Gesteigerte photovoltaische Effizienz von GaAs-Pin-Junction-Nanokegel-Solarzellen durch optimierte optische Absorption

Zusammenfassung

Die photovoltaische Leistung von axialen und radialen Pin-Junction GaAs-Nanokegel-Array-Solarzellen wird untersucht. Im Vergleich zu Zylinder-Nanodraht-Arrays verbessern die Nanokegel-Arrays nicht nur die gesamte optische Absorption, sondern vor allem die effektive Absorption (Absorption in der Sperrschicht). Die gesteigerte effektive Absorption wird auf den abwärts gerichteten Versatz und die Erweiterung des Absorptionsbereichs zurückgeführt, der durch die verjüngte Spitze induziert wird, was den Absorptionsverlust im hochdotierten oberen Bereich dramatisch unterdrückt und die Absorption in der Sperrschicht verstärkt. Die höchsten Umwandlungseffizienzen für axiale und radiale GaAs-Nanokegel-Solarzellen betragen 20,1 % bzw. 17,4 %, erzielt bei einem Neigungswinkel von 5° und 6°, jeweils, was weit über ihren Zylinder-Nanodraht-Gegenstücken liegt. Die Nanokegel-Strukturen sind vielversprechende Kandidaten für hocheffiziente Solarzellen.

Hintergrund

Niedrigdimensionale Materialien, einschließlich Quantenpunkte (QDs), Nanodrähte (NWs) und zweidimensionale Schichtmaterialien, sind vielversprechend für photovoltaische Anwendungen aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften [1,2,3,4,5]. Im Vergleich zu ihren planaren Gegenstücken haben III-V-Nanodraht-Arrays (NW) exzellente optische Eigenschaften wie Antireflexion und Lichtfang, was großes Potenzial für Hochleistungssolarzellen zeigt [6,7,8]. Zudem reduziert der ultrasmall Fußabdruck von NWs den Materialverbrauch ausreichend und erhöht die Toleranz gegenüber Gitterfehlanpassung, was die Realisierung von kostengünstigen Solarzellen mit weniger Material und günstigerem Substrat ermöglicht [9,10,11,12,13]. Die Pin-Junction ist der Schlüsselteil einer NW-Solarzelle, die Licht absorbiert und Photonen in Elektron-Loch-Paare umwandelt. Je nach Pin-Junction-Geometrie können NW-Array-Solarzellen in axiale und radiale (oder Kern-Schale) Pin-Solarzellen unterteilt werden, beide wurden weitreichend untersucht. Bislang betragen die besten Effizienzen für axiale und radiale III-V-NW-Array-Solarzellen 15,3 % bzw. 7,43 %, noch weit unter ihren planaren Gegenstücken [14, 15].

Bisher wurden viele Anstrengungen unternommen, um die Leistung von NW-Array-Solarzellen zu verbessern, hauptsächlich einschließlich der Optimierung des Durchmesser/Perioden-Verhältnisses (D/P), des Durchmessers und der Länge, um eine bessere optische Absorption der gesamten NW-Arrays zu erzielen [16,17,18,19,20]. Allerdings führt die Absorptionssteigerung der gesamten NW-Arrays nicht notwendigerweise zu einer Erhöhung der ultimativen Umwandlungseffizienz. Bei praktischen NW-Pin-Arrays rekombinieren die im p- (oder n-) Bereich erzeugten Photoladungsträger schnell aufgrund des Fehlens eines eingebauten elektrischen Feldes. Daher bestimmt die Absorption in der Sperrschicht, also die effektive optische Absorption, direkt den ultimativen Wirkungsgrad. Bei typischen Zylinder-NW-Arrays wird der größte Teil des Lichts vom oberen Teil der NWs absorbiert [16], während die Absorption der Sperrschicht, die sich meist in der Mitte befindet, nicht ausreichend ist. Insbesondere bei axialen Pin-NW-Arrays muss das einfallende Licht die p(n)-Region durchlaufen, bevor es von der Sperrschicht absorbiert wird, was zu großen Lichtverlusten führt.

Eine mögliche Möglichkeit, die effektive optische Absorption von NW-Arrays zu steigern, ist die Modulation der NW-Geometrie. Beispielsweise wurde ein axialer Pin-inklinierter NW-Array-Solarzelle berichtet, der die Absorption der Sperrschicht durch Reduzierung der Absorption des oberen p- (oder n-) Bereichs erhöht [21]. In der Praxis sollte das D/P-Verhältnis jedoch viel niedriger sein als bei vertikalen NW-Arrays, um Überschneidungen benachbarter NWs zu vermeiden, was die Umwandlungseffizienz begrenzt. Verjüngte NWs, oder Nanokegel, werden erwartet, die effektive optische Absorption zu verbessern, da das einfallende Licht direkt von der Sperrschicht absorbiert werden kann, ohne den oberen Bereich zu durchlaufen. Bisher wurden Nanokegel mit unterschiedlichen Neigungswinkeln und Aspektverhältnissen durch Au-katalysierte Dampf-Flüssig-Fest-Phasen- und selbstassemblierte katalysatorfreie Methoden hergestellt [22,23,24,25], und die optischen Absorptionseigenschaften wurden ebenfalls simuliert [26, 27]. In praktischen Solarzellen kann der Einfluss der Dotierung auf Transport- und optische Eigenschaften nicht ignoriert werden, und radiative, Auger- und Shockley-Read-Hall (SRH) Rekombination spielt ebenfalls eine wichtige Rolle in der photoelektrischen Umwandlung. Meines Wissens wurde die photovoltaische Leistung von Nanokegel-p(i)n-Solarzellen unter Berücksichtigung der oben genannten Faktoren noch nicht detailliert untersucht.

In dieser Arbeit wird eine gekoppelte dreidimensionale (3D) optoelektronische Simulation vorgestellt, um die photovoltaische Leistung von axialen und radialen Pin-Junction GaAs-Nanokegel-Solarzellen zu untersuchen. Die optischen Absorptionseigenschaften wurden mittels Finite-Differenzen-Zeitbereich (FDTD) untersucht. Die Photogenerationsprofile wurden dann in die elektrischen Simulationen integriert, um die Stromdichte-Spannung (J-V) Charakteristiken mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) zu berechnen. Dotierungsabhängige Mobilität, Bandlückenverengung und radiative, Auger- und SRH-Rekombination wurden alle in den elektrischen Simulationen berücksichtigt. Die höchsten Effizienzen für axiale und radiale Pin-Junction-Nanokegel-Solarzellen betragen 20,1 % bzw. 17,4 %, weit über ihren Zylinder-NW-Gegenstücken. Der Mechanismus der Effizienzsteigerung wird diskutiert.

Methoden

Das axiale Pin-GaAs-Nanokegel-Array-Modell ist in Abb. 1 dargestellt, bestehend aus periodischen axialen Pin-GaAs-Nanokegeln mit Durchmesser D = 180 nm, Periode P = 360 nm und Länge L = 2 µm. Beide p- und n-Bereiche haben eine Länge von 200 nm und sind einheitlich auf 3 × 10¹⁸ cm⁻³ bzw. 1 × 10¹⁷ cm⁻³ dotiert. Der GaAs-Substrat ist n-dotiert mit einer Trägerkonzentration von 1 × 10¹⁷ cm⁻³. Der Nanokegel-Durchmesser ist als Mittelwert von oberen und unteren Durchmessern definiert. Der Neigungswinkel (θ) ist der Winkel zwischen der Seitenwand und der Normalen der unteren Oberfläche (Substrat). In der Simulation wird der Neigungswinkel von 0 bis 5° variiert, indem untere und obere Durchmesser variiert werden, während der mittlere Durchmesser konstant gehalten wird.

Optische Eigenschaften der Struktur werden durch das Sentaurus Electromagnetic Wave (EMW) Solver Modulpaket [28,29,30] untersucht. Die minimale Zellengröße des FDTD-Gitters wird auf 5 nm gesetzt, und die Knotenzahl pro Wellenlänge beträgt 20 in alle Richtungen. Durch Anlegen periodischer Randbedingungen können die Simulationen in einer einzelnen Einheitszelle durchgeführt werden, um die periodische Array-Struktur zu modellieren. Um Ressourcen und Rechenzeit zu sparen, wird die Dicke des GaAs-Substrats auf 0,4 µm begrenzt [21]. Durch Verwendung einer Perfect-Match-Layer (PML) angrenzend an den GaAs-Substrat wird das transmittierte Licht vollständig absorbiert, was die Modellierung eines halbinendlichen GaAs-Substrats ermöglicht [31]. Der wellenlängenabhängige komplexe Brechungsindex zur Beschreibung der Materialdispersionseigenschaften von GaAs kann aus der Studie von Levinshtein et al. [32] entnommen werden. Das einfallende Licht von oben wird parallel zur NW-Achse gesetzt, wie in Abb. 1 angegeben. Wir verwenden eine ebene Welle, definiert mit Leistungsintensität und Wellenlängenwerten aus einem diskretisierten AM 1.5G Sonnenspektrum mit Wellenlängenbereich von 290 bis 900 nm (typischer Absorptionsbereich von GaAs), um das Sonnenlicht zu modellieren [33]. Die gesamte optische Generationsrate unter AM 1.5G Beleuchtung kann durch Überlagerung der leistungsgewichteten einzelnwelligen optischen Generationsraten modelliert werden [20]. Die optische Generationsrate G_ph wird aus dem Poynting-Vektor S erhalten:

$$ {G}_{ph}=\frac{\left|\overrightarrow{\nabla}\cdot \overrightarrow{S}\right|}{2\mathrm{\hslash}\omega }=\frac{\varepsilon^{{\prime\prime} }{\left|\overrightarrow{E}\right|}^2}{2\mathrm{\hslash}} $$ (1)

wo ħ die reduzierte Plancksche Konstante, ω die Winkelgeschwindigkeit des einfallenden Lichts, E die elektrische Feldintensität an jedem Gitterpunkt und ε″ der imaginäre Teil der Permittivität ist. Der Reflexionsmonitor befindet sich über der oberen Oberfläche des NWA, und der Transmissionsmonitor befindet sich an der unteren Oberfläche des Substrats, um das absorbierte Licht zu berechnen. Die durch die Leistungsmonitore übertragene Leistung wird auf die Quellenleistung bei jeder Wellenlänge normiert. Reflexion R(λ) und Transmission T(λ) werden durch folgende Gleichung berechnet:

$$ R\left(\lambda \right),T\left(\lambda \right)=0.5\int \mathrm{real}\left\{p{\left(\lambda \right)}_{\mathrm{monitor}}\right\} dS/{P}_{\mathrm{in}}\left(\lambda \right) $$ (2)

wo P(λ) der Poynting-Vektor, dS die Flächennormale und P_in(λ) die einfallende Quellenleistung bei jeder Wellenlänge ist. Das Absorptionsspektrum A(λ) der GaAs NWAs wird durch folgende Gleichung gegeben:

$$ A\left(\lambda \right)=1-R\left(\lambda \right)-T\left(\lambda \right) $$ (3)

Für die elektrische Modellierung werden die 3D-optischen Generationsprofile in das Finite-Elemente-Gitter der NWs im elektrischen Tool integriert, das die Ladungsträgerkontinuitätsgleichungen gekoppelt mit der Poisson-Gleichung selbstkonsistent in 3D löst. Dotierungsabhängige Mobilität, Bandlückenverengung und radiative, Auger- und SRH-Rekombination werden in den Bauelement-Elektrosimulationen berücksichtigt. Die kritischen Materialparameter für Bauelementsimulationen stammen größtenteils aus Levinshteins Modell [32], wie in Tabelle 1 dargestellt.

Ergebnisse und Diskussion

Axiale Pin-Junction GaAs-Nanokegel-Array-Solarzellen

Abbildung 2a–c zeigt die wellenlängenabhängige Absorption, Reflexion und Transmission der axialen GaAs-Nanokegel-Arrays mit unterschiedlichen Neigungswinkeln. Im Vergleich zu Zylinder-NW-Arrays (θ = 0°) zeigen Nanokegel-Arrays geringere Reflexion über den gesamten Wellenlängenbereich, und das Phänomen wird mit zunehmendem Neigungswinkel deutlicher. Die Antireflexionsfähigkeit der NW-Arrays kann auf das niedrige Füllverhältnis zurückgeführt werden, das den effektiven Brechungsindex reduziert und eine gute Impedanzanpassung zwischen GaAs und Luft bietet [7]. Für Nanokegel-Arrays mit großem Neigungswinkel ist das Füllverhältnis an der Spitze der Arrays extrem niedrig, was zu fast perfekter Impedanzanpassung an Luft und fast null Reflexion führt. Im Kurzwellenlängenbereich von 300–700 nm steigt die Absorption mit zunehmendem Neigungswinkel aufgrund der unterdrückten Reflexion. Allerdings nimmt die Absorption von Langwellenlicht nahe der GaAs-Bandlücke bei großem Neigungswinkel ab, da die sehr dünne Nanokegelspitze keine optischen Moden unterstützen kann. Abbildung 2d zeigt das AM 1.5G-gewichtete Integral der Absorptions-, Reflexions- und Transmissionsspektren für verschiedene Neigungswinkel. Bei kleinen Winkeln steigt die Absorption mit zunehmendem Neigungswinkel aufgrund der verringerten Reflexion. Wenn der Neigungswinkel 3° übersteigt, nimmt die Absorption leicht ab. Dies ist wahrscheinlich auf den reduzierten Absorptionspfad zurückzuführen, da die sehr dünne Nanokegelspitze keine Langwellenmoden unterstützen kann. Dennoch hat die Gesamtabsorption der Nanokegel bei verschiedenen Neigungswinkeln (1–5°) sehr wenig Unterschied (im Bereich von 92–93,5 %), was darauf hindeutet, dass der Neigungswinkel wenig Einfluss auf die Gesamtabsorption der Nanokegel hat. Alternativ wird angenommen, dass der Neigungswinkel einen starken Einfluss auf die Absorption im intrinsischen Bereich hat, die die photoelektrische Umwandlungseffizienz dominiert. Dies wird im folgenden Teil detailliert diskutiert.

Die gesamten optischen Generationsprofile der axialen GaAs-Nanokegel-Arrays unter AM 1.5G Beleuchtung sind in Abb. 3a dargestellt. Man sieht, dass bei θ = 0° die meisten absorbierten Photonen an der Spitze der Zylinder-NWs konzentriert sind. Aufgrund der hohen Dotierungskonzentration und des Fehlens eines eingebauten elektrischen Feldes zur Trennung von Elektron-Loch-Paaren [34,35,36,37] ist die Rekombination der Photoladungsträger im oberen p-Bereich sehr hoch, was zu großen Verlusten des einfallenden Lichts führt. Für Nanokegel-Arrays verschiebt sich die Photonenabsorptionsposition mit zunehmendem Neigungswinkel nach unten, was zu einer Absorptionssteigerung im i-Bereich führt. Wie berichtet, wird die Lichtabsorption von NWs von Resonanzmoden dominiert, die eng mit dem NW-Durchmesser zusammenhängen [37]. Aufgrund der einzigartigen Geometrie der Nanokegel können wenige Langwellenmoden im oberen Bereich mit kleinem Durchmesser unterstützt werden. Dies wird durch Abb. 3b–g gestützt, die die wellenlängenabhängigen optischen Generationsprofile von Nanokegeln mit Neigungswinkeln von 0–5° zeigen. Man sieht, dass in Zylinder-NWs die meiste Absorption im oberen Bereich für alle Wellenlängen konzentriert ist. Allerdings verschieben sich die optischen Moden, insbesondere die Langwellenmoden, mit zunehmendem Neigungswinkel nach unten in einen dickeren Bereich. Daher führt die Erhöhung des Neigungswinkels nicht nur zu einer Absorptionssteigerung im mittleren i-Bereich, sondern auch zu einer Absorptionsreduktion im oberen Bereich. Dies kann erklären, warum der Nanokegel-Array mit einem mittleren Neigungswinkel von 3° die hohe Gesamtabsorption wie in Abb. 3e zeigt, da die Absorption in beiden dem oberen p-Bereich und dem mittleren intrinsischen Bereich bei diesem Winkel relativ stark ist. Es wird angenommen, dass der abwärts gerichtete Versatz der Absorption eine kritische Rolle bei der Leistungsverbesserung des Bauelements spielt, da er nicht nur den Absorptionsverlust im oberen p-Bereich unterdrückt, sondern auch die Absorption im mittleren i-Bereich verstärkt.

Die Absorptionsspektren des i-Bereichs sind in Abb. 4a dargestellt. Im Kurzwellenlängenbereich verringern sich mit zunehmendem Neigungswinkel sowohl das p-Bereichsvolumen als auch die Lichtleistung, die im Nanokegel eingedämmt werden kann, was zu unzureichender Absorption im p-Bereich und hoher Absorption im i-Bereich führt. Im Langwellenlängenbereich erstreckt sich der Absorptionsbereich in Nanokegeln bei großem Neigungswinkel in den unteren n-Bereich, was zu verringerter Absorption im i-Bereich führt. Abbildung 4b zeigt das Integral der Absorptionsspektren im i-Bereich. Die Absorption jeder Wellenlänge wird mit dem AM 1.5G-Spektrum gewichtet. Man sieht, dass die Absorption im i-Bereich mit zunehmendem Neigungswinkel dramatisch zunimmt, was eine gesteigerte effektive Absorption anzeigt, die die Umwandlungseffizienz verbessern soll.

Die Photogenerationsprofile werden dann in das elektrische Tool [35] integriert, um die photovoltaische Leistung der axialen Pin-Junction-Nanokegel-Array-Solarzelle zu untersuchen. Abbildung 5a zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinien bei verschiedenen Neigungswinkeln. Im Vergleich zu Zylinder-NW-Arrays wird in Nanokegel-Array-Solarzellen eine viel höhere Kurzschlussstromdichte (J_sc) erzielt. Bei θ = 5° liefert das Bauelement ein J_sc von 30,1 mA/cm² (7,3 mA/cm² höher als der Zylinder) und ein V_oc von 0,885 V, was zu einem hohen photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad (η) von 20,1 % führt (4,8 % höher als der Zylinder). Abbildung 5b zeigt die Abhängigkeit des Umwandlungswirkungsgrads vom Neigungswinkel. Mit zunehmendem Neigungswinkel von 0 auf 5° steigt der Umwandlungswirkungsgrad monoton von 15,3 auf 20,1 %. Wie zuvor erwähnt, sättigt die Absorption der gesamten Nanokegel-Arrays bei θ = 2°, was suggeriert, dass die Effizienzsteigerung bei großem Neigungswinkel nicht durch die Absorptionssteigerung der gesamten Nanokegel-Arrays verursacht wird. Stattdessen stimmt der Trend des Umwandlungswirkungsgrads hochgradig mit der Absorption im i-Bereich überein, wie in Abb. 4b gezeigt, was demonstriert, dass der Umwandlungswirkungsgrad von der effektiven optischen Absorption im i-Bereich dominiert wird.

Radiale Pin-Junction GaAs-Nanokegel-Array-Solarzellen

Das radiale Pin-Junction GaAs-Nanokegel-Array-Modell ist in Abb. 6 dargestellt, bestehend aus periodischen radialen Pin-GaAs-Nanokegeln mit Durchmesser D = 360 nm, Periode P = 720 nm und Länge L = 2 µm. Die Dicke des i-Bereichs beträgt 10 nm, und der Radius des Kerns entspricht der Schalentiefe. Die Dotierungskonzentrationen des n-Typ-Kerns und p-Typ-Schale sind identisch mit denen der axialen Nanokegel eingestellt. Der Neigungswinkel wird von 0 bis 10° variiert, indem untere und obere Durchmesser variiert werden, während der mittlere Durchmesser konstant gehalten wird.

Die wellenlängenabhängige Absorption, Reflexion und Transmission der radialen GaAs-Nanokegel-Arrays mit unterschiedlichen Neigungswinkeln sind in Abb. 7a–c gezeigt. Ähnlich wie bei axialen Strukturen zeigen radiale Nanokegel geringere Reflexion über den gesamten Wellenlängenbereich im Vergleich zu radialen Zylinder-NWs (θ = 0°), und dieses Phänomen wird mit zunehmendem Neigungswinkel deutlicher. In Abb. 7a sieht man, dass im Kurzwellenlängenbereich von 300–700 nm die Absorption mit zunehmendem Neigungswinkel aufgrund der Unterdrückung der Reflexion steigt. Bei großen Neigungswinkeln ist die Nanokegelspitze jedoch zu dünn, um Langwellenmoden zu unterstützen, was zu einem Absorptionsabfall führt. Abbildung 7d zeigt das AM 1.5G-gewichtete Integral der Absorptions-, Reflexions- und Transmissionsspektren für verschiedene Neigungswinkel. Man sieht, dass mit zunehmendem Neigungswinkel die Absorption einen insgesamt aufwärts gerichteten Trend mit leichten Schwankungen aufweist, was exzellente Absorptionseigenschaften für Nanokegel-Strukturen suggeriert.

Abbildung 8 zeigt die gesamten optischen Generationsprofile der radialen GaAs-Nanokegel-Arrays unter AM 1.5G Beleuchtung. Ähnlich wie in axialen Arrays konzentrieren sich die meisten Photonen an der Spitze der Zylinder-NWs. Mit allmählich zunehmendem Neigungswinkel verschiebt sich die Absorption nach unten. Da der i-Bereichs-Rohr in der radialen Junction den gesamten NW durchdringt, kann der abwärts gerichtete Versatz der Absorption nicht direkt zu einer Absorptionssteigerung führen wie im axialen Pin-Junction. Allerdings erweitert sich zusammen mit dem abwärts gerichteten Versatz der Absorption auch die Absorptionslänge, was zu einer verbesserten Überlappung zwischen Lichtabsorption und i-Bereich führt. Daher wird angenommen, dass die effektive Absorption ebenfalls gesteigert wird.

Die Strom-Spannungs-Kennlinien der radialen Nanokegel-Solarzellen sind in Abb. 9a dargestellt. Im Vergleich zum Zylinder-NW-Array-Solarzelle wird in Nanokegel-Array-Solarzellen eine viel höhere J_sc erreicht. Bei θ ≥ 6° übersteigen alle J_sc 25 mA/cm², im Gegensatz dazu beträgt J_sc 17,4 mA/cm² bei θ = 0°. Abbildung 9b zeigt die Abhängigkeit des Umwandlungswirkungsgrads vom Neigungswinkel. Bei kleinen Neigungswinkeln steigt der Wirkungsgrad monoton mit dem Neigungswinkel und erreicht einen Maximalwert von 17,4 % bei θ = 6°, 6,4 % höher als das Zylinder-Gegenstück. Wenn der Winkel weiter zunimmt, sättigt der Wirkungsgrad und nimmt sogar leicht ab. Dies ist wahrscheinlich auf den Wettbewerb zwischen der Absorption des oberen und mittleren i-Bereichs zurückzuführen. Bei großem Neigungswinkel ist die Nanokegelspitze zu dünn, um Langwellenmoden zu unterstützen. Obwohl die Absorption des mittleren i-Bereichs aufgrund des abwärts gerichteten Versatzes zunimmt, nimmt die Absorption im oberen i-Bereich ab, was den Absorptionszuwachs im mittleren i-Bereich ausgleicht.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir die photovoltaische Leistung von axialen und radialen Pin-Junction GaAs-Nanokegel-Array-Solarzellen durch eine gekoppelte 3D-optoelektronische Simulation untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Absorption im Nanokegel-Array nach unten verschoben wird aufgrund des verjüngten Spitzendurchmessers, was den Absorptionsverlust im hochdotierten oberen Bereich dramatisch unterdrückt und die Absorption in der Sperrschicht verstärkt. Die höchsten Umwandlungseffizienzen für axiale und radiale GaAs-Nanokegel-Solarzellen betragen 20,1 % und 17,4 %, erreicht bei Neigungswinkeln von 5° bzw. 6°, was weit über ihren Zylinder-NW-Gegenstücken liegt. Die Nanokegel-Strukturen sind vielversprechende Kandidaten für hocheffiziente Solarzellen.

Abkürzungen

3D:

Dreidimensional

D/P:

Durchmesser/Periode

EMW:

Sentaurus Electromagnetic Wave

FDTD:

Finite-Differenzen-Zeitbereich

FEM:

Finite-Elemente-Methode

NW:

Nanodraht

PML:

Perfect-Match-Layer

SRH:

Shockley-Read-Hall