Erhöhte optische Absorption in Perowskit/Si-Tandemsolarzellen mit Nanohole-Array

Einführung

Solarenergie ist eine erneuerbare und saubere Energie, die für die nachhaltige Entwicklung der Menschheit von großer Bedeutung ist. Die Effizienz der photoelektrischen Wandlung und der Herstellungsaufwand sind die entscheidenden Kennzahlen, die den industriellen Einsatz von Solarzellen bestimmen, die Lichtenergie direkt in Strom umwandeln. Gegenwärtig sind siliziumbasierte Solarzellen der Mainstream der Solarzellen und machen 90 % des weltweiten Photovoltaikmarktes aus. Der Wirkungsgrad von siliziumbasierten Solarzellen hat 25,6 % erreicht, nahe dem Grenzwirkungsgrad von Shockley-Queisser (33,7 %), aber die Herstellungskosten bleiben hoch [1, 2]. Die Entwicklung von Solarzellen auf Siliziumbasis muss die Herstellungskosten senken und die Zelleffizienz verbessern.

Aufgrund der breiten Energieverteilung des Sonnenspektrums kann jedes Halbleitermaterial nur Photonen absorbieren, deren Energiewert größer ist als seine Bandbreite. Ein bewährter Ansatz zur besseren Nutzung des Sonnenspektrums ist daher die Bildung einer Dual-Junction-Tandem-Solarzelle [3, 4]. Prinzipiell sind Si-Tandem-Solarzellen in der Lage, verschiedene Teile des Sonnenspektrums selektiv zu absorbieren und den Single-Junction-Shockley-Queisser zu übertreffen. Der theoretische Grenzwirkungsgrad einer idealen Silizium-Tandemsolarzelle mit zwei Übergängen wurde mit 46 % angegeben [5,6,7].

Perowskit-Solarzellen haben ein großes photovoltaisches Potenzial und ihre Leistung wurde in nur wenigen Jahren deutlich verbessert. Der Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung beträgt im Jahr 2009 3,7 %, und der Wirkungsgrad beträgt bis jetzt 25,2 % [8,9,10]. Perowskit gilt auch als das vielversprechendste lichtabsorbierende Material für die nächste Generation kostengünstiger Solarzellen. Wenn die Bandlückenbreite von Perowskit 1,55 eV beträgt, kann es Photonen mit einer Wellenlänge von weniger als 800 nm absorbieren, während Silizium mit einer Bandlücke von 1,12 eV Photonen mit einer Wellenlänge von mehr als 800 nm im Sonnenspektrum absorbieren kann. Wenn die beiden von oben nach unten eine Tandemzelle bilden, ergänzen sich ihre Absorptionsspektren, was die Nutzung des Sonnenspektrums erheblich verbessert und die Vorbereitungskosten senkt [11,12,13,14].

Unter allen Arten von Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen hat das monolithische Tandem mit zwei Anschlüssen das größte Potenzial, da es durch direktes Aufbringen eines Perowskitfilms auf eine untere Siliziumzelle hergestellt werden kann, um eine integrierte zu erhalten. Bushet al. erreichte eine Effizienz von 23,6% auf einer hinteren SHJ-Zelle mit einer unteren SHJ-Zelle mit einer oberen p-i-n-Perowskit-Zelle mit E _g = 1,63ev seit der Verringerung der parasitären Absorption in der vorderen elektronenselektiven Schicht. Darüber hinaus erreichte Oxford PV im Jahr 2018 einen Leistungsumwandlungswirkungsgrad von 28%, was weiter bestätigte, dass das Perowskit/Silizium-Tandem großes Potenzial hat, Solarzellentechnologien zu revolutionieren [15,16,17]. Im Vergleich zu siliziumbasierten Solarzellen, die 85 % des Grenzwirkungsgrades erreichen können, haben Perowskit/Silizium-basierte Tandemzellen jedoch noch viel Raum für Effizienzsteigerungen. Die meisten Studien zu Perowskit/Silizium-Tandemzellen konzentrieren sich auf das Design der oberen Zelle und des Tunnelübergangs, während die untere Zelle hauptsächlich die texturierte Oberfläche oder das SiN_x . verwendet Schicht zur Verbesserung der optischen Absorption [18, 19]. Es ist erwähnenswert, dass ein wirksamer Weg zur Verbesserung der selektiven Absorption darin besteht, das einfallende Licht in den wellengeführten Modus einzubeziehen [20]. Für die oben genannten Zwecke führen wir ein Nanohole-Array in das Design der unteren Subzellen ein. Gleichzeitig ist die Oberfläche des Silizium-Nanoloch-Arrays im Vergleich zur normal strukturierten Oberfläche glatter, was der Stromanpassung zwischen den oberen und unteren Zellen zuträglicher ist [21, 22].

Methoden

In diesem Brief untersuchen wir numerisch die Lichtabsorptionseigenschaften von Perowskit/Silizium-Tandembauelementen mit Silizium-Nanolöcher-Array als Bodenzellen unter Verwendung der Finite-Differenz-Zeitbereichs-(FDTD)-Methode. Die Abbildungen 1 und 2 zeigen das Schema der vorgeschlagenen Perowskit/Silizium-Tandemzellen mit Nanolochstruktur bzw. die Seitenansicht einer einzelnen Periode.

Schema der Nanolöcher-strukturierten Perowskit/Silizium-Tandemzellen, die im Modell verwendet werden

a Schema des im Modell verwendeten Nanoloch-Arrays. b 2D-Seitenansicht einer einzelnen Periode

In unserem Modell ist das Nanoholes-Array mit TiO₂ . gefüllt als Tunnelschicht zwischen zwei Übergängen. Um die Studie auf die optischen Eigenschaften von nanostrukturierten Unterzellen zu konzentrieren, die Dicke von ITO, Spiro-OMeTAD, CH₃ NH₃ PbI₃ , SiO₂ und TiO₂ sind als 50 nm, 10 nm, 300 nm, 20 nm bzw. 40 nm festgelegt. Wie in Abb. 2 gezeigt, kann das Array durch die Periodizität (P ), der Durchmesser von Nanolöchern (D ), die Höhe von Nanolöchern (h ) und Gesamthöhe des Siliziumsubstrats (H ). Der Füllgrad ist definiert als \(\eta =D/P\). Die Gesamthöhe des Siliziumsubstrats H ist auf 1 μm festgelegt. Darüber hinaus stammen die optischen Konstanten von Silizium und anderen Materialien, die beim Zelldesign verwendet werden, aus der Forschung von F. Miha [23]. In x- und y-Richtung werden periodische Randbedingungen und in z-Richtung perfekt angepasste Schichtrandbedingungen angewendet. Die Lichtquelle wird als planare Wellenquelle im Bereich von 300 bis 1100 nm angesehen, die senkrecht zum Nanoloch-Array entlang der z . liegt Richtung.

Ein planarer Monitor über der Oberfläche der oberen Zelle wird angewendet, um das Reflexionsvermögen (R ) und ein zweiter Monitor an der Unterseite des Siliziumsubstrats zeichnet die Transmission (T ); die Absorption (A ) von Perowskit/Silizium-Tandems wird bestimmt durch \(A(\lambda) =1 - R(\lambda) - T(\lambda)\). Die Absorptionsleistung wird durch die Kurzschlussstromdichte \(J_{{{\text{sc}}}}\) bewertet, die definiert ist als [14]:

wobei \(\Phi (\lambda)\) das Sonnenenergiedichtespektrum von AM1.5G ist, e ist die Elementarladung, h ist die Plancksche Konstante und c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Bei der Berechnung wird davon ausgegangen, dass alle photogenerierten Ladungsträger von Elektroden gesammelt werden, da die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in CH₃ . lang genug ist NH₃ PbI₃ und Kristallsilizium.

Ergebnisse und Diskussion

Um die Rolle des Nanoholes-Arrays bei der Lichtabsorption in den Tandemsolarzellen zu klären und um das Design der optischen Eigenschaften richtig zu steuern, haben wir die Absorptionskurve des Nanoholes-Arrays unter verschiedenen Füllverhältnissen berechnet. Bei der Simulation des Experiments wird ein 300-nm-CH₃ NH₃ PbI₃ Schicht und ein 1-μm-Siliziumsubstrat wurden aufgebracht, um Photonen einzufangen. Wie in Abb. 3a, b gezeigt, blieb die Höhe der unteren Nanolöcher jeweils bei der Zahl von 600 nm gegenüber den verschiedenen Zeiträumen. Mit steigendem Füllgrad von 0,1 auf 0,9 lässt sich die Absorptionskurve in drei Teile unterteilen. Zu Beginn zeigte die Absorption im kurzwelligen Bereich von 300–600 nm eine abnehmende Leistung. Dann wurde beobachtet, dass die Absorption der Perowskitschicht eine Abnahme im Bereich von 600–850 nm bildet, während die Resonanz im Gegensatz dazu an ihrem Startpunkt von 600 nm ihren Höhepunkt erreicht. Der dritte Teil liegt im Bereich von 850–1100 nm und enthält insgesamt drei Absorptionsresonanzpeaks. In Anbetracht der Tatsache, dass die Dominanz der Perowskitschicht über die Absorption von Wellenlängen bis zu 850 nm betragen könnte, kann dieser Wert auch als Schwellenwellenlänge von CH₃ . angesehen werden NH₃ PbI₃ in unserem Modell.

Optische Charakterisierung von Tandemsolarzellen mit Nanoholes Array. a Absorptionsspektren versus Füllungsverhältnisse bei festem P = 400 nm und h = 600 nm. b Absorptionsspektren versus Füllungsverhältnisse bei festem P = 500 nm und h = 600 nm. c Photostromdichte gegenüber Füllverhältnissen zu verschiedenen Zeiten. d Erhöhung der Photostromdichte gegenüber den Füllverhältnissen unter der Bedingung P = 500 nm

Aus Abb. 3c ist ersichtlich, dass die Photostromdichte und η eine positive Korrelation aufweisen, d. h. sie nimmt mit der Zunahme von η zu. Was den Parameter der festen Periode betrifft, so scheint der Anstieg der Stromdichte zunächst in einem Stadium mit schnellem Wachstum zu sein, und \(J_{i}\) tritt allmählich in den Sättigungsbereich ein, in dem der Füllgrad aufgrund des . größer als 0,5 ist ungleichmäßige Verteilung von langen und kurzen Wellenlängen in AM1.5G. Mit steigendem Wert des Füllverhältnisses wurde auch die Absorptionseffizienz des Siliziumsubstrats entsprechend verbessert; jedoch scheint das Siliziummaterial in einer einzigen Periode abzunehmen. Daher sollte das Füllverhältnis des Silizium-Nanolöcher-Arrays einen optimalen Wert darstellen. Der Peak der Resonanzabsorption erreicht im Spektrum einen Wert von nahe 1000 nm, und der Peak kann als das Erreichen seines Maximums angesehen werden, wenn die Periode 500 nm im Vergleich zu den anderen beiden Bedingungen beträgt. Abbildung 3d zeigt die Kurve der Zunahme der Photostromdichte zusammen mit dem zunehmenden Füllungsgrad unter der Bedingung P = 500 nm. Außerdem kann die rote Linie durch die Polynomanpassung erhalten werden. Daraus kann geschlossen werden, dass bei einem Füllgrad von genau 0,5 ein Wendepunkt im Wachstum der Photostromdichte auftritt.

Gemäß obiger Analyse liegen die optimierten Absorptionsparameter der Tandemzellen auf Basis des Nanoholes-Arrays bei der Periode von 500 nm und der Füllgrad liegt im exakten Wert von 0,5. Um den Emissionsmechanismus der Lichtabsorption weiter aufzuklären, werden die Absorptionsspektren gegen die verschiedenen Nanolochhöhen im genannten Zustand verglichen. Abbildung 3a, b zeigen die Änderung des Variationstrends der spektralen Absorption und der Photostromdichte zusammen mit den zunehmenden Höhen der Nanolöcher. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Absorptionspeak bei der Wellenlänge von 1000 nm eine starke Abhängigkeit von der Höhe der Nanolöcher zeigt, während die Abhängigkeit der anderen beiden in Abb. 4b gezeigten Absorptionspeaks von der Höhe der Nanolöcher sehr schwach ist. Ein solches Ergebnis zeigt an, dass die Mie-Resonanz die Anregung dominiert. Aus Abb. 4c, d ist ersichtlich, dass der signifikante Anstieg der Stromdichte von 14,53 mA auf 15,68 mA/cm ² . ansteigt wenn die Tiefe weniger als 300 nm beträgt und die h-Werte größer als 300 nm sind, erreicht der Wert einen fast sättigenden Wert. Eine solche schwache Abhängigkeit von der Höhe der Nanolöcher kann sowohl in Bezug auf das Design als auch die Herstellung von Nanoloch-Arrays in der Praxis nützlich sein.

Optische Charakterisierung von Tandemsolarzellen mit Nanoholes Array. a Absorptionsspektren versus Höhe bei festem P = 500 nm und η = 0,5. b Die vergrößerte Ansicht der Absorptionsspektren reicht von 800 bis 1100 nm. c Stromdichte versus Höhe bei festem P = 500 nm und η = 0.5

Grundsätzlich treten beim Eintritt der Lichtwelle in die Grenzflächenstruktur der Tandemsolarzellen Streu- und Emissionseffekte auf. Die Streuung der Lichtwelle, die durch die Nanoloch-Array-Struktur verursacht wird, verlängert den Ausbreitungsweg von Photonen. Um die Lichtabsorption von Perowskit/Si-Tandemsolarzellen mit Nanoloch-Array weiter zu analysieren, wählen die simulierten Experimente die elektrische Feldstärkeverteilung im Querschnitt \((|E|^{2} )\) bei 500 nm, 600 nm , 700 nm, 800 nm, 900 nm und 1000 nm Wellenlänge, während die Höhe festgelegt wird, da der Wert von h bei 900 nm bleibt, was auch in Fig. 5 gezeigt ist. Das räumliche Profil der optischen Absorption pro Volumeneinheit in x –z Die Ebene kann in drei Teile unterteilt werden, nämlich Perowskit, Nanoholes-Array und Siliziumsubstrat. Im Teil des Nanoholes-Arrays ist das strukturierte Silizium mit dem TiO₂ . beabstandet gefüllte Nanolöcher, was in Abb. 5a durch eine gestrichelte Linie markiert ist.

Verteilung der elektrischen Feldstärke von Tandemsolarzellen bei fester Höhe 900 nm a Wellenlänge bei 500 nm, b Wellenlänge bei 600 nm, c Wellenlänge bei 700 nm, d Wellenlänge bei 800 nm, e Wellenlänge bei 900 nm und f Wellenlänge bei 1000 nm

Abbildung 5a, b legt nahe, dass die obere Zelle die Absorption kurzer Wellenlängen (< 600 nm) dominieren könnte; jedoch scheint der Antireflexionseffekt, der durch das Nanoloch-Array bei einer Wellenlänge von 600 nm erzeugt wird, besser zu sein als bei einer Wellenlänge von 500 nm. Aufgrund des niedrigeren Absorptionskoeffizienten von Silizium ist seine Absorption im mittleren Wellenlängenbereich (500–600 nm) jedoch geringer als die der ebenen Struktur. Dank der periodischen Nanolöcher kann auch ein offensichtlicher Interferenzeffekt in der oberen Perowskitschicht beobachtet werden, was bedeutet, dass die Lichtreflexion bei 700 nm und 800 nm zurück in die oberen Zellen gelangen und deren Absorption verbessern könnte.

Vorausgesetzt, der Perowskit hat eine scharfe Absorptionskante bei 850 nm, und dann wird die Wellenlänge bei 900 nm und 1000 nm zu den unteren Zellen übertragen und hauptsächlich von diesen absorbiert, wie in Abb. 5e, f gezeigt. Mit der Füllung von TiO₂ im Silizium-Nanoloch-Array führt der periodische Verteilungsunterschied des Brechungsindex zu den unteren Zellen, um die leitenden Moden zu unterstützen, die das elektromagnetische Feld in der Nähe der Tandems befinden, und die einfallende Lichtkopplung mit diesen leitenden Moden führt zu einer deutlichen Zunahme von Absorption. Um die Machbarkeit dieses Ansatzes zu veranschaulichen, wurden vier verschiedene Fälle simuliert, um eine Analyse unter verschiedenen Nanoloch-Array-Höhen durchzuführen. Alle diese Absorptionen haben die gleichen Nanoloch-Array-Parameter wie η = 0.5 und P = 500 nm, und ihre einfallende Lichtwellenlänge ist auf 900 nm fixiert, wie in Fig. 6 gezeigt. Die Wechselwirkung der Wechselwirkung der unterstützten geführten Moden wird entlang . erheblich verbessert mit zunehmender Höhe der Nanolöcher.

Verteilung der elektrischen Feldstärke bei 900 nm von Tandemsolarzellen mit Nanoloch-Anordnung im Vergleich zur Höhe a h = 100 nm, b h = 300 nm, c h = 600 nm, d h = 900 nm

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wurde in diesem Artikel die Kombination von Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen mit dem Nanoloch-Array als praktischer Weg für ein Gerät untersucht, um ein hocheffizientes Tandemgerät zu erreichen. Wir haben festgestellt, dass, wenn ein optimierter Satz von Nanolöchern Array η = 0.5 und P = 500 nm steigt vom Wert 14,53 mA/cm ² bis 15,68 mA/cm ² Wenn die Array-Tiefe weniger als 300 nm beträgt, kann ein solches Gerät als Voraussetzung für eine hohe Effizienz dienen. Dann durch die Einführung von Nanoholes Array gefüllt mit TiO₂ , haben wir weiter bewiesen, dass sich der Lichtabsorptionsmodus von Tandemzellen in einen Mischmodus mit verschiedenen Lichtabsorptionsmodi verwandeln würde. Die selektive Reduzierung bei kurzen Wellenlängen führt zu einer Abnahme der Absorption von kurzwelligen Photonen; jedoch kann die Interferenz, die den Lichteinfang in der oberen Zelle und den indexgeführten Lichteinfang in der unteren Zelle erzeugte, die selektive Absorption des Tandems signifikant verbessern. Die obigen experimentellen Ergebnisse haben gezeigt, dass dies ein vielversprechender Weg ist, die Absorption von Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen zu verbessern.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die Schlussfolgerungen in diesem Manuskript basieren auf den Daten (Haupttext und Abbildungen), die in diesem Papier präsentiert und gezeigt werden.

Abkürzungen

FDTD:

Zeitbereich mit endlicher Differenz