Steigerung der Lichteinfang in Perowskit-Silizium-Tandem-Solarzellen durch Nanoloch-Arrays

Zusammenfassung

Perowskit-Solarzellen werden in siliziumbasierten Tandem-Solarzellen aufgrund ihrer einstellbaren Bandlücke, hohen Absorptionskoeffizienten und geringen Herstellungskosten eingesetzt. Allerdings führt der relativ große optische Brechungsindex des unteren Siliziums im Vergleich zu dem der oberen Perowskit-Absorberschichten zu signifikanten Reflexionsverlusten in Zwei-Terminal-Geräten. Daher ist Lichtmanagement entscheidend, um die Photostromabsorption in der Si-Unterzelle zu verbessern. In dieser Arbeit wird ein mit TiO₂ gefülltes Nanoloch-Array in das Design der Unterzelle eingeführt. Mittels Finite-Differenzen-Zeitbereichs-Methode (FDTD) wurden die Absorptionseffizienz und Photostromdichte im Bereich von 300–1100 nm analysiert und die Strukturparameter optimiert. Unsere Berechnungen zeigen, dass die Photostromdichte mit zunehmender Höhe der Nanolöcher zu sättigen tendiert. Die Absorptionsverstärkungsmodi von Photonen bei verschiedenen Wellenlängen wurden intuitiv durch die Verteilung des elektrischen Feldes analysiert. Diese Ergebnisse ermöglichen einen gangbaren und praktischen Weg zum hocheffizienten Design von Perowskit/Si-Tandem-Solarzellen.

Einleitung

Solarenergie ist eine Art erneuerbarer und sauberer Energie, die für die nachhaltige Entwicklung der Menschheit von großer Bedeutung ist. Der photoelektrische Umwandlungswirkungsgrad und die Herstellungskosten sind die entscheidenden Kennzahlen für die industrielle Anwendung von Solarzellen, die Lichtenergie direkt in Elektrizität umwandeln. Derzeit sind siliziumbasierte Solarzellen der Mainstream und machen 90 % des globalen Photovoltaikmarktes aus. Der Wirkungsgrad siliziumbasierter Solarzellen hat 25,6 % erreicht, nahe dem Shockley-Queisser-Limit (33,7 %), aber die Herstellungskosten bleiben hoch [1, 2]. Die Entwicklung siliziumbasierter Solarzellen erfordert die Senkung der Herstellungskosten und die Steigerung des Zellwirkungsgrads.

Aufgrund der breiten Energieverteilung des Sonnenspektrums kann jedes Halbleitermaterial nur Photonen absorbieren, deren Energie breiter ist als seine Bandlücke. Daher ist ein bewährter Ansatz zur besseren Nutzung des Sonnenspektrums die Bildung einer Dual-Junction-Tandem-Solarzelle [3, 4]. Im Prinzip können Si-Tandem-Solarzellen selektiv verschiedene Teile des Sonnenspektrums absorbieren und das Einzell-Shockley-Queisser-Limit übertreffen. Der theoretische Grenzwirkungsgrad einer idealen Zwei-Junction-Silizium-Tandem-Solarzelle wurde mit 46 % angegeben [5–7].

Perowskit-Solarzellen besitzen großes photovoltaisches Potenzial, und ihre Leistung hat sich in wenigen Jahren erheblich verbessert. Der photoelektrische Umwandlungswirkungsgrad lag 2009 bei 3,7 % und erreichte mittlerweile 25,2 % [8–10]. Perowskit gilt auch als das vielversprechendste Lichtabsorptionsmaterial für die nächste Generation kostengünstiger Solarzellen. Wenn die Bandlücke des Perowskits 1,55 eV beträgt, kann es Photonen mit Wellenlängen unter 800 nm absorbieren, während Silizium mit einer Bandlücke von 1,12 eV Photonen mit Wellenlängen über 800 nm im Sonnenspektrum absorbieren kann. Wenn die beiden von oben nach unten eine Tandemzelle bilden, ergänzen sich ihre Absorptionsspektren, was die Ausnutzung des Sonnenspektrums stark verbessert und die Herstellungskosten senkt [11–14].

Unter allen Arten von Perowskit/Silizium-Tandem-Solarzellen hat die zweiterminale monolithische Tandemzelle das größte Potenzial, da sie durch direktes Aufdampfen des Perowskitfilms auf eine Silizium-Unterzelle zu einer integrierten Zelle gefertigt werden kann. Bush et al. erreichten 23,6 % Wirkungsgrad an einer Rear-Emitter-SHJ-Unterzelle mit einer p-i-n-Perowskit-Oberzelle mit E_g = 1,63 eV durch Reduktion parasitärer Absorption in der vorderen Elektronenselektivschicht. Zudem erreichte Oxford PV 2018 einen Umwandlungswirkungsgrad von 28 %, was weiter validierte, dass Perowskit/Silizium-Tandems großes Potenzial haben, Solarzellentechnologien zu revolutionieren [15–17]. Im Vergleich zu siliziumbasierten Solarzellen, die 85 % des Grenzwirkungsgrads erreichen können, haben Perowskit/Silizium-basierte Tandemzellen noch viel Raum für Effizienzverbesserungen. Die meisten Studien zu Perowskit/Silizium-Tandemzellen konzentrieren sich auf das Design der Oberzelle und der Tunnelverbindung, während die Unterzelle meist strukturierte Oberflächen oder SiNₓ-Schichten zur Verbesserung der optischen Absorption einsetzt [18, 19]. Es ist erwähnenswert, dass eine effektive Methode zur Verbesserung der selektiven Absorption darin besteht, das einfallende Licht in den Wellenleitmodus einzukoppeln [20]. Zu diesem Zweck führen wir Nanoloch-Arrays in das Design der Unterzelle ein. Gleichzeitig ist die Oberfläche von Silizium-Nanoloch-Arrays im Vergleich zu normal strukturierten Oberflächen glatter, was die Stromanpassung zwischen Ober- und Unterzelle begünstigt [21, 22].

Methoden

In diesem Brief untersuchen wir numerisch die Lichtabsorptionseigenschaften von Perowskit/Silizium-Tandem-Geräten mit Silizium-Nanoloch-Arrays als Unterzellen mittels Finite-Differenzen-Zeitbereichs-Methode (FDTD). Abbildungen 1 und 2 zeigen das Schema der vorgeschlagenen nanolochstrukturierten Perowskit/Silizium-Tandemzellen und die Seitenansicht einer einzelnen Periode.

Schematische Darstellung nanolochstrukturierter Perowskit/Silizium-Tandemzellen im Modell.

(a) Schematische Darstellung des im Modell verwendeten Nanoloch-Arrays. (b) 2D-Seitenansicht einer einzelnen Periode.

In unserem Modell ist das Nanoloch-Array mit TiO₂ als Tunnelsschicht zwischen den beiden Junctions gefüllt. Um die Studie auf die optischen Eigenschaften der nanostrukturierten Unterzelle zu fokussieren, sind die Dicken von ITO, Spiro-OMeTAD, CH₃NH₃PbI₃, SiO₂ und TiO₂ fest auf 50 nm, 10 nm, 300 nm, 20 nm bzw. 40 nm festgelegt. Wie in Abb. 2 gezeigt, kann das Array durch die Periodizität (P), den Durchmesser der Nanolöcher (D), die Höhe der Nanolöcher (h) und die Gesamthöhe des Siliziumsubstrats (H) charakterisiert werden. Das Füllverhältnis ist definiert als η = D/P. Die Gesamthöhe des Siliziumsubstrats H ist auf 1 μm festgelegt. Zudem stammen die optischen Konstanten von Silizium und anderer in der Zelldesign verwendeten Materialien aus der Forschung von F. Miha [23]. Periodische Randbedingungen werden in x- und y-Richtung angewendet und perfekt angepasste Schicht-Randbedingungen in z-Richtung. Die Lichtquelle wird als ebene Wellenequelle im Bereich von 300 bis 1100 nm betrachtet, senkrecht zum Nanoloch-Array entlang der z-Richtung.

Ein planarer Monitor über der Oberfläche der Oberzelle registriert die Reflexion (R), und ein zweiter Monitor am Boden des Siliziumsubstrats registriert die Transmission (T); die Absorption (A) der Perowskit/Silizium-Tandems wird durch A(λ) = 1 – R(λ) – T(λ) bestimmt. Die Absorptionsleistung wird durch die Kurzschlussstromdichte J_sc bewertet, die wie folgt definiert ist [14]:

J_sc = (e/hc) ∫_{λ_min}^{λ_max} λ A(λ) Φ(λ) dλ (1)

wobei Φ(λ) das Sonnenergie-Dichtespektrum von AM1.5G ist, e die Elementarladung, h das Plancksche Wirkungsquantum und c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Die Berechnung geht davon aus, dass alle photogenerierten Ladungsträger von Elektroden gesammelt werden, da die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in CH₃NH₃PbI₃ und Kristallsilizium lang genug ist.

Ergebnisse und Diskussion

Um die Rollen zu klären, die Nanoloch-Arrays bei der Lichtabsorption in Tandem-Solarzellen spielen, und um das Design der optischen Eigenschaften angemessen zu leiten, haben wir die Absorptionskurve des Nanoloch-Arrays unter verschiedenen Füllverhältnissen berechnet. Im Simulationsprozess wurden eine 300-nm-CH₃NH₃PbI₃-Schicht und ein 1-μm-Siliziumsubstrat zur Photoneneinfang angewendet. Wie in Abb. 3a, b gezeigt, blieb die Höhe der unteren Nanolöcher bei 600 nm bei verschiedenen Perioden konstant. Mit zunehmendem Füllverhältnis von 0,1 auf 0,9 lässt sich die Absorptionskurve in drei Teile unterteilen. Anfangs zeigte die Absorption eine abnehmende Leistung im kurzen Wellenlängenbereich von 300–600 nm. Dann wurde die Absorption der Perowskitschicht im Bereich von 600–850 nm beobachtet, die eine Abnahme bildete, während die Resonanz im Gegensatz dazu ihren Ausgangspunkt bei 600 nm erreichte. Der dritte Teil fällt in den Bereich von 850–1100 nm und enthält insgesamt drei Absorptionsresonanzpeaks. Da die Dominanz der Perowskitschicht über die Absorption von Wellenlängen bis zu 850 nm reichen kann, kann dieser Wert auch als Schwellenwellenlänge von CH₃NH₃PbI₃ in unserem Modell betrachtet werden.

Optische Charakterisierung von Tandem-Solarzellen mit Nanoloch-Array. (a) Absorptionsspektren versus Füllverhältnisse bei festem P = 400 nm und h = 600 nm. (b) Absorptionsspektren versus Füllverhältnisse bei festem P = 500 nm und h = 600 nm. (c) Photostromdichte versus Füllverhältnisse bei verschiedenen Perioden. (d) Zunehmende Photostromdichte versus Füllverhältnisse unter der Bedingung P = 500 nm.

Aus Abb. 3c ist ersichtlich, dass Photostromdichte und η positiv korrelieren, d. h., sie steigt mit zunehmendem η. Für den festen Periodenparameter erscheint der Anstieg der Stromdichte zunächst in einer Phase schnellen Wachstums, und J_i geht allmählich in den Sättigungsbereich über, wo das Füllverhältnis größer als 0,5 ist, aufgrund der ungleichmäßigen Verteilung von langen und kurzen Wellenlängen in AM1.5G. Mit zunehmendem Füllverhältnis wurde die Absorptionseffizienz des Siliziumsubstrats entsprechend verbessert; jedoch scheint das Siliziummaterial in einer einzelnen Periode abzunehmen. Daher sollte das Füllverhältnis des Silizium-Nanoloch-Arrays einen optimalen Wert aufweisen. Der Resonanzabsorptionspeak erreicht nahezu 1000 nm im Spektrum, und der Peak kann als Erreichen seines Maximums betrachtet werden, wenn die Periode 500 nm beträgt im Vergleich zu den anderen beiden Bedingungen. Abbildung 3d zeigt die Kurve des Photostromdichteanstiegs mit zunehmendem Füllverhältnis unter der Bedingung P = 500 nm. Zudem kann die rote Linie durch Polynomfitting erhalten werden. Es kann geschlossen werden, dass beim Erreichen des Füllverhältnisses von genau 0,5 ein Wendepunkt im Wachstum der Photostromdichte auftreten wird.

Gemäß der obigen Analyse sind die optimierten Absorptionsparameter der Tandemzellen auf Basis des Nanoloch-Arrays bei einer Periode von 500 nm und einem Füllverhältnis von genau 0,5 zu finden. Um den Emissionsmechanismus der Lichtabsorption weiter zu klären, werden die Absorptionsspektren bei verschiedenen Nanolochhöhen unter den genannten Bedingungen verglichen. Abbildungen 3a, b zeigen die sich ändernden Trends der spektralen Absorption und Photostromdichte mit zunehmender Nanolochhöhe. Zusammenfassend zeigt der Absorptionspeak bei 1000 nm Wellenlänge eine hohe Abhängigkeit von der Höhe der Nanolöcher, während die Abhängigkeit der anderen beiden Absorptionspeaks in Abb. 4b von der Nanolochhöhe sehr schwach ist. Ein solches Ergebnis deutet darauf hin, dass die Mie-Resonanz die Anregung dominiert. Aus Abb. 4c, d ist ein signifikanter Stromdichteanstieg von 14,53 auf 15,68 mA/cm² beobachtbar, wenn die Tiefe unter 300 nm liegt, und wenn die h-Werte größer als 300 nm sind, erreicht der Wert eine fast saturierende Größe. Eine solche schwache Abhängigkeit von der Nanolochhöhe kann in Bezug auf Design und Fertigung von Nanoloch-Arrays in der Praxis nützlich sein.

Optische Charakterisierung von Tandem-Solarzellen mit Nanoloch-Array. (a) Absorptionsspektren versus Höhe bei festem P = 500 nm und η = 0,5. (b) Vergrößerte Ansicht der Absorptionsspektren von 800 bis 1100 nm. (c) Stromdichte versus Höhe bei festem P = 500 nm und η = 0,5.

Als allgemeines Prinzip treten beim Eintritt der Lichtwelle in die Grenzflächenstruktur der Tandem-Solarzellen Streuungs- und Emissionseffekte auf. Die Streuung der Lichtwelle durch die Nanoloch-Array-Struktur verlängert den Ausbreitungspfad der Photonen. Um die Lichtabsorption von Perowskit/Si-Tandem-Solarzellen mit Nanoloch-Array weiter zu analysieren, wählten die simulierten Experimente die Querschnitts-Verteilung der elektrischen Feldintensität (|E|²) bei 500 nm, 600 nm, 700 nm, 800 nm, 900 nm und 1000 nm Wellenlänge, während die Höhe auf den Wert h = 900 nm festgelegt war, was auch in Abb. 5 dargestellt ist. Das räumliche Profil der optischen Absorption pro Volumeneinheit in der x-z-Ebene lässt sich in drei Teile unterteilen: Perowskit, Nanoloch-Array und Siliziumsubstrat. Im Teil des Nanoloch-Arrays ist das strukturierte Silizium mit den TiO₂-gefüllten Nanolöchern beabstandet, was in Abb. 5a durch gestrichelte Linien markiert ist.

Verteilung der elektrischen Feldintensität von Tandem-Solarzellen bei festgelegter Höhe 900 nm: (a) Wellenlänge 500 nm, (b) 600 nm, (c) 700 nm, (d) 800 nm, (e) 900 nm, (f) 1000 nm.

Abbildung 5a, b legt nahe, dass die Oberzelle die Absorption kurzer Wellenlängen (< 600 nm) dominieren könnte; der Antireflexionseffekt, der durch das Nanoloch-Array bei 600 nm Wellenlänge erzeugt wird, erscheint jedoch ausgeprägter als bei 500 nm. Aufgrund des geringeren Absorptionskoeffizienten von Silizium ist seine Absorption im mittleren Wellenlängenbereich (500–600 nm) geringer als bei der planaren Struktur. Auch dank der Existenz der periodischen Nanolöcher kann ein offensichtlicher Interferenzeffekt in der oberen Perowskitschicht beobachtet werden, was bedeutet, dass die Reflexion von Licht bei 700 nm und 800 nm zurück in die Oberzellen gelangen und deren Absorption verstärken kann.

Vorausgesetzt, der Perowskit hat eine scharfe Absorptionskante bei 850 nm, dann werden Wellenlängen bei 900 nm und 1000 nm an die Unterzellen übertragen und hauptsächlich dort absorbiert, wie in Abb. 5e, f gezeigt. Durch das Füllen von TiO₂ in das Silizium-Nanoloch-Array führt die periodische Verteilungsdifferenz des Brechungsindexes dazu, dass die Unterzellen leitende Modi unterstützen, die das elektromagnetische Feld in der Nähe der Tandems lokalisieren, und die Einkopplung des einfallenden Lichts mit diesen leitenden Modi führt zu einem deutlichen Anstieg der Absorption. Zur Veranschaulichung der Machbarkeit dieses Ansatzes wurden vier verschiedene Fälle simuliert, um Analysen bei verschiedenen Nanoloch-Array-Höhen durchzuführen. Alle diese Absorptionen haben die gleichen Nanoloch-Array-Parameter η = 0,5 und P = 500 nm, und ihre einfallende Wellenlänge ist auf 900 nm festgelegt, wie in Abb. 6 gezeigt. Die Wechselwirkung der unterstützten geführten Modi wird entlang mit der zunehmenden Höhe der Nanolöcher signifikant verstärkt.

Verteilung der elektrischen Feldintensität bei 900 nm von Tandem-Solarzellen mit Nanoloch-Array versus Höhe: (a) h = 100 nm, (b) h = 300 nm, (c) h = 600 nm, (d) h = 900 nm.

Fazit

Zusammenfassend untersuchte dieser Artikel die Kombination von Perowskit/Silizium-Tandem-Solarzellen mit Nanoloch-Arrays als praktischen Weg für ein Gerät, um hocheffiziente Tandem-Geräte zu erreichen. Wir fanden, dass ein optimiertes Set von Nanoloch-Array-Parametern η = 0,5 und P = 500 nm den Wert von 14,53 mA/cm² auf 15,68 mA/cm² erhöht, wenn die Tiefe des Arrays unter 300 nm liegt; ein solches Gerät kann als Prämisse für hohe Effizienz dienen. Durch die Einführung von mit TiO₂ gefüllten Nanoloch-Arrays haben wir weiter bewiesen, dass der Lichtabsorptionsmodus der Tandemzellen in einen gemischten Modus mit verschiedenen Lichtabsorptionsmodi übergeht. Die selektive Reduktion bei kurzen Wellenlängen führt zu einer Abnahme der Absorption kurzwelliger Photonen; jedoch können die Interferenz, die Lichtfang in der Oberzelle erzeugt, und der brechungsindexgeführte Lichtfang in der Unterzelle als signifikante Verstärkung der selektiven Absorption der Tandemzelle fungieren. Die obigen experimentellen Ergebnisse bewiesen, dass es ein vielversprechender Weg ist, die Absorption von Perowskit/Silizium-Tandem-Solarzellen zu verbessern.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

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

Abkürzungen

FDTD:

Finite-Differenzen-Zeitbereich