsoids die Lichtreflexion deutlich reduzieren und somit die Lichtabsorption verbessern (siehe Abb. 3c und e). Darüber hinaus ist offensichtlich, dass eine ausgezeichnete Lichteingrenzung in einem breiten Bereich von Modifikationshöhen erreicht werden kann, wodurch eine bequeme Herstellung der entsprechenden Hochleistungsvorrichtungen bereitgestellt wird. Zum Beispiel, wie in Abb. 2b gezeigt, ^N J _ph von 0,95 kann für ein NW-Array mit einem Durchmesser von 500 nm mit einem invertierten Halbellipsoid im Bereich von 350–2000 nm oder mit einem Halbellipsoid im Bereich von 600–2000 nm erreicht werden. Übermäßige Modifikationen (d. h. h zu groß ist), insbesondere für den Fall, dass invertierte Halbellipsoide verwendet werden, würde zu einer deutlich verbesserten Lichtdurchlässigkeit und verringerten Lichtabsorption im Bereich der Bandlückenenergie führen, wie in Fig. 3d und e gezeigt. Dementsprechend ist der erste Anstieg und der folgende Abfall von ^N J _ph wird für die zugehörigen NW-Arrays beobachtet (siehe Abb. 2).

Abbildung 3f zeigt die Absorptionsspektren der reinen NW-Arrays mit D von 100, 300 und 500 nm und H von 2000 nm. Es ist offensichtlich, dass sich die Lichtabsorptionskante in Richtung der langen Wellenlänge verschiebt, und währenddessen ändert sich der Hauptmechanismus des Lichtmanagements vom Leckmodus zu Lichtstreuung als D steigt. Außerdem für NWs mit D von 500 nm können einige Absorptionsschwingungen um 800 nm beobachtet werden, die den geführten Längsresonanzen zugeschrieben werden, wie im Einschub von Abb. 3f gezeigt. Es ist bekannt, dass als D zunimmt, nimmt auch die Schwelle/längste Wellenlänge zu, die eine geführte Longitudinalmode bilden kann [56, 57]. Bei langwelligem Licht ist der Amplitudenabfall bei der Ausbreitung entlang der Drahtachse wegen des kleineren Absorptionskoeffizienten relativ schwächer als bei kurzwelligem Licht. Wenn die Drahtlänge nicht zu groß ist, kann die vom NW-Boden reflektierte Welle die eintreffende Welle stören, um die geführten Längsresonanzen zu bilden.

Um den Einfluss der Top-Modifikation auf das Lichtmanagement besser zu verstehen, wurde die räumliche Verteilung der Trägererzeugungsrate für die Arrays (H = 2000 nm und D = 500 nm) modifiziert durch Hemiellipsoide (h = 500 nm) und invertierte Hemielliopsoide (h = 500 nm) bei AM-1,5G-Beleuchtung ist in Abb. 4 dargestellt. Die entsprechende Verteilung im reinen NW-Array mit H und D von 2000 und 500 nm wird ebenfalls zum Vergleich angegeben. Es ist offensichtlich, dass der Verteilungsbereich von photogenerierten Trägern aufgrund des synergetischen Effekts von erhöhter Antireflexion und Lichtstreuung nach Einführung der entsprechenden Top-Modifikation erweitert wird. Es stimmt mit dem verstärkten ^N . überein J _ph /erhöhter Lichteinschluss für die modifizierten Arrays, wie in Abb. 2b gezeigt. Darüber hinaus ist die Erweiterung der photogenerierten Ladungsträgerverteilung vorteilhaft für die Ladungsträgersammlung, insbesondere für das planare pn Übergangskonfiguration und macht die Strukturen unterdessen toleranter gegenüber Massendefekten/schlechten Materialqualitäten. Es ist erwähnenswert, dass die Top-Modifikation im Vergleich zum reinen NW-Array auch zu einer deutlich erhöhten Ladungsträgerdichte auf der Oberfläche führt und eine Oberflächenpassivierung erforderlich ist, um die Oberflächenrekombinationsverluste photogenerierter Ladungsträger für solche Arrays zu reduzieren [66, 67].

Räumliche Verteilung der photogenerierten Trägererzeugungsrate bei AM 1,5G Beleuchtung für die Arrays (H = 2000 nm und D = 500 nm) top-modifiziert durch (links) Hemiellipsoide (h = 500 nm) und (Mitte) invertierte Halbellipsoide (h = 500 nm). Die Generationsrate (rechts) im reinen NW-Array von H = 2000 nm und D = 500 nm wird zum Vergleich angezeigt

Als hervorragender Lichtabsorber ist ein effektiver Lichteinfall bei schrägem Einfall erforderlich. Abbildung 5 zeigt die Absorptionsspektren beim Einfallswinkel α = 0, 30 und 60 Grad (°) für die (a) Hemiellipsoid- und (b) invertierten Hemiellipsoid-modifizierten GaAs-NW-Arrays mit denselben Strukturparametern wie die in Abb. 4 gezeigten Arrays. Es ist bemerkenswert, dass sogar bei α = 60° ist nur eine begrenzte Degradation beobachtbar, was auf eine ausgezeichnete omnidirektionale Lichteingrenzung durch beide Modifikationen hinweist. Die berechnete Photostromdichte J _ph für diese beiden Arrays ist im Einschub von Fig. 5a und b zusammengefasst. Man merkt, dass im Vergleich zu J _ph von ~27,7  und 16,0 mA/cm ² für einen idealen GaAs-Absorber bei α = 30° bzw. 60°, der entsprechende Wert für beide modifizierten NW-Arrays zeigt nur eine begrenzte Reduzierung.

Absorptionsspektren des a Halbellipsoid- und b invertierte Hemiellipsoid-modifizierte GaAs-NW-Arrays (H = 2000 nm, D = 500 nm und h = 500 nm) beim Einfallswinkel (α ) von 0, 30 und 60°. Die eingefügten Tabellen fassen die theoretische Photostromdichte (J _ph ) für diese beiden top-modifizierten NW-Arrays jeweils bei den entsprechenden Einfallswinkeln

Es ist bekannt, dass bei experimentell hergestellten NWs die Oberflächen normalerweise nicht so glatt sind wie in den Simulationen. Um die Validität der Simulationsergebnisse für experimentelle Studien zu überprüfen, wurden optische Eigenschaften der GaAs-NW-Arrays mit orthohexagonalem Drahtquerschnitt simuliert und mit denen der entsprechenden NW-Arrays mit kreisförmigem Drahtquerschnitt verglichen. Abbildung 6 vergleicht die Absorptionsspektren dieser beiden Arten von Arrays mit demselben Volumen (gekennzeichnet durch den Durchmesser (100, 300 und 500 nm) der Kreis-NWs) und einer Drahtlänge von 2 μm im Spektralbereich von 310 nm (4 eV .). ) bis 873,2 nm (1,42 eV, dh die Bandlückenenergie von GaAs). Man beachte, dass es im betrachteten Spektralbereich keine offensichtlichen Unterschiede des optischen Verhaltens zwischen diesen beiden Arten von NW-Arrays gibt. Dementsprechend wird angenommen, dass die Simulationsergebnisse, die aus den NW-Arrays mit einem kreisförmigen Drahtquerschnitt abgeleitet wurden, auch auf andere Arrays mit einem anderen Drahtquerschnitt anwendbar sind.

Vergleich der Absorptionsspektren der reinen NW-Arrays aus GaAs mit den kreisförmigen und orthohexagonalen Drahtquerschnitten. Die Arrayperiode und die Drahtlänge betragen 600 nm bzw. 2 μm. Die Drahtvolumina für die entsprechenden NW-Arrays sind gleich und werden durch den Durchmesser (100, 300 und 500 nm) der NWs mit kreisförmigem Querschnitt gekennzeichnet

Darüber hinaus ist aus der obigen Diskussion ersichtlich, dass die Kombination der oberen Modifikation für die räumliche Modulation des Brechungsindex und der verbesserten Lichtstreuung durch die untere Struktur mit angepassten charakteristischen Abmessungen eine leicht zu handhabende Richtlinie für das Design von Hochleistungslichtabsorbern ist.

Schlussfolgerungen

In diesem Artikel wird die Top-Modifikation von Halbleiter-Nanodrähten mit Hemiellipsoiden und invertierten Hemiellipsoiden vorgestellt, um die Lichteingrenzung in den entsprechenden Arrays weiter zu verbessern. Eine systematische Untersuchung zeigt, dass durch den synergetischen Effekt von verbesserter Antireflexion und Lichtstreuung nach entsprechender Modifikation ein leistungsstarkes Lichtmanagement bei begrenzten effektiven Dicken realisiert werden kann. Beispielsweise kann das invertierte Hemiellipsoid-modifizierte GaAs-Nanodraht-Array 90 % und 95 % der einfallenden Photonen mit einer Energie einfangen, die größer als die Bandlückenenergie bei einer effektiven Dicke von nur ~ 180 und 270 nm ist. Es wurde festgestellt, dass die von oben modifizierten NW-Anordnungen eine ausgezeichnete Lichteinfangfähigkeit in einem breiten Bereich der Modifikationshöhe aufweisen. Inzwischen ist die räumliche Verteilung der photogenerierten Ladungsträger für die modifizierten Nanodraht-Arrays im Vergleich zu den entsprechenden ohne Top-Modifikation erweitert, was weiter auf das verbesserte Lichtmanagement hindeutet. Es würde das Sammeln von Trägern erleichtern, insbesondere für das planare pn Kreuzungskonfiguration. Darüber hinaus zeigen weitere Studien, dass die modifizierten optischen Strukturen eine ausgezeichnete omnidirektionale Lichteindämmung aufweisen, wie es für fortschrittliche Lichtabsorber erwartet wird.

Abkürzungen

J _ph :

Photostromdichte

^N J _ph :

normalisierte theoretische Photostromdichte

NW:

Nanodraht

PV:

Photovoltaik