GaAs Nanoantennen-Solarabsorber: Ultra-breitbandiges Lichtfang für hocheffiziente Dünnschichtzellen

Zusammenfassung

Lichtfang ist eine wichtige Leistung ultra-dünner Solarzellen, da er nicht nur die optische Absorption im photoaktiven Bereich erhöht, sondern auch effiziente Absorption mit minimalem Materialeinsatz ermöglicht. Halbleiter-Nanoantennen können Lichtfang verbessern und den Übertragungswirkungsgrad solarer Energie steigern. In dieser Arbeit präsentieren wir einen Solarabsorber basierend auf Galliumarsenid (GaAs) Nanoantennen. Near-perfekte Lichtabsorption (über 90 %) wird im Wellenlängenbereich 468–2870 nm erreicht, was ultra-breitbandiges und near-unity Lichtfang für Sonnenstrahlung demonstriert. Ein hoher Kurzschlussstromdichte bis 61,947 mA/cm² wird erzielt. Zudem weist der Solarabsorber gute strukturelle Stabilität und hohe Temperaturbeständigkeit auf. Dies eröffnet neue Perspektiven für ultra-kompakte effiziente Photovoltaikzellen und Thermale Emitter.

Einleitung

Solarenergie als erneuerbare, saubere und weitverbreitete Energie wird intensiv untersucht, da sie in andere Energieformen für breite Anwendungen umgewandelt werden kann: Solarzellen [1–3], photovoltaische Bauelemente [4, 5], photo-thermische Emitter [6, 7]. Seit Landy et al. perfekte Absorber basierend auf Metall-Isolator-Metall-Dreischicht-Metamaterialien berichteten [8], wurden zahlreiche faszinierende Nanostrukturen für Sammlung und Nutzung solarer Energie entworfen [9–21]. Effiziente solare Energieernte ist zentral für diese Anwendungen. Daher wird die solare Absorptionsantwort der Absorber üblicherweise zur Leistungsbewertung herangezogen. Der ideale Absorber besitzt near-unity Absorption in breitem Wellenlängenbereich.

Prinzipiell bedeutet perfekter Absorber auch guter thermischer Emitter im gleichen Wellenlängenbereich. Für eine gegebene Temperatur lässt sich die Strahlungsenergie gut durch Absorption der Struktur beschreiben und detektieren [7]. Zudem ist das Absorptionsverhältnis zur thermischen Emission unter thermischem Gleichgewicht immer gleich der Emissivität. Edle Metall-Nanostrukturen werden üblicherweise für perfekte Absorber, außergewöhnliche Lichttransmission oder Fano-Resonanzen via starker Kopplung von Licht mit Oberflächenplasmonen genutzt [22–30]. Absorbierte Solarenergie führt jedoch zu Temperaturanstieg (thermische Instabilität), was edle Metall-Nanostrukturen mit niedrigem Schmelzpunkt beschädigt [7]. Strukturelle Stabilität und hohe Temperaturbeständigkeit lassen sich durch Ersetzen edler Metalle durch refraktäre Metalle in Absorbern gewährleisten [6, 9, 11, 12]. Obwohl breitbandige Lichtabsorption in diesen Plattformen demonstriert wurde, leiden diese Methoden unter Problemen wie komplexen Geometrien [6, 18], relativ begrenzten Absorptionsbandbreiten (< 750 nm) [9, 11, 12] oder hohem Bedarf an edlen Metallen [8, 10, 11, 18].

Halbleitermaterialien ziehen aufgrund geringerer Kosten und höherer Umwandlungseffizienz für Solarenergie im Vergleich zu konventionellen Dünnschichtbauelementen großes Interesse [31–39]. Die meisten Solarabsorber basieren auf Silizium (Si) wegen natürlicher Häufigkeit und nearly idealer Bandlücke [31, 34]. Doch die Solarzellen-Effizienz ist begrenzt, wenn Si-Schichtdicke reduziert wird. Daher ist Lichtfang zu einem Hauptthema in Dünnschichtsolarzellen geworden [38]. Kürzlich wurde Galliumarsenid (GaAs) zum starken Konkurrenten wegen einzigartiger optischer Eigenschaften und hoher Umwandlungseffizienz [36–39], experimentell in Solarernte demonstriert. Massiot et al. präsentierten Metall-Nanogitter für breitbandigen multi-resonanten Lichteinfang in ultradünnen GaAs-Schichten mit Absorptionsbandbreite 380 nm (450–830 nm) [40]. Li et al. schlugen Solarzelle vor durch Kombination von Gold-Nanopartikeln und GaAs-Nanodraht-Arrays für breites Absorptionsband im sichtbaren Bereich (300–850 nm) [39]. Ihre Absorptionsbänder liegen jedoch fast im Bereich 300–1100 nm. Kürzlich erhielten wir durch Platzieren eines GaAs-Gitters auf GaAs-Wolfram (W) Doppelschichtfilm einen perfekten Absorber [40]. Doch die Absorption (>90 %) Bandbreite erreichte nur 1300 nm. Zudem wurde nur TM-Polarisation betrachtet.

In dieser Arbeit schlagen wir einen machbaren Solarabsorber basierend auf Halbleiter GaAs und refraktären Metallen W und Ti vor. Ein eindimensionales (1D) GaAs-Nanoantennen-Periodenarray, beschichtet mit Indium-Zinn-Oxid (ITO) Antireflexions (AR) Nanoantennen, wird auf dünne W-GaAs-Ti Dreischichtfilmstruktur platziert. Dieser Solarabsorber präsentiert ein ultra-breites Absorptionsband über sichtbarem und mittlerem Infrarotbereich durch Synergie von Führungsmodenresonanzen (GMRs), Hohlraumresonanzmoden und Oberflächenplasmonenpolaritonen (SPPs). Die Bandbreite mit Absorption >90 % beträgt >2400 nm. Der Absorber zeigt auch gute Toleranz gegenüber Einfallswinkel und Polarisation. Zudem wird hohe Kurzschlussstromdichte bis 61,947 mA/cm² unter AM1.5 Solarstrahlung erreicht. Dies eröffnet neue Perspektiven für ultra-kompakte effiziente Photovoltaikzellen und thermale Emitter.

Materialien und Methode

Schema des vorgeschlagenen Absorbers in Abb. 1a. Ein 1D GaAs-Nanoantennen-Array wird von einer einlagigen AR-Array aus ITO-Nanoantennen und einer dünnen Metall-Halbleiter-Metall (MSM) Dreischichtfilmstruktur eingeschlossen. Obwohl edle Metalle für breitbandige Absorptionsstrukturen unverzichtbar sind, leiden sie unter niedrigen Schmelzpunkten [41]. Durch Größeneffekte sind Schmelzpunkte gemusterter edler Metall-Nanostrukturen weiter stark reduziert [42]. Dies führt dazu, dass edle Metall-Nanostrukturen nicht den Arbeitstemperaturen der Solarphotovoltaik genügen. Materialien mit ultra-hoher thermischer Stabilität und Lichtabsorptionskapazität sind daher dringend erwünscht für stabile Solarabsorber. Metallisches W, Titan (Ti) [6, 17] und Halbleiter GaAs [36, 37, 39] haben alle hohe Schmelzpunkte (3422 °C, 1668 °C, 1238 °C bei Raumtemperatur) und werden in dieser Arbeit für ultra-breite Absorptionsbänder eingesetzt. Periode und Breite der Nanoantennen sind P und d. Dicke des unteren W-Films: 100 nm. Dicken von Ti und GaAs Filmen: h₁ und h₂. Dicken von ITO und GaAs Nanoantennen: t₁ und t₂. Optimierte Parameter: P = 500 nm, d = 400 nm, t₁ = 80 nm, t₂ = 120 nm, h₁ = 70 nm, h₂ = 30 nm.

Abb. 1 a Schema des vorgeschlagenen Solarabsorbers. b Absorptionsspektren: Solarabsorber (schwarz), MSM Stapelstruktur (rot), MSM nur mit GaAs Nanoantennen beschichtet (blau).

Optische Leistungen und elektromagnetische Feldverteilungen werden per Finite-Difference Time-Domain (FDTD) Methode berechnet [43]. Periodische Randbedingungen in x-Richtung, Perfectly Matched Layers in z-Richtung. Dielektrische Konstanten von Ti, W, GaAs aus Palik [44], ITO Brechungsindex 2,0 [35]. Falls nicht anders angegeben: breitbandige ebene Welle mit linearer Polarisation entlang x-Achse (TM-Polarisation) wird von oben auf Nanoantennen-Metasurface bestrahlt (Abstand 540 nm). Transmission (T) = 0 aufgrund opaken Metallfilms unten. Absorption (A) = 1 − R, wobei R Reflexion ist. Für Kurzschlussstromdichte: endlicher Bereich 20 nm Länge, 500 nm Breite, 500 nm Höhe, verfeinertes Gitter 1,6 nm (andere Parameter wie bei Reflexionsberechnung). Nicht-uniformes Gitter mit minimalem Schritt 0,25 nm und ebene Welle mit drei Wellenlängenbereichen (280–400 nm, 401–1702 nm, 1705–4400 nm) für Standardsolarspektrum per 2D-Simulation. Fertigungsschritte: (1) Aufeinanderfolgendes Abscheiden von W, GaAs, Ti Filmen mit bestimmter Dicke auf Silica-Substrat via Abscheidungsverfahren [45, 46]; (2) Fotolack aufstrukturieren und per Elektronenstrahllithografie [47] ätzen zu 1D-Nanoantennen-Array; (3) Aufeinanderfolgendes Abscheiden von GaAs und ITO mit bestimmter Dicke auf Struktur aus Schritt 2; (4) Entfernen der Fotolack-Nanoantennen mit GaAs/ITO-Beschichtung per Lift-off.

Ergebnisse und Diskussion

Abb. 1b zeigt Absorptionsspektrum des optimierten Absorbers bei senkrechtem Einfall (schwarze Linie „Absorber“). Zum Vergleich: Absorptionsspektren der MSM-Struktur (rot, „MSM“) und MSM nur mit GaAs-Nanoantennen beschichtet (blau, „Struktur ohne ITO-Lage“). Einfache MSM-Dreischichtfilmstruktur: Absorption <70 %. Mit GaAs-Nanoantennen-Periodenarray auf MSM: ultra-breites Absorptionsband mit verstärkter Absorption von 657–2679 nm. Dies zeigt, dass GaAs-Nanoantennen-Array für starke Absorption im breiten Wellenlängenbereich verantwortlich ist. Absorptionsintensitäten in 991–1455 nm und 2004–2388 nm noch <90 %. Vorgeschlagener Absorber: 80-nm-dicke ITO-Nanoantennen-Array verstärkt Absorption weiter und erweitert Absorptionsband. Bei A > 90 %: ultra-breites Absorptionsphänomen mit Bandbreite bis 2402 nm über sichtbarem, nah- und mittlerem Infrarot (468–2870 nm). Mittlere Absorption gesteigert auf 95,5 %. Die 80-nm ITO-Lage spielt Antireflexionsrolle, verstärkt Antireflexionseffekt der GaAs-Nanoantennen. Zudem ermöglicht 80 nm ITO niedrigen Flächenwiderstand, geringe laterale Transportverluste der Träger über hunderte Mikrometer zu lateralen Metallkontakten [35]. Folglich große Verbesserung bei Absorptionsbandbreite und -effizienz – überlegen gegenüber Absorbern basierend auf edelmetall-Halbleiter-Kompositsystemen [32–37]. Stark vergrößerte Absorption stammt hauptsächlich aus Anregung von GMRs und Hohlraummoden und deren hybridisierten Kopplungseffekten [18].

Elektromagnetische Feldverteilungen (|E|, |H|) und Stromdichte (J) bei verschiedenen Wellenlängen (594 nm, 1430 nm, 2586 nm) untersucht. Bei 594 nm: Elektrische Feldenergie konzentriert an Nanoantennen-Luft-Grenzfläche, starke magnetische Feldenergie in GaAs-Nanoantenne und ITO-Lage (Abb. 2a, b) – Anzeige für angeregte GMRs und Hohlraummoden [18, 26]. Elektrischer Strom in GaAs-Nanoantennen (Abb. 2c) bestätigt Wirksamkeit für Absorptionsverstärkung [48, 49]. Bei 1430 nm: Starke elektrische Feldenergie in Luftschlitzen nahe Nanoantennen (Abb. 2d) – angeregte Hohlraummoden [18, 26]. Abb. 2e: Magnetische Feldenergie an GaAs-Nanoantennen-Ti-Film-Grenzflächen – sowohl GMRs als auch Hohlraummoden koppeln Licht in Struktur und regen SPPs nahe GaAs-Film/Ti-Film Grenzflächen an [9, 18, 20, 39]. Elektrischer Strom in Ti-Film (Abb. 2f) starker Beweis für vollständiges Einkoppeln des einfallenden Lichts. Bei 2586 nm: Elektromagnetische Energien hauptsächlich in Schlitzen zwischen Nanoantennen und an Grenzflächen GaAs-Nanoantenne/Ti-Film und GaAs-Film/W-Film (Abb. 2g, h), elektrischer Strom hauptsächlich an W-Film-Oberfläche (Abb. 2i). Erneut Demonstration: Licht wird durch GMRs, SPPs, Hohlraummoden in unterliegende Schichten gekoppelt. Fazit: Angeregte GMRs, SPPs, Hohlraummoden und deren Synergie resultieren in breitbandiger near-perfekter Absorption [18].

Abb. 2 Elektrisches Feld |E|, magnetisches Feld |H| Verteilungen, Stromdichte J bei 594 nm (a–c), 1430 nm (d–f), 2586 nm (g–i).

In praktischen Solarabsorber-Anwendungen sollte Lichtabsorption unempfindlich gegenüber Einfalls- und Polarisationwinkeln sein [2, 3, 6, 18, 20]. Die meisten GaAs-basierten Absorber untersuchen jedoch selten Polarisation und Einfallswinkel [36, 39]. Abb. 3a: Absorptionsentwicklung des vorgeschlagenen Solarabsorbers unter TM-Polarisation mit schrägem Einfall. Absorptionseffekt nahezu robust im Bereich 468–3000 nm bei Einfallswinkel bis 55°, nur leichter Abfall im mittleren Infrarot. Bei >55° starker Bandbreitenabfall. Abb. 3b: Absorption unter verschiedenen Polarisationen, 0° = TM, 90° = TE (transvers-elektrisch). Absorption in kürzeren und längeren Wellenlängenbereichen (468–1010 nm, 1800–3000 nm) perfekt erhalten bei Polarisation 0–90°. Im nahen Infrarot Abfall, aber noch >50 %. Insgesamt: Winkel- und Polarisationsunempfindlichkeit auf gute Impedanzanpassung und intrinsische Verluste zurückzuführen [18, 19].

Abb. 3 Absorptions-Mapping des Solarabsorbers unter einstellbarem Einfallswinkel (a) und Polarisation (b).

Solares Absorptionsverhalten durch Bestrahlung des optimierten Absorbers mit AM1.5 Quelle (Abb. 4a). Absorber zeigt near-perfekte Absorption in sichtbarem, nah- und mittlerem Infrarot – Hauptbereiche solarer Bestrahlungsenergie. Durch simultane multiple Resonanzzustände wird fast near-unity Solarenergie eingefangen. Demonstriert hohe Solarenergie-Absorptionseffizienz. Verwendete refraktäre Materialien tragen zur thermischen Stabilität bei Temperaturerhöhung bei. Schlussfolgerung: Vorgeschlagener Absorber hat breitere Anwendung in fotoelektrischen Bauelementen [50].

Abb. 4 a Standardspektrum solarer Strahlung AM1.5 und Solarenergie-Absorptionsspektrum des Absorbers unter AM1.5. b Absorbierte und verpasste Energie des Solarabsorbers im vollen Spektralbereich solarer Strahlung.

Kurzschlussstromdichte J_sc für AM1.5 gemäß [36]: J_sc = ∫_{400 nm}^{3000 nm} (eλ/hc) Φ_AM1.5(λ) A(λ) dλ, wobei e Elementarladung, h Planck-Konstante, λ Wellenlänge, Φ_AM1.5(λ) solare Strahlung bei AM1.5, A(λ) Absorption, c Lichtgeschwindigkeit. Wir untersuchten J_sc durch Variation der GaAs-Nanoantennen-Dicke bei sonst konstanten Parametern. t₂ von 30–210 nm in 30 nm Schritten: gesammelter Photostrom in Abb. 5. Starke Regularität mit Dicke t₂, da J_sc hauptsächlich von Anzahl Resonanzmoden im 300–3000 nm Bereich abhängt. Maximum J_sc = 61,947 mA/cm² bei t₂ = 120 nm – weit größer als Meng et al. (30,3 mA/cm²) [35].

Abb. 5 Kurzschlussstromdichte in Abhängigkeit von GaAs-Nanoantennen-Dicke unter TM-polarisiertem Licht.

Fazit

Wir präsentieren einen Solarabsorber basierend auf GaAs-Nanoantennen, bedeckt mit einlagigem ITO auf dünnem W-GaAs-Ti Dreischichtstapel. Ein ultra-breitbandiger near-perfekter Absorber wird im Wellenlängenbereich 468–2870 nm mit durchschnittlicher Absorption >95 % erreicht. Ultra-breitbandige Absorption stammt aus Synergie von GMRs, Hohlraummoden und SPPs. Der ultra-breitbandige solare perfekte Absorber zeigt auch große Temperaturbeständigkeit, Unempfindlichkeit gegenüber Einfallswinkel und Polarisation, und beste Kurzschlussstromdichte bis 61,947 mA/cm². Dies eröffnet neue Perspektiven für Dünnschichtsolarzellen, Solarenergieernte und thermale Emitter.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle im Rahmen dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem Artikel enthalten.

Abkürzungen

TM:

Transvers-magnetisch

1D:

Eindimensional

AR:

Antireflexion

GMRs:

Führungsmodenresonanzen

SPPs:

Oberflächenplasmonenpolaritonen

MSM:

Metall-Halbleiter-Metall

FDTD:

Finite-Difference Time-Domain

TE:

Transvers-elektrisch