나노와이어/양자점 하이브리드 나노구조 어레이 태양전지의 광전지 성능

초록

나노와이어/양자점 하이브리드 나노구조 어레이를 기반으로 하는 혁신적인 태양전지가 설계 및 분석되었습니다. GaAs 나노와이어의 측벽에 다층 InAs 양자점을 성장시킴으로써 GaAs 나노와이어의 흡수 스펙트럼이 양자점에 의해 확장될 뿐만 아니라, 나노와이어 어레이의 광포집 효과로 인해 양자점의 광 흡수가 비약적으로 향상된다. 5개 층의 InAs 양자점을 500nm high-GaAs 나노와이어 어레이에 통합함으로써 양자점에 의해 유도된 전력 변환 효율 향상은 동일한 양을 포함하는 박막 태양 전지의 전력 변환 효율 향상보다 6배 더 높습니다. 나노와이어 어레이 구조가 양자점 태양 전지의 광전지 성능에 도움이 될 수 있음을 나타냅니다.

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배경

소자 변환 효율을 향상시키는 유망한 방법으로 양자점(QD)을 태양 전지에 통합하는 것이 제안되었습니다[1, 2]. 태양 전지의 활성 영역에 양자점을 삽입하면 재료의 효과적인 밴드갭을 설계하고 흡수 스펙트럼을 확장할 수 있습니다[3,4,5,6]. 이것은 균일한 태양 전지의 광전류를 향상시키거나 [7,8,9] 호스트 물질의 밴드갭 내에 분리된 중간 밴드를 형성하여 호스트 물질 에너지 갭 미만의 에너지를 갖는 광자를 흡수하는 데 사용할 수 있습니다 [10,11,12 ,13]. 그러나 기존 소자의 효율을 뛰어넘기 위해서는 양자점에 의한 흡수 향상을 크게 개선해야 한다. 이것은 QD의 수를 늘리거나, 광 흡수를 향상시키거나, 또는 이 둘의 조합을 통해 달성할 수 있습니다[14]. 최근 몇 년 동안 나노와이어(NW)의 측벽에 Stranski-Krastanov(SK) QD를 성장시켜 매력적인 구조를 제작했는데, 이는 두 종류의 나노구조의 장점을 결합하는 혁신적인 접근 방식을 제공합니다[15,16,17, 18,19]. 다중층 QD는 NW의 측벽에서 성장할 수 있어 QD의 수를 크게 증가시키는 반면 수직으로 정렬된 NW 어레이는 우수한 광 트래핑 능력으로 인해 QD의 흡수를 극적으로 향상시킬 수 있습니다[20,21,22,23,24 ]. 따라서 NW/QD 하이브리드 나노구조 어레이에서 양자점에 의해 기여되는 광전류는 박막 양자점 구조에서보다 클 것으로 예상된다. 또한, NW/QD 하이브리드 구조는 저비용 실리콘 기판에 제작할 수 있어 저비용 고효율 태양 전지에 유망합니다[25]. NW/QD 하이브리드 나노구조의 제조 및 광학적 특성이 널리 보고되었지만 하이브리드 구조를 기반으로 한 태양전지의 성능은 아직 조사되지 않았습니다.

이 논문에서는 GaAs/InAs NW/QD 하이브리드 태양 전지의 광전지 성능을 조사하기 위해 결합된 광전자 시뮬레이션이 제시됩니다. 고려된 구조는 NW 성장 축에 수직으로 배열된 QD의 5개 레이어를 포함하는 각 NW가 있는 수직으로 정렬된 NW 어레이로 구성됩니다. QD와 습윤층(WL) 모두 밴드갭 하위 광자 흡수에 기여하여 흡수 스펙트럼을 950nm로 확장합니다. 각 NW는 진성 영역에 위치한 모든 QD 레이어가 있는 방사형 핀 접합으로 구성됩니다. 먼저, QD가 있는 NW 어레이와 없는 NW 어레이 사이의 광 흡수 스펙트럼 비교는 3차원 유한 차분 시간 영역(3D-FDTD) 시뮬레이션을 사용하여 이루어집니다. 박막 대응물의 흡수 스펙트럼도 계산됩니다. 그런 다음 광생성 프로파일이 전기 시뮬레이션에 통합되어 전류 밀도 대 전압(I -V ) 특성. 결과는 NW 어레이와 박막 태양 전지 모두에서 QD의 통합이 단락 전류(J _sc ) 광 흡수를 증가시킴으로써; 그러나 개방 회로 전압(V _oc )가 동시에 발생합니다. NW 어레이 태양 전지의 양자점에 의해 유도되는 전체 전력 변환 효율 향상은 동일한 양의 양자점을 포함하는 박막 태양 전지의 효율 향상보다 6배 더 높으며, 이는 NW 어레이 구조가 광전지 성능에 도움이 될 수 있음을 나타냅니다. 양자점 태양전지.

방법

우리의 이전 연구[15]에서 NW/QD 하이브리드 구조의 제조는 Thomas Swan CCS(Close Coupled Showerhead) 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD) 시스템을 사용하여 실현되었습니다. 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메틸인듐(TMIn) 및 아르신(AsH₃ )을 전구체로 사용하였다. 담체는 수소였다. Au 코팅된 GaAs 기판을 MOCVD 반응기에 로드하고 AsH₃에서 어닐링했습니다. Au-Ga 합금 입자를 촉매로 형성하기 위해 주변 환경. 먼저 GaAs NW를 성장시킨 다음 TMGa를 끄고 온도를 높여 InAs QD의 첫 번째 쉘을 증착했습니다. InAs QD 층의 성장 후, GaAs 스페이서 쉘은 InAs QD 상에 방사상으로 성장하였다. InAs QD와 GaAs spacer shell의 조합을 일정 시간 반복하여 다층의 QD 구조를 구현했습니다.

NW/QD 하이브리드 태양 전지의 개략도는 그림 1a에 나와 있습니다. 이 장치는 주기적 GaAs/InAs NW/QD 하이브리드 구조로 구성됩니다. 각 NW는 그림 1b와 같이 진성 영역에서 NW 성장 축에 수직으로 배열된 5개의 QD 레이어가 있는 방사형 핀 접합을 포함합니다. p형 쉘과 n형 코어의 도핑 농도는 3 × 10¹⁸ 입니다. 및 1 × 10¹⁸ cm⁻³ , 각각. QD 레이어는 InAs QD, WL 및 QD를 둘러싼 GaAs 물질을 효과적인 매질로 처리하여 모델링됩니다. 각 유효 매질의 두께는 2nm입니다.

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아 NW/QD 하이브리드 태양전지와 이에 상응하는 박막의 개략도. ㄴ a에서 와이어프레임으로 표시된 단위의 세부 구조 . ㄷ 효과적인 매체의 흡수 계수. 유효 매질에서 QD, WL 및 GaAs의 부피 분율은 각각 0.002882996, 0.649123 및 0.347994입니다.

광학 시뮬레이션의 경우 유효 매질의 파장 종속 복소 굴절률은 [26]에 설명된 QDs, WL 및 GaAs 재료의 부피 가중치 중첩에 의해 계산되며, 이는 Eq. (1).

$$ {\alpha}_{\mathrm{eff}}={F}_{\mathrm{QD}}{\alpha}_{\mathrm{QD}}+{F}_{\mathrm{WL}} {\alpha}_{\mathrm{WL}}+{F}_{\mathrm{GaAs}}{\alpha}_{\mathrm{GaAs}} $$ (1)

여기서 F _QD , F _WL , 및 F _GaAs 는 각각 유효 매질에서 QD, WL 및 GaAs 재료의 부피 분율입니다. InAs QD와 WL의 흡수 계수는 동일한 QD 크기와 밀도로 [26]에서 얻습니다. 다른 재료 매개변수는 [27]에서 얻습니다. 이 작업에 사용된 흡수 계수는 그림 1c에 나와 있습니다. GaAs 밴드갭 아래에서 두 개의 피크가 관찰되며, 하나는 876nm의 파장을 중심으로 하고 다른 하나는 916nm를 중심으로 하며, 이는 QD 레이어에 기인합니다. QD 층을 포함하는 박막 태양 전지도 비교를 위해 시뮬레이션됩니다. 박막형 태양전지의 두께는 NW 길이와 동일하게 설정하고, 박막형 태양전지의 QD층의 총 부피와 진성층의 두께는 NW와 동일하게 설정 /QD 하이브리드 태양 전지. 태양 전지의 흡수 특성은 FDTD 솔루션 소프트웨어 패키지(Lumerical Solutions, Inc.)에 의해 계산됩니다. 주기적인 경계 조건을 설정하면 단일 단위 셀에서 시뮬레이션을 수행하여 주기적인 배열 구조를 모델링할 수 있습니다. AM1.5G 스펙트럼은 300~950nm의 87개의 개별 파장 간격으로 나뉩니다. 가로 전기(TE) 및 가로 자기(TM) 모드 기여는 햇빛의 해당 비편광 특성을 모델링하기 위해 중첩됩니다. AM1.5G 조명 하에서의 총 광 생성은 스펙트럼 분해 단일 파장 광 생성 속도를 중첩하여 모델링할 수 있습니다.

전기 모델링의 경우 3D 광학 생성 프로파일이 장치 소프트웨어 패키지(Lumerical Solutions, Inc.)의 유한 요소 메시에 통합되어 자체적으로 Poisson 방정식과 결합된 캐리어 연속성 방정식을 해결합니다. 효과적인 매질의 캐리어 전송 속성을 모델링하기 위해 GaAs 장벽에서 광학적으로 생성된 캐리어가 더 낮은 밴드갭 2D WL에 의해 캡처된 다음 1–50ps의 시간 규모에서 QD 바닥 상태로 완화된다고 가정합니다. 29]. QD에서 생성되거나 WL에서 캡처된 캐리어는 열 방출을 통해 다시 결합하거나 WL로 탈출합니다[30]. 포획 및 탈출 프로세스는 문헌에 보고된 양자점의 열 방출에 대한 활성화 에너지에 따라 GaAs와 유효 매질의 계면에서 100meV 유효 대역 오프셋을 설정하여 모델링됩니다[30,31,32]. QD 강화 다중접합 태양전지의 특성을 조사한 유사한 모델링 방법이 [26]에 보고되었다. NW/QD 하이브리드 태양 전지의 조명 에너지 밴드 다이어그램은 그림 2에 나와 있습니다.

<그림>

NW/QD 하이브리드 태양 전지의 조명 에너지 밴드 다이어그램

복사, 오거 및 SRH(Shockley-Read-Hall) 재결합은 장치 전기 시뮬레이션에서 고려됩니다. QD 소수 캐리어 수명은 1ns의 복사 재결합 수명과 10ns의 SRH 재결합 수명을 사용하여 설명됩니다[26]. 유효 매체의 최종 수명은 QD 및 GaAs NW 재결합 수명의 가중치 합입니다(캐리어 캡처 [26]에 설명된 대로 WL에 의해 후속적으로 QD에 의해 캡처됩니다. 유효 배지의 Auger 재조합 계수는 4.2 × 10⁻²⁹ 로 설정됩니다. cm⁶ /s [33]. 그리고 전자와 정공의 유효 질량은 0.053m로 설정됩니다. ₀ 및 0.341m ₀ , 각각 [26]. 효과적인 매체 영역을 가로지르는 배리어 캐리어의 운송 모델링에서 우리는 배리어 이동성(2500cm² /Vs 전자 및 150cm² /Vs for 구멍) [34], [35]에 설명된 대로. 나노와이어 표면이 잘 보호된다고 가정할 때 3000cm/s의 표면 재결합 속도가 장치 모델에 사용됩니다[34, 36]. 그리고 접촉 소수 캐리어 재결합 속도는 10⁷ 로 설정됩니다. cm/s [37].

결과 및 토론

QD 층이 있거나 없는 GaAs NW 어레이 태양 전지의 흡수 스펙트럼은 그림 3에 나와 있습니다. NW 반경은 100nm로 설정되고 주기는 360nm입니다. QD 층을 도입함으로써 GaAs NW의 흡수가 극적으로 향상되고 흡수 스펙트럼이 950nm로 확장됩니다. 그림 3a–d는 NW 길이가 다른 흡수 스펙트럼을 보여줍니다. QD층은 GaAs NW보다 높은 흡수계수를 가지므로 450nm 이상의 파장에서 QD층에 의해 흡수가 현저히 증가함을 알 수 있습니다. NW 길이가 증가함에 따라 QD 층이 있는 NW 어레이와 없는 NW 어레이 사이의 흡수 차이는 GaAs 밴드갭 이상의 파장 범위에서 작아지며, 이는 GaAs의 흡수가 더 긴 NW에 더 충분함을 나타냅니다. GaAs 밴드갭 아래의 파장 범위에서 GaAs NW가 광 흡수에 거의 기여하지 않기 때문에 NW 길이가 증가함에 따라 QD 층에 의해 유도된 흡수 향상이 더 두드러집니다. GaAs 밴드갭 아래의 파장 범위에서 2개의 흡수 피크가 관찰되며, 각각 876 및 916nm에 중심이 있으며, 이는 유효 매질이 가장 높은 흡수 계수를 갖는 파장에 해당합니다. NW/QD 하이브리드 태양전지에 비해 박막 태양전지의 주요 손실은 반사이기 때문에 박막 태양전지의 흡수는 박막 두께가 증가함에 따라 훨씬 더 빨리 포화된다. 박막에서 QD 층의 부피 비율은 NW 어레이에서보다 훨씬 낮기 때문에 QD 층에 의해 유도된 광 흡수 향상은 GaAs 밴드갭을 초과하는 파장 범위에서 거의 무시할 수 있습니다. GaAs 밴드갭 아래의 파장 범위에서는 광포집 능력이 없기 때문에 박막에서 QD 층의 흡수가 NW 어레이보다 훨씬 낮습니다.

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NW/QD 하이브리드 나노구조 어레이와 QD 층이 있거나 없는 박막 대응물의 흡수 스펙트럼. a의 NW 길이 –d 각각 500, 1000, 2000, 3000nm입니다.

고려된 구조의 광 생성 프로파일은 그림 4에 나와 있습니다. 이 부분에서는 길이가 500 및 3000 nm인 NW(이하 각각 짧은 NW 및 긴 NW라고 함)를 고려합니다. 효과적인 매질에서 캐리어 생성이 GaAs에서보다 훨씬 더 높기 때문에 QD에 의해 유도된 흡수 향상을 보여주는 것이 분명합니다. NW/QD 하이브리드 태양 전지에서는 일부 캐리어가 대신 QD 영역에 집중되기 때문에 NW 코어 영역에서 더 적은 캐리어가 생성됩니다. 이 현상은 고도로 도핑된 코어 영역이 종종 심각한 재결합 손실을 겪기 때문에 장치 성능에 도움이 될 것으로 예상됩니다. 짧은 NW에서 광학적으로 생성된 캐리어는 전체 NW에 분포하는 반면, 긴 NW에서는 캐리어가 주로 상단에 집중되어 고려되는 NW 어레이에 기판이 포함되어 있지 않더라도 긴 NW의 광 흡수가 충분함을 나타냅니다. 긴 NW에서 QD 레이어의 높은 캐리어 생성 영역은 NW 코어보다 더 길게 늘어나고 캐리어는 NW 축을 따라 여러 로브에 집중되어 있음을 관찰할 수 있습니다. 이것은 NW의 장파장 영역에서 공진 모드에 의해 유도됩니다. 장파장 광은 흡수 길이가 더 길고 주로 QD 영역, 특히 GaAs 밴드갭 이하의 파장 범위에서 흡수됩니다. 876 및 916 nm에서 GaAs NW의 비편광 조명 조명 하에서 전계 분포가 그림 4c에 표시되어 있으며, 이로부터 전계가 QD 영역과 강하게 겹치는 것을 볼 수 있으며, 이는 NW 구조의 향상 효과를 추가로 설명합니다. 이 파장에서 QD 흡수. 500nm 박막 태양전지의 광 발생 프로파일은 그림 4d와 같으며, 박막 구조의 흡수가 NW보다 훨씬 약함을 알 수 있다. 박막 구조의 경우 QD에서 생성된 캐리어는 전체 생성 프로파일에 거의 영향을 미치지 않습니다. NW에 있는 동안 동일한 볼륨의 QD는 NW의 유도 공진 모드 덕분에 흡수에 크게 기여할 수 있습니다[21].

<그림>

아 짧은 NW 및 NW/QD 하이브리드 태양 전지에서 광 발전 프로파일의 수직 단면. ㄴ 긴 NW 및 NW/QD 하이브리드 태양 전지에서 광 발전 프로파일의 수직 단면. ㄷ 876 및 916nm에서 NW 단면의 전기장 분포, 여기서 QD 레이어의 위치는 흰색 선으로 표시됩니다. d 박막 및 박막/QD 하이브리드 태양 전지의 광 발생 프로파일의 수직 단면

추가 연구는 QD에 의해 유도된 흡수 향상으로 인한 광전지 효율 이득의 잠재적 증가 조사에 중점을 둡니다. 이전에 시뮬레이션된 광생성 프로파일은 장치 소프트웨어 패키지에 통합되어 I -V 고려되는 장치의 특성. 캐리어 생성은 QD 영역에서 증가할 것으로 예상됩니다. 그러나 QD 영역의 캐리어는 더 높은 재결합 속도를 겪습니다. 결과적으로 단락 전류(J _sc ) QD 강화 태양 전지에서 종종 개방 회로 전압(V _oc ) [38]. 장치 효율성에 대한 QD의 효과는 J 간의 균형에 따라 다릅니다. _sc 증가 및 V _oc 절감. 나 -V NW 태양 전지의 특성은 그림 5a, b에 나와 있으며 짧은 NW에서 QD의 결합은 J _sc 1.09mA/cm² 향상 및 V _oc 0.017V 감소. 긴 NW에 있는 동안 J _sc 1.22mA/cm² 증가 및 V _oc 0.021V의 감소가 관찰됩니다. 전체 효율 증가는 짧은 NW에서 0.67%, 긴 NW에서 0.45%입니다. NW 길이를 늘리면 J _sc V와 함께 강화 효과가 증가합니다. _oc QD 볼륨의 증가로 인한 감소. 그림 5c는 V 근처 NW의 복사 재결합 프로필을 보여줍니다. _oc; 순수한 GaAs NW와 비교하여 복사 재결합 속도는 QD 레이어에서 3배 이상 증가합니다. 이는 V를 설명합니다. _oc 퇴화. QD가 있거나 없는 박막 태양 전지의 변환 효율도 계산됩니다. NW와 박막 구조의 QD 부피는 동일하지만 QD에 의해 유도된 효율 향상은 NW 태양 전지보다 훨씬 낮은 0.11%에 불과합니다. 결과는 NW 어레이가 양자점 태양전지의 효율 향상에 유리함을 나타낸다. QD에 의한 효율성 향상은 V의 퇴화로 인해 이 작업에서 그다지 인상적이지 않습니다. _oc; 그러나 V를 유지하기 위한 몇 가지 접근 방식이 입증되었습니다. _oc QD 강화 태양 전지 [5, 39]. V의 경우 보다 만족스러운 효율성 향상이 기대됩니다. _oc NW/QD 하이브리드 태양 전지에서 변성을 피할 수 있습니다. 더욱이, 양자점의 광흡수 스펙트럼은 점 크기 분포에 크게 의존한다[40, 41, 42]. 우리는 QD 크기와 밀도를 수정함으로써 더 높은 흡수 계수를 달성할 수 있으며, 이는 더 큰 흡수 향상과 더 높은 변환 효율로 이어질 수 있다고 믿습니다.

<그림>

아 나 -V 짧은 NW 및 NW/QD 하이브리드 태양 전지의 특성. ㄴ 나 -V 긴 NW 및 NW/QD 하이브리드 태양 전지의 특성. ㄷ 짧은 NW 및 NW/QD 하이브리드 태양 전지의 복사 재결합 속도의 수직 단면의 절반. d 나 -V 박막 및 박막/QD 하이브리드 태양전지의 특성

결론

요약하면, 우리는 GaAs/InAs NW/QD 하이브리드 태양 전지의 광전지 성능을 연구했습니다. 결과는 GaAs NW의 흡수 스펙트럼이 NW 측벽에 다층 InAs QD를 통합하여 950nm로 확장될 수 있음을 보여줍니다. NW 어레이의 광 트래핑 효과로 인해 QD의 흡수도 크게 향상됩니다. 나 -V 특성은 J _sc NW 태양 전지에서 광 흡수 향상으로 인해 증가할 수 있는 반면 V _oc QD에 의해 유도된 보다 심각한 재조합으로 인해 퇴화됩니다. NW 태양 전지에서 QD에 의해 유도된 전반적인 효율 향상은 박막 태양 전지보다 훨씬 높으며, 이는 GaAs/InAs NW/QD 하이브리드 구조가 QD 태양 전지에 유망함을 나타냅니다.

약어

3D-FDTD:: 3차원 유한 차분 시간 영역
AsH₃ :: 아르신
CCS:: 닫기 결합 샤워기
나 -V :: 전류 밀도 대 전압
J _sc :: 단락 전류
MOCVD:: 금속 유기 화학 증착
NW:: 나노와이어
QD:: 양자점
S-K:: 스트란스키-크라스타노프
SRH:: 쇼클리-리드-홀
TE:: 가로 전기
TM:: 횡방향 자기
TMGa:: 트리메틸갈륨
TMIn:: 트리메틸인듐
V _oc :: 개방 회로 전압
WL:: 습윤층

평대역 재료의 전산 설계 노화 후 치과용 등급 나노 유리-지르코니아 재료의 생체 적합성

나노물질