서브파장 차원의 반도체 나노와이어(NW) 어레이를 기반으로 하는 태양 전지는 강력한 광 결합 및 광 트래핑의 이점을 이용하여 평면 어레이보다 비슷하거나 더 나은 성능을 약속합니다. 이 논문에서 우리는 최대 태양 에너지 흡수를 위해 수직으로 정렬된 InP NW의 최적 기하학적 매개변수에 대한 정확하고 시간 절약형 분석 설계를 제시합니다. 단락 전류 밀도는 태양광 조명에서 서로 다른 기하학적 치수를 가진 각 NW 어레이에 대해 계산됩니다. 33.13mA/cm의 최대 단락 전류 밀도를 달성하는 정사각형 및 육각형으로 배열된 NW 어레이의 단일, 이중 및 다중 직경에 대해 최적의 기하학적 치수가 정량적으로 표시됩니다. 2 . 동시에 가장 높은 광 흡수를 위해 동일한 NW 어레이를 조사하기 위해 집중적인 유한차 시간 영역 수치 시뮬레이션이 수행됩니다. 시간이 많이 걸리는 시뮬레이션 및 실험 결과와 비교하여 예측된 최대 단락 전류 밀도는 모든 경우에 대해 2.2% 미만의 허용 오차를 갖습니다. 이러한 결과는 이 분석 방법이 고성능 InP NW 기반 태양 전지 설계를 안내하는 빠르고 정확한 경로를 제공한다는 것을 분명하게 보여줍니다.
<섹션 데이터-제목="배경">차세대 태양 전지의 경우, 반도체 나노와이어(NW) 어레이는 박막 또는 벌크 대응물과 비교하여 장치 성능을 유지하거나 개선하는 동시에 재료 소비 및 제조 비용을 크게 줄이는 새로운 경로를 밝혀냈습니다[1, 2]. 이 매혹적인 특징은 증가된 흡수 [3, 4] 및 스펙트럼 선택성 [5,6,7]을 포함하여 NW의 놀라운 광학 특성에 크게 기인합니다. 다양한 III-V 재료 중에서 InP NW 어레이는 직접적인 밴드갭과 낮은 고유 표면 재결합 속도로 인해 태양 전지 응용에 대한 집중적인 연구 노력을 끌어왔습니다[8]. 현재까지 1mm 2 셀의 InP NW 어레이에서 가장 높은 에너지 변환 효율이 13.8%를 달성했습니다. 영역 [9]에서.
NW 어레이의 광학 특성은 3차원 기하학을 조정하여 뚜렷하게 조정할 수 있으므로 NW 기반 태양 전지의 성능을 더욱 향상시키기 위해 III–V NW 어레이의 형태 및 토폴로지를 최적화하는 방법에 많은 관심을 기울였습니다. 빛 흡수를 최대화하기 위해 [5, 9,10,11,12,13]. 구체적으로, NW의 직경, 주기성 및 배열은 태양 에너지의 흡수를 최대화하기 위해 조사되었습니다 [6, 14, 15, 16]. NW의 직경을 조정하면 NW 내에 존재하는 광학 모드가 변경되는 것으로 보고됩니다. 이것은 각각의 공진 모드[5, 6, 17, 18]에 해당하는 입사 파장에 대해 국부적 광 흡수 최대값으로 이어질 것입니다. 또한 최적화된 주기성 또는 충진비(FR)를 갖는 NW 어레이는 입사광에 대한 산란을 향상시키면서 반사 및 투과를 억제하여 광 경로를 연장시켜 광 흡수를 향상시킬 수 있습니다[19,20,21]. 게다가 Martin Foldyna et al. NW의 광 포획 효과는 인접 NW 간의 광 결합이 무시될 때 개별 도파관에 기반하기 때문에 NW 어레이의 배열에 대한 광 흡수의 의존성은 다소 작다고 결론지었습니다[22].
최대 태양 에너지 수확을 찾기 위해서는 3차원 매개변수의 영향과 NW 어레이의 배열을 함께 고려해야 합니다. 그러나 최대 태양 스펙트럼 수확을 위한 NW 어레이의 보고된 최적 기하학적 치수 및 배열의 대부분은 여전히 매개변수 공간 결정 로컬 최적입니다. 게다가, 물질의 분산 특성과 결합된 입사 태양 스펙트럼은 이 문제를 분석적으로 해결하는 데 더 많은 어려움을 가중시킵니다. 따라서 이러한 다중 매개변수 최적화 문제를 해결하기 위해 FDTD(유한 차분 시간 영역)와 같은 집약적이고 시간 소모적인 수치 시뮬레이션이 자주 채택됩니다. Sturmberg et al. 단일 직경 NW 어레이의 최적 치수 범위를 좁히는 반분석적 방법을 보고했습니다[13]. 이 방법은 다양한 재료에 적용할 수 있지만 정확한 최적 값을 찾기 위해서는 FDTD 시뮬레이션이 동반되어야 합니다. 더욱이, 이 방법은 다중 반경 NW 어레이와 결합된 우수한 흡수체에 덜 도움이 됩니다[23].
이 논문에서 우리는 태양 에너지 흡수를 최대화하기 위해 단일, 이중 및 다중 직경 InP NW 어레이의 최적 기하학적 치수에 대한 분석 설계를 제시합니다. NW의 직경은 누설 모드 공진 및 Mie 이론에 의해 결정되는 반면 주기성은 광 반사 및 투과를 최소화하기 위한 효과적인 매질 층의 구성에 의해 식별됩니다. 정사각형 및 육각형 분산 NW 어레이가 모두 고려됩니다. 또한 집중 FDTD 시뮬레이션을 통해 우리 방법의 효과를 검증합니다. NW 어레이에서 생성된 최대 단락 전류 밀도를 계산된 기하학적 매개변수 및 FDTD 시뮬레이션에서 얻은 값과 잘 일치시키면 제안된 방법이 실용적인 NW 기반 태양광 전지 설계를 안내하는 효율성이 입증됩니다.
수직으로 정렬된 InP NW 어레이는 반무한 SiO2 위에 배치됩니다. 정사각형 또는 육각형 배열로 그림 1에 개략적으로 표시된 기판. 그림 1a, b 삽입도의 반복 가능한 단위 셀은 각 배열에 대한 각 특성 치수를 설명합니다. NW 어레이의 이러한 형태와 토폴로지는 대부분의 InP NW 기반 태양 전지 구조와 일치합니다[11, 12, 23, 24]. 각 단위 셀 내에서 NW의 직경은 D와 같거나 다릅니다. 나 . 주기성 p 는 정사각형으로 배열된 NW에 대해 동일한 값을 갖는 반면 육각형 NW 어레이에 대해 다른 값을 갖는 한 쌍의 인접한 NW의 중심에서 중심까지의 거리로 정의됩니다. 따라서, 정사각형으로 배열된 NW 배열의 FR은 다음을 갖는 \( \pi {\sum}_{\mathrm{i}=1}^4{D_i}^2/{(4p)}^2 \)로 정의됩니다. π/4의 최대값 NW가 단위 셀의 가장 큰 부피 백분율을 차지할 때 [25]. 마찬가지로 육각형 NW 배열의 FR은 \( \pi {\sum}_{\mathrm{i}=1}^2{D_i}^2/\left(4\sqrt{3}{p}^)로 정의됩니다. 2\right) \) 최대값 \( \pi \sqrt{3}/6 \) [22]. 길이 l 적절한 설계로 입사 에너지의 90% 이상을 흡수할 만큼 충분히 길기 때문에 NW의 2μm는 모든 경우에 대해 2μm로 설정됩니다[26].
<그림>
수직으로 정렬된 InP NW 어레이의 개략도. 아 정사각형 및 b 각 단위 셀을 설명하는 삽입이 있는 육각형 NW 배열
NW 어레이의 각 기하학적 매개변수를 분석적으로 결정하기 위해 최대 광 수확을 위한 다중 매개변수 최적화 문제는 (1) NW의 직경 결정 공진 모드 제어 및 (2) FR의 영향을 받는 최소 반사율 및 투과율의 두 가지 프로세스로 분해됩니다. 입사 태양 에너지. 우리는 각각의 결정 과정과 개별 기하학적 매개변수의 관계를 구성하고 최대 광 흡수로 이어지는 각각의 최적 값을 식별합니다. 제안된 방법을 설명하기 위한 설계 예로 두 배 직경의 NW 어레이가 선택되었습니다. 더 단순한 경우로서 단일 직경 NW 어레이의 최적 기하학적 치수는 유도 중에 획득할 수도 있습니다. 4개의 직경 NW 어레이에 대한 직경과 주기도 예제의 확장으로 계산할 수 있습니다. 정사각형으로 배열된 이중 지름 NW 어레이의 경우 대각선 NW의 지름은 D와 같은 값을 갖습니다. 주요 나머지 두 NW의 지름은 D로 명명됩니다. 보충 . 육각형으로 배열된 NW 어레이의 경우 중심 NW의 지름은 D입니다. 주요 주변부에서 NW의 직경은 D입니다. 보충 .
NW 어레이는 누출/유도 공명 모드를 지원할 수 있으며, 각각은 강력한 흡수 피크로 이어집니다. 또한, 도파관의 근본적인 특성은 NW의 직경이 증가함에 따라 모드 번호가 증가함을 시사합니다. 결과적으로 NW의 최적 직경은 더 많은 수의 흡수 공진을 포함할 수 있도록 더 많은 모드를 지원할 만큼 충분히 커야 합니다. 그러나 NW의 너무 큰 직경은 NW가 지원하는 고차 모드가 입사 평면파에 덜 효율적으로 결합하는 더 많은 노드를 보유하기 때문에 덜 바람직합니다[13]. 게다가, 재료 특성과 입사 태양 스펙트럼은 최적의 직경 선택에 다른 제한을 줍니다. 공진 모드가 흡수 영역 내에 있을 때만 광전류에 기여할 수 있습니다. 흡수 영역은 임계 파장까지의 재료 흡수 범위와 입사 AM 1.5G 스펙트럼의 중첩으로 정의됩니다[27].
그 결과 D 주요 NW 어레이의 다른 직경에 대한 각각의 공진 파장을 계산하기 위해 누출 모드 공진이 초기에 채택되었습니다[2]. 이것은 흡수 영역에서 공진 모드의 분포를 제공합니다. 따라서 최적의 D 주요 위의 모든 기준을 충족하려면 두 가지 모드를 지원해야 합니다. 둘째, Mie 이론을 채택하여 1단계에서 해당 NW의 정규화된 흡수 효율을 계산합니다. 엄밀히 말해서 Mie 이론은 고유치 방정식이 잘못 정의되어 있기 때문에 입사파 벡터가 NW의 축과 완벽하게 평행하게 정렬되는 상황에 적용할 수 없습니다[28]. 그러나 이 상황은 입사광의 유약 입사(매우 작은 입사각 θ NW의 축과 관련하여) NW 어레이의 인터페이스에서 입사광의 파면은 Mie 이론의 채택을 허용하는 파동 벡터에 횡단 구성요소를 도입하는 NW의 높은 지수에 의해 섭동될 것입니다[18]. 따라서 최적의 D 주요 흡수 영역 내 정규화된 흡수 효율 스펙트럼에서 가장 낮은 공진 모드의 반치폭(FWHM)을 유지하면서 두 가지 모드를 지원하는 모드입니다. D 인수 후 주요 , D 보충 NW가 반사 및 재료 절약을 줄이기 위한 하나의 모드를 지원해야 하고 그 공진 파장이 D의 계곡과 일치해야 한다는 조건에서 계산됩니다. 주요 의 정규화된 흡수 효율 스펙트럼입니다.
NW 어레이의 주기성은 효과적인 매체 레이어를 구성하여 계산할 수 있습니다. 이 인공 레이어는 재료 FR에만 관련된 NW 어레이의 반사 및 전송 동작을 나타냅니다. 결과적으로 NW 어레이의 지름, 주기성 및 배열이 계산에서 제거됩니다. 이러한 방식으로 NW 어레이의 투과율과 반사율은 이 유효 매질 층에 프레넬 방정식을 적용하여 평가할 수 있으므로 최적의 FR을 분석할 수 있습니다. FR과 주기성의 관계에 기초하여 육각형 및 정사각형 배열 NW 어레이 모두에 대한 주기성이 얻어집니다. 제안된 방법에 대한 자세한 설명은 다음 섹션에 나와 있습니다.
빛의 흡수를 증가시키려면 강한 흡수 피크로 이어지는 공진 모드의 수를 흡수 영역 내에서 최대화해야 합니다. 흡수 영역의 파란색 끝에서 입사 AM 1.5G 스펙트럼은 300nm를 고에너지 영역으로 제한합니다. 임계 파장 λ ㄷ 925nm(InP 1.34eV의 밴드갭)는 흡수 영역의 빨간색 끝을 제한합니다. 결과적으로 흡수 영역 내부에 위치한 두 개의 공진 모드를 지원하는 InP NW가 광 흡수를 가장 잘 향상시킬 수 있음이 입증되었습니다[29]. 이 결론을 확장하고 Mie 이론을 사용하여 정확한 값을 계산합니다.
위의 결론에 따르면 D의 범위는 주요 Maxwell의 방정식에서 파생된 고유값 방정식[18]에서 계산할 수 있습니다. 입사 평면파의 비대칭 평면내 전계 분포를 고려하면 HE1m 모드는 수직으로 정렬된 NW의 흡수에 기여하도록 효과적으로 여기될 수 있습니다[5]. 이 HE1m 모드는 고유값 방정식을 만족하며, 전파 상수 Re(β z ) NW 축 방향을 따른 모드의 방정식은 식과 같이 0에 접근합니다. (1). ㅋ 실 그리고 k 에어 NW 내부와 공기에서 파동 벡터의 가로 구성 요소인 반면 ε 실 그리고 ε 에어 각각의 유전율입니다. 제 1 그리고 H 1 (1) 1차 베셀 함수와 1종 Hankel 함수입니다. 결과적으로 해당 HE11 조건에서 기본 직경이 속하는 범위를 수신할 수 있습니다. 그리고 HE12 모드는 흡수 영역 내에 있습니다.
$$ \frac{\varepsilon_{\mathrm{cyl}}{J}_1^{\prime}\left({k}_{\mathrm{cyl}}{D}_{\mathrm{major}}/2 \right)}{k_{\mathrm{cyl}}{J}_1\left({k}_{\mathrm{cyl}}{D}_{\mathrm{major}}/2\right)}-\ frac{\varepsilon_{\mathrm{air}}{H_1^{(1)}}^{\prime}\left({k}_{\mathrm{air}}{D}_{\mathrm{major}} /2\right)}{k_{\mathrm{air}}{H}_1^{(1)}\left({k}_{\mathrm{air}}{D}_{\mathrm{major}} /2\오른쪽)}=0. $$ (1)Mie 이론에 따르면 흡수 효율 Q 복근 NW의 수는 에너지 수집 영역의 비율과 NW의 기하학적 크기로 정의됩니다. 흡수 효율의 분석적 표현 Q 복근 는 아래와 같으며 미에 이론의 정확한 수학적 형식주의는 참고문헌[30]에서 확인할 수 있다. 여기서 \( \overline{n}=n+ ik \) 는 복소 굴절률입니다. 위에서 언급했듯이 J 나 그리고 H 나 (1) i의 1종 베셀 함수와 한켈 함수는 다음과 같습니다. .
$$ {\displaystyle \begin{array}{c}{Q}_{\mathrm{abs},\mathrm{TM}}=\frac{2}{x}\operatorname{Re}\left({b} _0+2\sum \limits_{i=1}^{\infty }{b}_i\right)-\frac{2}{x}\left[{\left|{b}_0\right|}^2 +2\sum \limits_{i=1}^{\infty }{\left|{b}_i\right|}^2\right]\\ {}{Q}_{\mathrm{abs},\mathrm {TM}}=\frac{2}{x}\operatorname{Re}\left({a}_0+2\sum \limits_{i=1}^{\infty }{a}_i\right)-\ frac{2}{x}\left[{\left|{a}_0\right|}^2+2\sum \limits_{i=1}^{\infty }{\left|{a}_i\right |}^2\right]\end{array}} $$ (2) $$ {\displaystyle \begin{array}{c}{a}_i=\frac{\overrightarrow{n}{J}_i\left (\overrightarrow{n}x\right){J}_i^{\prime }(x)-{J}_i\left(\overrightarrow{n}x\right){J}_i^{\prime }(x )}{\overrightarrow{n}{J}_i\left(\overrightarrow{n}x\right){H_i^{(1)}}^{\prime }(x)-{J}_i^{\prime }\left(\overrightarrow{n}x\right){H}_i^{(1)}(x)}\\ {}{b}_i=\frac{J_i\left(\overrightarrow{n}x\ right){J}_i^{\prime }(x)-\overrightarrow{n}{J}_i\left(\overrightarrow{n}x\right){J}_i^{\prime }(x)}{ J_i\left(\overrightarrow{n}x\right){H_i^{(1)}}^{\prime }(x)-\overrightarrow{n}{J}_i^{\prime}\left(\overrightarrow{n}x\right){H}_i^{(1)}(x)}\end{array} } $$ (3)Q 획득 후 복근 HE11 모드에서 NW의 각 직경의 FWHM을 알 수 있으므로 최대 광 수확을 위한 최적의 직경이 결정됩니다. 장경이 결정되면 그 정규화 흡수 피크 파장이 장경의 정규화 흡수 효율 밸리와 일치해야 하는 조건에서 보조 직경이 확인됩니다. 4개의 지름 NW 어레이의 경우 세 번째 및 네 번째 지름이 유사한 방식으로 결정됩니다. 이들의 정규화된 흡수 효율 피크는 1차 및 2차 NW의 정규화된 흡수 효율 스펙트럼 중첩의 계곡과 일치해야 합니다. 주요 NW를 제외하고 두 번째, 세 번째 및 네 번째 NW는 작은 직경 크기가 air-NW 계면에서 반사율을 줄이고 재료 소비를 줄일 수 있기 때문에 하나의 모드만 지원하는 것이 바람직하다는 점에 주목해야 합니다.
다양한 출판된 작업은 고정된 직경의 NW; NW의 흡수는 초기에 FR과 함께 증가하고 특정 최적 값 이후에 감소합니다[13]. 광 흡수의 증가는 일반적으로 높은 흡수 계수를 갖는 반도체 재료의 부피 백분율 증가에 기인합니다. FR이 더 커질수록 NW 어레이의 평균 굴절률이 증가하므로 반사가 증가하여 광 흡수가 감소합니다. 따라서 NW 어레이의 흡수를 최대화하기 위해 프레넬 반사 및 투과의 영향을 최적화하기 위해 FR의 상한을 찾아야 합니다. 그림 2는 NW 어레이의 굴절 및 투과 거동을 나타내기 위해 복잡한 굴절률의 효과적인 매질 층이 생성되었음을 개략적으로 보여줍니다. 이런 식으로 NW의 주기성과 지름이 계산에서 제거됩니다. 결과적으로, 유효 매질층의 반사 및 투과에 대한 프레넬 계산은 NW 어레이의 특성을 반영하는 데 사용할 수 있습니다. 이 인공 매체 층 내부의 정확한 특성은 NW 어레이의 반사 및 전송을 나타낼 수 있는 한 고려되지 않습니다. 자세한 수학 유도는 아래에 나와 있습니다.
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NW 및 유효 매질층의 광반사, 투과 및 흡수. 아 InP NW 어레이 및 b 동일한 두께의 해당 유효 매체 층
유효 매질층의 굴절률의 실수부 n em_진짜 Eq.의 Bruggeman 공식 [31]에 의해 결정됩니다. (4) 여기서 Ɛem 및 ƐNW 는 각각 유효 매질층의 유전율과 InP입니다. 굴절률 n의 허수부 em_img 는 Eq.의 Volume Averaging Theory[32, 33]에 의해 계산됩니다. (5) 여기서 n NW_리얼 , n NW_imag , n 에어리얼 , 및 n air_img NW와 공기의 굴절률의 실수부와 허수부입니다. 최적의 FRopt 흡수율 Abs(λ) =1 − R(λ) − T(λ)가 되는 FR로 정의됩니다. 프레넬 방정식을 사용하여 최대화됩니다.
$$ {\displaystyle \begin{array}{l}\left(1-\mathrm{FR}\right)\frac{\varepsilon_{\mathrm{air}}^2-{\varepsilon}_{\mathrm{ em}}^2}{\varepsilon_{\mathrm{air}}^2+2{\varepsilon}_{\mathrm{em}}^2}+\mathrm{FR}\frac{\varepsilon_{\mathrm{ NW}}^2-{\varepsilon}_{\mathrm{em}}^2}{\varepsilon_{\mathrm{NW}}^2+2{\varepsilon}_{\mathrm{em}}^2} =0\\ {}{n}_{\mathrm{em}\_\mathrm{실제}}=\operatorname{Re}\left(\sqrt{\varepsilon_{\mathrm{em}}}\right)\ 끝{배열}} $$ (4) $$ {\displaystyle \begin{배열}{l}\mathrm{A}=\mathrm{FR}\left({n}_{\mathrm{NW}\_\ mathrm{실수}}^2-{n}_{\mathrm{NW}\_\mathrm{img}}^2\right)+\left(1-\mathrm{FR}\right)\left({n }_{\mathrm{공기}\_\mathrm{실수}}^2-{n}_{\mathrm{공기}\_\mathrm{img}}^2\right)\\ {}B=2\ mathrm{FR}{n}_{\mathrm{NW}\_\mathrm{실제}}{n}_{\mathrm{NW}\_\mathrm{img}}+2\left(1-\mathrm{ FR}\right){n}_{\mathrm{공기}\_\mathrm{실제}}{n}_{\mathrm{공기}\_\mathrm{img}}\\ {}{n}_{ \mathrm{em}\_\mathrm{img}}=\sqrt{\frac{-A+\sqrt{A^2+{B}^2}}{2}}\end{array}} $$ (5 )NW 어레이를 동일한 두께의 박막으로 교체함으로써 반사율 R(λ) 및 T(λ) NW 어레이의 투과율은 프레넬 방정식을 사용하여 추정할 수 있습니다. 무한 Fabry-Perot 반사 및 전송 시리즈의 처음 두 항은 그림 2b에 포함되어 있습니다. 자세한 수학적 유도는 참고문헌[13]의 지원 정보에서도 찾을 수 있습니다. 이 단계에서 최적의 직경과 FR이 모두 결정되고 FR의 정의에 따라 해당 주기성을 얻을 수 있습니다. 최적의 기하학적 치수로 NW 어레이는 최대 광 흡수로 이어져야 합니다. 단락 전류 밀도 J sc 흡수된 모든 광자가 엑시톤 분리에 이어 성공적인 캐리어 수집으로 이어진다는 가정하에 광 수확 능력을 측정하는 데 주로 사용됩니다. 정의는 Eq.에 나와 있습니다. (6) 여기서 A(λ) 는 입사 파장의 함수로서 나노와이어 내부의 흡수이며, N(λ) 표준 태양 스펙트럼의 입사 파장에 대한 초당 단위 면적당 광자의 수입니다.
$$ {J}_{\mathrm{sc}}=q\underset{\mathrm{AM}1.5\mathrm{G}}{\int }A\left(\lambda \right)N\left(\lambda \ 오른쪽) d\lambda $$ (6)정사각형 및 육각형 배열의 InP NW 어레이의 단일 및 다중 직경은 제안된 방법의 유효성을 보여줍니다. 한편, 우리의 방법과 비교하기 위해 FDTD 수치 시뮬레이션(Lumerical FDTD Solutions 8.15)도 제공됩니다. x를 따라 주기적인 경계 조건이 적용됩니다. 그리고 y 완벽한 일치 조건이 z를 따라 설정되는 동안 축 InP NW는 SiO2에 수직으로 서 있습니다. 기질. InP 및 SiO2에 대한 광학 상수 Lumerical에서 제공한 Palik 소재 데이터에서 가져왔습니다. NW의 직경에 대한 매개변수 공간은 50~200nm 범위인 반면 FR은 0.05에서 정사각형 및 육각형 NW의 가능한 최대값까지입니다.
그림 3a는 삽입된 광학 상수와 함께 FR이 0.05일 때 단일 직경 InP NW 어레이의 광 흡수 효율을 보여줍니다. 각 공진 파장은 FDTD 시뮬레이션 결과와 잘 일치하는 해당 흡수 피크에 계산되고 표시됩니다. HE11의 적색 편이 공진 모드는 NW의 직경이 증가함에 따라 쉽게 관찰할 수 있습니다. 또한 계산과 시뮬레이션 모두 140nm 직경에서 공진 모드가 1개에서 2개 모드로 진화한다는 것을 증명합니다. 따라서 최대 광 흡수에 대한 최적 값은 각 NW 내에서 두 가지 모드가 여기되는 140nm보다 크고 200nm보다 작아야 합니다. 최적의 직경 값을 찾기 위해 NW 어레이의 정규화된 흡수 효율이 그림 3b에 제공되어 두 가지 모드를 지원하고 여전히 흡수 영역 내에서 FWHM을 유지하는 NW 어레이를 보여줍니다. 따라서 184nm 직경의 가장 큰 값이 추가 피크 없이 최적의 직경으로 선택됩니다. 흥미롭게도 최신 최고의 전력 변환 효율 InP NW 태양 전지 설계는 최적의 직경인 180nm를 채택했습니다. NW의 직경은 증가 단계로 10nm를 사용하여 50~300nm 범위에서 실험적으로 최적화되었습니다[9]. 184nm에 대한 우리의 예측과 비교할 때 4nm의 좁은 허용 오차는 우리 방법의 정확성을 보여줍니다.
<그림> InP NW의 파장 의존적 흡수 효율과 정규화된 흡수 효율. 아 광학 상수를 설명하는 삽입된 NW의 흡수 효율. ㄴ Mie 이론으로 계산된 흡수 효율
충전 비율은 설명된 방법의 섹션 B에서 효과적인 매체 층을 사용하여 분석적으로 얻습니다. InP NW 어레이와 동일한 높이의 유효층의 광흡수 효율은 그림 4와 같다. 일반적으로 광 수확 능력은 초기에 상승하고 최대값에 도달하고 FR이 더 큰 값에 가까워질수록 점차 감소한다. 이러한 경향은 FR 변화로 인해 복합 굴절률이 변화함에 따라 투과광과 반사광의 변화에 기인합니다. 특히, FR이 0.05에서 0.2로 증가하면 InP 재료의 추가로 인해 NW 어레이에서 전송되기 전에 더 많은 빛이 흡수됩니다. 그러나 이러한 경향은 FR이 0.2에 도달할 때까지 증가하고 FR이 추가로 증가하면 등가 층의 높은 복소 굴절률이 발생하여 공기와 NW 어레이 사이의 광학 임피던스로 이어집니다. 결과적으로 입사면의 반사율이 급격히 증가하여 광흡수가 감소합니다[13]. 따라서 FR의 최적 값은 0.2이고 정사각형 및 육각형으로 배열된 NW 어레이의 주기는 각각 364.63 및 391.82nm입니다.
<그림>
FR
의 함수로서 InP NW 어레이에 대한 효과적인 매질 층의 흡수 효율직경과 FR의 다양한 조합에 대한 단락 전류 밀도가 그림 5에 나와 있습니다. NW의 배열이 가장 높은 광 흡수에 거의 영향을 미치지 않는다는 것을 분명히 보여줍니다. 또한 NW 어레이의 배열에 관계없이 우리의 방법을 적용하고 정확한 결과를 얻을 수 있습니다. 최대 J sc InP NW 어레이에 대해 계산된 최적의 기하학적 치수는 정사각형 및 육각형 배열에 대해 각각 계산됩니다. 분석적 예측 최대값 J sc 32.11 및 32.06mA/cm 2 입니다. 정사각형 및 육각형 NW 어레이의 경우 FDTD 시뮬레이션 결과와 비교하여 각각 0.33 및 0.1%의 허용 오차가 발생합니다.
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FDTD 시뮬레이션과 비교한 이론적 예측 최대값. 아 정사각형 및 b 육각형 단일 직경 InP NW 어레이
NW 어레이에 2차 직경을 추가하는 것은 시간 소모적인 시뮬레이션[34]에 의해 태양 에너지 수확[22, 29]을 더욱 증가시키기 위해 여러 그룹에서 조사되었습니다. 위의 논의에서 우리의 방법은 필요한 NW의 직경에 빠르게 접근하는 방법을 제공합니다. 보충 NW의 공진 파장은 그림 3b와 같이 NW의 주요 직경인 585nm의 흡수 밸리와 일치해야 합니다. 또한 NW는 하나의 공진 모드만 지원해야 합니다. 이 두 가지 결론은 D 보충 119nm입니다. 최적의 FR 0.2는 두 배 직경의 InP NW 어레이에서 여전히 유효하며 주기성은 NW 어레이의 정사각형 및 육각형 배열에 대해 307 및 329.95nm로 계산됩니다. 그림 6은 D의 함수로서 단락 전류 밀도 변화의 개요를 제공합니다. 주요 , 디 보충 , 및 FR은 NW 어레이의 두 가지 유형입니다. 일반적으로 빛 수확량은 FR과 함께 증가하고 최대값에 도달한 후 감소합니다. FR이 0.2일 때 그림 6의 삽입은 가장 높은 J를 표시합니다. sc 32.96 및 32.95mA/cm 2 의 정사각형 및 육각형 InP NW 모두에 대해. 33.34 및 33.26mA/cm 2 시뮬레이션의 최대값과 비교 , 공차는 정사각형 및 육각형 NW에 대해 1.1 및 0.9%입니다. 그림 6은 또한 FR이 커짐에 따라 인접 NW 간의 결합을 간과할 수 없음을 보여줍니다. 전력은 동일한 누설 모드를 지원하는 인접 NW로 전달되어 전체 광 흡수에 해로운 입사 에너지[35]의 경쟁을 일으킬 수 있습니다. FR이 두 배열에 대해 동일한 경우 psquare 2 /p육각형 2 \( \sqrt{3}/2 \)입니다. 따라서 p 육각형 p의 1.08배입니다. 사각형 정사각형 배열보다 NW 간에 모드 결합이 적습니다. 이것은 FR이 0.05와 0.4일 때 두 어레이의 광 수확의 차이를 설명합니다.
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주요 직경, 보조 직경 및 FR의 함수로서의 단락 전류 밀도. 아 정사각형 및 b 인세트가 각 NW 배열에 대한 최적의 직경을 나타내는 육각형 InP NW 어레이
NW 어레이의 다중 직경은 또한 흡수 영역에 걸쳐 거의 단일 흡수를 달성하기 위해 많은 연구 관심을 끌고 있습니다[29]. 그러나 대량 데이터 수집에는 많은 시간이 필요하기 때문에 제한된 수의 직경 조합만 제공됩니다. 이 문제는 우리의 분석적 설계 방법으로 해결할 수 있으며 정사각형으로 배열된 4개의 직경의 InP NW 어레이가 예로 제공됩니다. 우리의 방법을 사용하여 모든 계산을 완료하는 데 걸린 총 시간은 동일한 개인용 컴퓨터를 사용하여 단 하나의 FDTD 시뮬레이션에 소요된 시간과 같습니다. NW의 주요 직경과 보조 직경을 획득하면 NW의 세 번째 및 네 번째 직경도 유사한 방식으로 계산할 수 있습니다. NW의 주요 직경과 보조 직경의 정규화된 흡수 효율의 중첩은 486 및 704 nm에 위치한 흡수 골과 함께 그림 7에 나와 있습니다. 따라서 NW의 세 번째 및 네 번째 지름은 각각이 하나의 모드만 지원하고 공진 파장이 그림 7의 두 흡수 계곡과 일치한다는 조건을 충족하도록 계산할 수 있습니다. 따라서 InP NW 어레이의 세 번째 및 네 번째 지름은 92 및 148nm로 얻습니다. With the optimal FR of 0.2 whose validity is irrespective of the arrangement of NW and diameters, the periodicity can be obtained as 277.41 nm for InP NW arrays.
Superposition of the absorption efficiencies of the major and the supplementary diameters of InP NWs
The light absorption spectrum for the optimal combination of four NWs is provided in Fig. 8 from which the near-unity light absorption is achieved by the well selection of individual NWs. FDTD simulation results with four diameters’ combinations for squarely arranged NW arrays are shown in Fig. 9. To gain an overview of this multi-parameter optimization problem, two sets of coordinates are employed. The inner x and y axes denote the major and supplementary diameters whereas the outer x and y axes represent the third and fourth diameters. Due to the huge number of combinations of diameters, limited third and fourth diameters are deliberately selected to represent the whole absorption trend. From Fig. 3, the 80 nm is chosen as single mode resonance within NWs; 140 nm reflects the evolvement from single to double modes existence in NWs; 170 nm indicates the upper end of double modes existence while remain FWHM lying within absorbing region. Each intersect of the dash lines indicates different combination of the third and fourth diameters whereas the major and supplementary diameter run through 50 to 200 nm. When the diameters have larger values than 140 nm in Fig. 9, the majority of combinations of diameters will lead to the J sc above 30 mA/cm 2 . When all of the diameters reach above 170 nm, the average of J sc can be 32 mA/cm 2 . These results are also reflected in Figs. 5a and 6a. Compared with single or double diameter NW arrays, optimized four diameter NW arrays indeed lead to higher J sc . The highest J sc for four diameters InP NW arrays with our calculated geometrical dimensions is 33.13 mA/cm 2 with a tolerance of 2.2%.
Light absorption of four diameter InP NW arrays
Short-circuit current densities change with the major, supplementary, third, and fourth InP NWs
In this study, we present model for effective and fast design of both squarely and hexagonal InP NW arrays to achieve the highest light harvesting for photovoltaic application. Geometrical dimensions for vertically aligned single, double, and multiple diameters of NW arrays are investigated. Compared with time-consuming FDTD simulations, our predicted maximal short-circuit current densities with calculated three-dimensional NW arrays remain tolerances below 2.2% for all cases. For single diameter NW arrays, the optimal diameter is 184 nm which is only 4 nm difference to the reported highest efficiency InP NW solar cells. In the multiple diameter NW arrays, the diameters of the rest of NWs are optimized to satisfy the conditions that they support only one resonant mode and the corresponding wavelengths match the absorption valley of the major NWs. Moreover, the FR of the NW array is optimized to be 0.2 by creating an effective medium layer which is regardless of the diameter, periodicity, and arrangements of NWs. Compared with the optical modeling, the predicted highest short-circuit current densities for single diameter NW arrays lie within 0.33 and 0.1% tolerance for squarely and hexagonal NW array. The arrangements of NW array have little influence on the light absorption with optimal geometrical parameters, but the coupling among neighboring NWs becomes serious for multiple diameter NWs at large FR value. Squarely arranged four diameter NW arrays were also presented and the highest short-circuit current densities predicted to be 33.13 mA/cm 2 with a low tolerance of 2.2%. The time-efficient, high precision with wide suitability of the proposed design for InP NW arrays demonstrate itself to be a promising tool to guide practical NW-based solar cell design.
Finite-difference time-domain
Filling ratio
Full width at half maximum
Nanoparticles
Nanowires
나노물질
제품 디자이너는 훌륭한 아이디어를 가지고 있을 때 가능한 모든 방법으로 그것을 실현하기를 원합니다. 그러나 아이디어는 제조업체가 기계와 재료를 사용하여 이를 현실로 만들 수 있는 한 훌륭합니다. 여기서 DfM(Design for Manufacturing)이 작동합니다. 일부 디자이너는 제조 과정을 사소한 것으로 봅니다. 그것은 그들에게 거의 관심이 없습니다. 그러나 이것은 제품 설계에 대한 위험한 접근 방식입니다. 디자인과 제조는 함께 진행됩니다. 따라서 이러한 소홀한 접근 방식은 궁극적으로 열등한 최종 제품을 생산합니다. 이
2016년 3월 15일 PCB 제조 및 조립 서비스 제공업체는 누군가의 아이디어를 현실로 만드는 막중한 책임이 있습니다. PCB 설계 및 제조 프로세스의 여러 단계에는 다른 파일과 정보가 필요합니다. 따라서 PCB 문서는 클라이언트가 원하는 것을 정확히 제조업체에 전달하는 데 도움이 됩니다. 또한 필요한 정보를 미리 준비하면 전체 처리 시간을 단축할 수 있습니다. 이를 통해 더 쉽고 빠르고 정확한 견적을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 오류 없는 PCB 설계 및 제조를 보장합니다. PCB 설계를 위한 중요한 문서 항목 인쇄 회
