Optimierung der breitbandigen Lichtabsorption in Dünnschicht-Silizium-Solarzellen mit beidseitigen Pyramiden-Gittern

Zusammenfassung

Der Einsatz eines beidseitigen Pyramiden-Gitters auf kristallinen Silizium (CS) Dünnschichten kann die Lichtabsorptionsleistung erheblich verbreitern. Ein Frontgitter unterdrückt effektiv Reflexion im kurzwelligen Bereich, während ein Rückgitter einen ähnlichen Effekt bei längeren Wellenlängen erzielt. Diese Studie analysiert die Photonenabsorptionsverteilung für jede Komponente der beidseitigen Struktur und vergleicht sie mit blankem CS. Theoretische Simulationen zeigen, dass sorgfältiges Abstimmen der Gitterparameter die breitbandige Reflexion drastisch reduziert, wodurch die Erzeugung von schwarzem Silizium und eine erhöhte Gesamtlichtaufnahme ermöglicht werden. Dennoch deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass das Hinzufügen eines Rückgitters nicht in eine höhere effektive Absorption im Silizium-Bulk umgesetzt wird.

Hintergrund

Fortschritte in der Mikrofertigung haben nanometer-skalige Oberflächentexturen und gestaltete Morphologien zu einem Eckpfeiler der Photovoltaik der nächsten Generation gemacht. Für CS Dünnschicht-Solarzellen ist die Optimierung struktureller Parameter entscheidend, um Wirkungsgrade an das theoretische Yablonovitch-Limit heranzuführen. Da jedes absorbierte Photon mit Energie über der Bandlücke ein einzelnes Elektron-Loch-Paar erzeugt, bestimmt die Verteilung der Photonenabsorption über die Schichten der Zelle den ultimativen Umwandlungswirkungsgrad. Dieser Artikel untersucht, wie Front-Pyramiden-Gitter (FPG), Rück-Pyramiden-Gitter (RPG) und ihre Kombination (DSPG) die Photonenabsorption in der CS-Schicht beeinflussen.

Wir zerlegen die gesamte Photonenabsorption A in drei Beiträge: Absorption in den Frontgittern (A_F), im Silizium-Bulk (A_Si) und in den Rückgittern (A_R), wie in Abb. 1 dargestellt. Diese erfüllen die Erhaltungsrelation R + T + A = 1. Wichtig ist, dass A_Si für jede strukturelle Variante unterschiedlich berechnet wird.

Verschiedene Strukturen von kristallinen Silizium (CS) Dünnschicht-Solarzellen mit oder ohne Pyramiden-Gitter. a Blankes Kristallsilizium (BCS). b Front-Pyramiden-Gitter (FPG). c Rück-Pyramiden-Gitter (RPG). d Beidseitiges Pyramiden-Gitter (DSPG). (A_F, A_Si und A_R repräsentieren die Lichtabsorption der Frontflächen-Gitter, des CS-Teils und der Rückflächen-Gitter. H ist die Dicke der CS-Schicht; P₁, D₁, H₁ und P₂, D₂, H₂ repräsentieren die Periode, den Basisdurchmesser und die Höhe der Silizium-Pyramide der Front- bzw. Rückfläche)

Methoden

Unsere Simulationen kombinieren die Netto-Strahlungsmethode mit der Effektiv-Medium-Näherung, eine Kombination, die konsistent mit experimentellen Daten für Silizium-Gitter übereinstimmt. Abbildung 2 zeigt das Mehrschichtsystem: ein N-Schicht-Stapel mit komplexen Brechungsindizes N_i an jeder Grenzfläche (i = 1…N−1). Eingehende und ausgehende Energieflüsse werden als Q_i,a, Q_i,b, Q_i+1,c und Q_i+1,d bezeichnet.

Schematische Mehrschicht-Medium-Struktur der Silizium-Pyramiden-Gitter mit Nummerierungskonvention der Grenzflächen (1, …, i, …, N − 1), komplexen Brechungsindizes (N₁, …, N_i, …, N_N) und elektromagnetischen Strahlungsflüssen (Q_i,a, Q_i,b, Q_i+1,c, Q_i+1,d, …)

Die Energiebilanz an jeder Grenzfläche folgt:

{
Q_{i,a}=\tau_iQ_{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}
}

wobei r_i,i+1 und t_i,i+1 die Fresnel-Reflektivität und -Transmissivität sind. Die Absorptionsdämpfung von Schicht i ist:

\tau_i=\exp\left[-\alpha_i\,d_i/\cos\varphi_i\right]

mit α_i = 4\pi k_i/\lambda und k_i dem imaginären Teil von N_i. Unter Annahme senkrechten Einfalls Q_1,a=1 und nullem ausgehenden Fluss an der Rückseite Q_N,d=0 ist der Absorptionskoeffizient von Schicht i A_i=Q_i,a−Q_i,c+Q_i,d−Q_i,b.

Effektive Brechungsindizes für die Pyramidenschichten werden über die Bruggeman-Formel erhalten:

\frac{f_1(N_{Si}^2-N_{Eff}^2)}{N_{Si}^2+2N_{Eff}^2}+ \frac{f_2(N_{Air}^2-N_{Eff}^2)}{N_{Air}^2+2N_{Eff}^2}=0

wobei f₁ und f₂=1−f₁ die Volumenanteile von Silizium und Luft sind. Der gesamte absorbierte Photonenfluss in Schicht i ist dann:

\Phi_i=\int A_i\,F(\lambda)\,\lambda/(h_0c_0)\,d\lambda

mit F(\lambda) dem AM1.5-Solarspektrum. Der aggregierte absorbierte Fluss ist Φ=\sum_i\Phi_i.

Ergebnisse und Diskussion

Für einen fairen Vergleich setzen wir die CS-Schichtdicke auf H = 10 µm. Die Pyramidenhöhe und der Basisdurchmesser sind festgelegt auf H₁=H₂=200 nm und D₁=D₂=100 nm. Das Periode-zu-Durchmesser-Verhältnis des Frontgitters beträgt P₁/D₁=1. Für das Rückgitter untersuchen wir P₂/D₂=1 und 10. Die beidseitige Konfiguration kombiniert diese Parametersets.

Abbildung 3 fasst die optische Leistung jeder Struktur zusammen. Die Frontgitter reduzieren die breitbandige Reflexion drastisch und steigern die Gesamtabsorption, besonders im kurzwelligen Bereich (Bereiche I und II). Die Rückgitter unterdrücken die Reflexion im Infrarot (Bereich II) weiter, wenn P₂/D₂=10. Zusammen kann das DSPG dem Yablonovitch-Limit nahekommen und nahezu null Reflexion über das gesamte Spektrum erreichen, ein Kennzeichen von schwarzem Silizium. Interessanterweise erhöhen die Rückgitter die Transmission im sichtbaren und nahen Infrarot, was Photodetektoren zugutekommen kann.

Optische Eigenschaften verschiedener Silizium-Pyramiden-Gitter-Strukturen im Vergleich zum BCS gleicher Dicke (BCS (H = 10 µm), FPG (P₁/D₁=1, H₁=200 nm), RPG (P₂/D₂=1 oder 10, H₂=200 nm), DSPG (P₁/D₁=1, P₂/D₂=1 oder 10, H₁=H₂=200 nm)). (a), (b) und (c) sind die totale Lichtreflektivität, Absorptivität und Transmissivität.

Um zu analysieren, wo Photonen absorbiert werden, präsentieren wir dreidimensionale Konturkarten für die FPG- und RPG-Strukturen in Abb. 4 und 5. Diese zeigen, dass für das FPG eine Erhöhung der Pyramidenhöhe die Gesamtabsorption steigert, aber schließlich die Silizium-Bulk-Absorption verringert, sobald die Frontschicht zu hoch wird. Die optimale Frontgitter-Geometrie liegt bei P₁/D₁=1,05 und H₁=53 nm.

Konturkarten der Photonenabsorptionsverteilung in verschiedenen Bereichen für FPG-Struktur. (a) Totale Photonenabsorption A. (b) Photonenabsorption der Frontflächen-Gitter A_F. (c) Photonenabsorption des CS-Teils A_Si. (Die gepunktete Linie in der Illustration repräsentiert die Absorption von BCS)

Konturkarten der Photonenabsorptionsverteilung in verschiedenen Bereichen für RPG-Struktur. (a) Totale Photonenabsorption A. (b) Photonenabsorption des CS-Teils A_Si. (c) Photonenabsorption der Rückflächen-Gitter A_R. (Die gepunktete Linie in der Illustration repräsentiert die Absorption von BCS)

Für das RPG steigert ein größeres Periode-zu-Durchmesser-Verhältnis (P₂/D₂=10) gekoppelt mit geringerer Pyramidenhöhe die Infrarot-Absorption, indem Licht zurück zur aktiven Schicht umgelenkt wird. Die Silizium-Bulk-Absorption bleibt jedoch weitgehend unverändert, da die Rückgitter viele Photonen reflektieren statt sie einzufangen. Folglich verbessern die Rückgitter zwar die Gesamtabsorption, erhöhen aber nicht die effektive Absorption im CS-Bulk.

Abbildung 6 fasst die Leistung von vier repräsentativen DSPG-Parametersets zusammen. Wenn das Periode-zu-Durchmesser-Verhältnis des Frontgitters zu groß ist (z.B. P₁/D₁=10 mit H₁=10 nm), steigt die Reflexion und die Absorption sinkt. Nur die Konfiguration P₁/D₁=1,05, H₁=53 nm, gepaart mit P₂/D₂=1,03 und H₂=170 nm liefert nahezu null Reflexion und maximale Absorption über das Spektrum. Doch selbst in diesem optimalen DSPG übersteigt der Anteil der im Silizium-Bulk absorbierten Photonen nicht den des besten FPG allein, was bestätigt, dass Rückgitter für die Bulk-Absorption nur begrenzten Nutzen bieten.

Optische Eigenschaften von vier verschiedenen Parametersets für das DSPG (P₁/D₁=10, H₁=10 nm und P₂/D₂=1,03, H₂=170 nm oder P₂/D₂=10, H₂=10 nm; P₁/D₁=1,05, H₁=53 nm und P₂/D₂=1,03, H₂=170 nm oder P₂/D₂=10, H₂=10 nm) im Vergleich zu BCS (H=10 µm) und FPG (P₁/D₁=1,05, H₁=53 nm und P₁/D₁=10, H₁=10 nm). (a), (b), (c) und (d) sind die totale Lichtreflektivität, Transmissivität, Absorptivität und die Absorptivität des CS-Teils.

Zusammenfassend kann das Rückgitter die spektrale Antwort anpassen und Reflexion reduzieren, bietet aber vernachlässigbare Verbesserung der effektiven Absorption im Silizium-Bulk. Die Frontgitter-Geometrie bleibt der kritische Hebel zur Maximierung der Bulk-Absorption und zum Erreichen hocheffizienter, reflexionsarmer Silizium-Solarzellen.

Schlussfolgerungen

Die beidseitige Pyramiden-Gitter-Strategie steigert die Gesamtlichtabsorption und kann Reflexion über das gesamte Spektrum unterdrücken. Sie verbessert jedoch nicht die effektive Absorption im Silizium-Bulk. Für optimale Leistung empfehlen wir ein Frontgitter Periode-zu-Durchmesser-Verhältnis unter 1,4 und eine Höhe zwischen 10 nm und 600 nm. Rückgitter bieten minimalen Nutzen für die Bulk-Absorption und können zugunsten eines vereinfachten, kosteneffektiven Designs weggelassen werden, das sich auf die Frontseiten-Textur konzentriert.

Abkürzungen

CS:

Kristallines Silizium

DSPG:

Beidseitiges Pyramiden-Gitter

FPG:

Front-Pyramiden-Gitter

RPG:

Rück-Pyramiden-Gitter

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