축 방향 및 방사형 핀 접합 GaAs 나노콘 어레이 태양 전지의 광전지 성능을 조사합니다. 실린더 나노와이어 어레이와 비교하여, 나노콘 어레이는 전체 광 흡수를 향상시킬 뿐만 아니라 더 중요하게는 유효 흡수(공핍 영역에서의 흡수)를 향상시킵니다. 강화된 유효 흡수는 수축하는 상부에 의해 유도된 흡수 영역의 하향 이동 및 확장에 기인하며, 이는 고도핑된 상부 영역의 흡수 손실을 극적으로 억제하고 공핍 영역의 흡수를 향상시킨다. 축 방향 및 방사형 GaAs 나노콘 태양 전지의 가장 높은 변환 효율은 각각 5° 및 6°의 경사각에서 얻은 20.1% 및 17.4%로, 둘 다 실린더 나노와이어보다 훨씬 높습니다. 나노콘 구조는 고효율 태양전지의 유망한 후보입니다.
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배경
양자점(QD), 나노와이어(NW) 및 2차원 적층 재료를 포함한 저차원 재료는 고유한 특성으로 인해 광전지 응용 분야에 유망합니다[1,2,3,4,5]. 평면 대응물과 비교하여 III-V 나노와이어(NW) 어레이는 반사 방지 및 광 트래핑과 같은 우수한 광학 특성을 가지며 고성능 태양 전지에서 큰 잠재력을 보여줍니다[6,7,8]. 또한, NW의 초소형 풋프린트 영역은 재료 소비를 충분히 줄이고 격자 불일치의 허용치를 증가시켜 더 적은 재료와 더 저렴한 기판으로 저비용 태양 전지를 실현할 수 있습니다[9,10,11,12,13]. 핀 접합은 빛을 흡수하고 광자를 전자-정공 쌍으로 변환하는 NW 태양 전지의 핵심 부분입니다. 핀 접합 기하학에 따르면 NW 어레이 태양 전지는 축 방향 및 방사형 (또는 코어 쉘) 핀 태양 전지로 나눌 수 있으며 둘 다 널리 연구되었습니다. 그러나 현재까지 축 방향 및 방사형 III–V NW 어레이 태양 전지의 최고 효율은 각각 15.3%와 7.43%로 평면 태양 전지보다 훨씬 낮습니다[14, 15].
지금까지 직경/주기(D /피 ) 비율, 직경 및 길이, 전체 NW 어레이의 더 나은 광 흡수를 얻기 위해 [16,17,18,19,20]. 그러나 전체 NW 어레이의 흡수 향상이 반드시 궁극적인 변환 효율의 증가로 이어지는 것은 아닙니다. 실용적인 NW 핀 어레이의 경우 p(또는 n) 영역에서 생성된 포토캐리어는 내장 전기장이 없기 때문에 빠르게 재결합됩니다. 따라서 어느 정도 공핍 영역에서의 흡수 또는 유효 광 흡수가 궁극적인 효율을 직접적으로 결정합니다. 그러나 일반적인 실린더 NW 어레이의 경우 대부분의 빛은 NW의 상부에서 흡수되는 반면[16], 일반적으로 중간에 위치하는 공핍 영역의 흡수는 충분하지 않습니다. 특히, 축 방향 핀 NW 어레이의 경우 입사광은 공핍 영역에 흡수되기 전에 p(n) 영역을 통과해야 하므로 많은 빛 손실이 발생합니다.
NW 어레이의 효과적인 광 흡수를 향상시키는 한 가지 가능한 방법은 NW의 기하학을 변조하는 것입니다. 예를 들어, 축 방향 핀 경사 NW 어레이 태양 전지는 상단 p(또는 n) 영역의 흡수를 줄임으로써 공핍 영역의 흡수를 향상시키는 것으로 보고되었습니다[21]. 그러나 실제로는 D /피 비율은 변환 효율성을 제한하는 인접한 NW의 교차를 피하기 위해 수직 NW 어레이보다 훨씬 낮아야 합니다. 테이퍼 NW 또는 나노콘은 입사광이 상부 영역을 통과하지 않고 공핍 영역에 의해 직접 흡수될 수 있기 때문에 효과적인 광학 흡수를 향상시킬 것으로 예상됩니다. 현재까지 Au 촉매 증기-액체-고체 및 자가조립 촉매가 없는 방법[22,23,24,25]에 의해 기울기 각도와 종횡비가 다른 나노콘이 제조되었으며 광 흡수 특성도 시뮬레이션 [26, 27]. 실제 태양 전지에서 도핑이 전송 및 광학 특성에 미치는 영향을 무시할 수 없으며 복사, Auger 및 SRH(Shockley-Read-Hall) 재결합도 광전 변환에 중요한 역할을 합니다. 그러나 우리가 아는 한, 위에서 언급한 요인들을 고려한 나노콘 p(i)n 태양전지의 광전지 성능은 아직 자세히 연구되지 않았습니다.
이 논문에서는 축 방향 및 방사형 핀 접합 GaAs 나노콘 태양 전지의 광전지 성능을 조사하기 위해 결합된 3차원(3D) 광전자 시뮬레이션이 제공됩니다. FDTD(finite-difference time-domain)를 이용하여 광흡수 특성을 조사하였다. 그런 다음 광 생성 프로파일을 전기 시뮬레이션에 통합하여 FEM(유한 요소 방법)을 사용하여 전류 밀도 대 전압(J-V) 특성을 계산했습니다. 도핑 종속 이동도, 밴드갭 축소, 복사, Auger 및 SRH 재결합은 모두 전기 시뮬레이션에서 고려되었습니다. 축 방향 및 방사형 핀 접합 나노콘 태양 전지의 최고 효율은 각각 20.1% 및 17.4%로 실린더 NW 대응 제품보다 훨씬 높습니다. 효율성 향상의 메커니즘이 논의됩니다.
방법
축방향 핀 GaAs 나노콘 어레이 모델은 그림 1에 나와 있으며, 직경이 D인 주기적인 축방향 핀 GaAs 나노콘으로 구성되어 있습니다. =180nm, 마침표 P =360nm, 길이 L =2μm. p 영역과 n 영역 모두 길이가 200nm이고 3 × 10
18
로 균일하게 도핑됩니다. cm
−3
및 1 × 10
17
cm
−3
, 각각. GaAs 기판은 1 × 10
17
의 캐리어 농도로 n-도핑됩니다. cm
−3
. 나노콘 직경은 상단 및 하단 직경의 평균으로 정의됩니다. 경사각(θ )은 측벽과 바닥면(기판)의 법선 방향 사이의 각도입니다. 시뮬레이션에서는 평균 직경을 일정하게 유지하면서 하단 및 상단 직경을 변경하여 기울기 각도를 0°에서 5°로 변경합니다.
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축 핀 접합 GaAs 나노콘 어레이의 개략도
구조의 광학적 특성은 Sentaurus EMW(Electromagnetic Wave) 솔버 모듈 패키지를 통해 조사됩니다[28,29,30]. FDTD 메시의 최소 셀 크기는 5nm로 설정되고 파장당 노드 수는 모든 방향에서 20개입니다. 주기적인 경계 조건을 설정하면 단일 단위 셀에서 시뮬레이션을 수행하여 주기적인 배열 구조를 모델링할 수 있습니다. 계산에 필요한 자원과 시간을 절약하기 위해 GaAs 기판의 두께는 0.4μm로 제한됩니다[21]. 그러나 GaAs 기판에 인접한 PML(Perfect Match Layer)을 사용하여 투과광을 완전히 흡수하여 반무한 GaAs 기판을 모델링할 수 있습니다[31]. GaAs의 물질 분산 특성을 설명하는 데 사용되는 파장 종속 복합 굴절률은 Levinshtein et al.의 연구에서 얻을 수 있습니다. [32]. 상단에서 입사하는 빛은 그림 1과 같이 NW 축에 평행하게 설정됩니다. 우리는 290~900nm 범위의 파장을 가진 이산화된 AM 1.5G 태양 스펙트럼의 전력 강도와 파장 값으로 정의된 평면파를 사용합니다. (GaAs의 일반적인 흡수 영역)은 햇빛을 모델링하기 위해 [33]. AM 1.5G 조명 하에서의 총 광 생성은 전력 가중 단일 파장 광 생성 비율을 중첩하여 모델링할 수 있습니다[20]. 광 발생률 Gph 포인팅 벡터 S:
에서 얻습니다. $$ {G}_{ph}=\frac{\left|\overrightarrow{\nabla}\cdot \overrightarrow{S}\right|}{2\mathrm{\hslash}\omega }=\frac{\varepsilon ^{{\prime\prime} }{\left|\overrightarrow{E}\right|}^2}{2\mathrm{\hslash}} $$ (1)
여기서 ħ 는 감소된 플랑크 상수, ω 입사광의 각주파수, E 는 각 그리드 포인트에서의 전기장 강도이고, ε ″는 유전율의 허수부입니다. 반사 모니터는 NWA의 상단 표면 위에 위치하며 투과 모니터는 기판의 바닥 표면에 위치하여 흡수된 빛을 계산합니다. 전력 모니터를 통해 전송되는 전력의 양은 각 파장의 소스 전력으로 정규화됩니다. 반사율 R (λ ) 및 전송 T (λ )는 다음 방정식으로 계산됩니다.
전기 모델링의 경우 3D 광학 생성 프로파일이 전기 도구에서 NW의 유한 요소 메쉬에 통합되어 3D에서 일관되게 푸아송 방정식과 결합된 캐리어 연속성 방정식을 해결합니다. 도핑 종속 이동성, 밴드갭 축소, 복사, Auger 및 SRH 재결합은 장치 전기 시뮬레이션에서 고려됩니다. 장치 시뮬레이션을 위한 중요한 재료 매개변수는 대부분 표 1에 표시된 Levinshtein의 모델[32]에서 얻습니다.
결과 및 토론
축 핀 접합 GaAs 나노콘 어레이 태양 전지
그림 2a–c는 기울기 각도가 다른 축 방향 GaAs 나노콘 어레이의 파장 의존적 흡수율, 반사율 및 투과율을 보여줍니다. 실린더 NW 어레이와 비교(θ =0°), nanocone 어레이는 전체 파장 범위에서 더 낮은 반사율을 나타내며 이러한 현상은 기울기 각도가 증가함에 따라 더 분명해집니다. NW 어레이의 반사 방지 능력은 낮은 채움 비율에 기인할 수 있으며, 이는 유효 굴절률을 감소시키고 GaAs와 공기 사이의 우수한 임피던스 매칭을 제공합니다[7]. 경사각이 큰 나노콘 어레이의 경우 어레이 상단의 충진 비율이 매우 낮아 공기와 거의 완벽한 임피던스 매칭을 제공하고 반사가 거의 없습니다. 300~700nm의 단파장 범위에서는 반사 억제로 인해 기울기 각도가 증가함에 따라 흡수율이 증가합니다. 그러나 GaAs 밴드갭 근처의 장파장 빛의 흡수율은 광학 모드를 지원할 수 없는 매우 얇은 나노콘 상단으로 인해 큰 기울기에서 감소합니다. 그림 2d는 다양한 기울기 각도에 대한 흡수율, 반사율, 투과율 스펙트럼의 AM 1.5G 가중 적분을 보여줍니다. 작은 각도에서 반사율 감소로 인해 기울기 각도가 증가함에 따라 흡수율이 증가합니다. 기울기 각도가 3°를 초과하면 흡수율이 약간 감소합니다. 이것은 매우 얇은 nanocone 상단이 장파장 모드를 지원할 수 없기 때문에 감소된 흡수 경로에 기인한 것 같습니다. 그럼에도 불구하고, 서로 다른 기울기 각도(1~5°)에서 나노콘의 총 흡수는 차이가 매우 작으며(92~ 93.5% 범위), 이는 기울기 각도가 나노콘의 전체 흡수에 거의 영향을 미치지 않음을 시사합니다. 대안적으로, 경사각은 광전 변환 효율을 지배하는 진성 영역에서의 흡수에 강한 영향을 미치는 것으로 믿어진다. 이것은 다음 부분에서 자세히 논의될 것입니다.
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아 흡광도, b 반사율 및 cD가 있는 축방향 핀 접합 GaAs 나노콘 어레이의 투과율 /피 =0.5 및 D =0.18μm. d AM1.5G 가중 적분은 서로 다른 경사각을 갖는 축형 나노콘 어레이의 흡광도, 반사도 및 투과율입니다.
AM 1.5G 조명 하에서 축 방향 GaAs 나노콘 어레이의 총 광 생성 프로파일은 그림 3a에 나와 있습니다. θ에서 =0°, 대부분의 흡수된 광자는 실린더 NW의 상단에 집중됩니다. 높은 도핑 농도와 전자-정공 쌍의 분리를 위한 내장 전기장의 부족으로 인해[34,35,36,37], 상단 p-영역에서 광 캐리어의 재결합이 매우 높아 결과적으로 큰 손실 입사광의. 나노콘 어레이의 경우, 광자 흡수 위치는 기울기 각도가 증가함에 따라 아래쪽으로 이동하여 i-영역에서 흡수가 향상됩니다. 보고된 바와 같이 NW의 광 흡수는 NW 직경과 밀접한 관련이 있는 공진 모드에 의해 지배됩니다[37]. 나노콘의 독특한 기하학적 구조로 인해 작은 직경의 상단 영역에서 몇 가지 장파장 모드를 지원할 수 있습니다. 이것은 기울기 각도가 0~ 5°인 나노콘의 파장 의존적 광 생성 프로파일을 나타내는 그림 3b–g에 의해 뒷받침됩니다. 실린더 NW에서 대부분의 흡수는 모든 파장에 대해 상단 영역에 집중됨을 알 수 있습니다. 그러나 기울기 각도가 증가함에 따라 광학 모드, 특히 더 긴 파장 모드는 더 두꺼운 영역으로 아래쪽으로 이동합니다. 따라서 기울기 각도의 증가는 중간 i-영역의 흡수 향상으로 이어질 뿐만 아니라 상단 영역의 흡수 감소를 초래합니다. 이것은 중간 기울기 각도가 3°인 나노콘 어레이가 그림 3e와 같이 높은 총 흡수를 갖는 이유를 설명할 수 있습니다. 그 이유는 상단 p-영역과 중간 진성 영역 모두의 흡수가 해당 각도에서 상대적으로 강하기 때문입니다. 흡수의 하향 이동은 상단 p-영역의 흡수 손실을 억제할 뿐만 아니라 중간 i-영역의 흡수를 향상시키기 때문에 장치의 성능 향상에 중요한 역할을 한다고 믿어집니다.
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아 축 핀 나노콘의 총 광 생성 프로파일. ㄴ –지θ에서 나노콘 어레이의 파장 의존적 광 생성 프로파일 =0~ 5°
i-영역의 흡수 스펙트럼은 그림 4a에 표시됩니다. 단파장 영역에서 기울기 각도가 증가함에 따라 p 영역의 직경이 작아짐에 따라 p 영역 부피와 nanocone에 가둘 수 있는 광 파워가 모두 감소하여 p 영역에서의 흡수가 불충분하고 높은 흡수율을 초래합니다. i-영역에서. 장파장 영역에서 흡수 영역은 큰 경사각으로 나노콘의 하단 n 영역으로 확장되어 i 영역에서 흡수율이 감소합니다. 그림 4b는 i-영역에서 흡수 스펙트럼의 적분을 보여줍니다. 각 파장의 흡수율은 AM 1.5G 스펙트럼에 의해 가중됩니다. i-영역에서의 흡수는 기울기 각도가 증가함에 따라 크게 증가함을 알 수 있으며, 이는 변환 효율을 향상시킬 것으로 예상되는 유효 흡수가 향상되었음을 나타냅니다.
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아 i-영역의 파장 의존적 흡수 스펙트럼. ㄴa에서 i-영역의 흡수 스펙트럼의 AM1.5G 가중 적분
그런 다음 광생성 프로파일은 축 핀 접합 나노콘 어레이 태양 전지의 광전지 성능을 연구하기 위해 전기 도구[35]에 통합됩니다. 그림 5a는 다양한 기울기 각도에서 전류-전압 특성을 보여줍니다. 실린더 NW 어레이와 비교하여 훨씬 더 높은 단락 전류 밀도(Jsc ) 나노콘 어레이 태양전지에서 얻어진다. θ에서 =5°, 장치는 J를 생성합니다. sc 30.1mA/cm
2
(7.3mA/cm
2
실린더보다 높음) 및 Voc 0.885V의 높은 광전 변환 효율(η ) 20.1%(실린더보다 4.8% 높음). 그림 5b는 기울기 각도에 대한 변환 효율의 의존성을 보여줍니다. 기울기 각도가 0°에서 5°로 증가함에 따라 변환 효율은 15.3%에서 20.1%로 단조 증가합니다. 앞에서 언급했듯이 전체 나노콘 어레이의 흡수는 θ에서 포화됩니다. =2°, 큰 기울기 각도에서 효율 향상이 전체 나노콘 어레이의 흡수 향상으로 인해 발생하지 않음을 시사합니다. 대신, 변환 효율의 경향은 그림 4b와 같이 i-영역의 흡수에 따라 높게 나타나 변환 효율이 i-영역의 유효 광 흡수에 의해 지배됨을 보여줍니다.
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아 경사각이 다른 축방향 p(i)n 접합 나노콘 어레이 태양전지의 전류-전압 곡선. ㄴ 경사각이 다른 축방향 p(i)n 접합 나노콘 어레이 태양전지의 광전 변환 효율
방사형 핀 접합 GaAs 나노콘 어레이 태양 전지
방사형 핀 접합 GaAs 나노콘 어레이 모델은 그림 6에 나와 있으며, 직경이 D인 주기적인 방사형 핀 GaAs 나노콘으로 구성되어 있습니다. =360nm, 기간 P =720nm, 길이 L =2μm. i-영역의 두께는 10nm이고 코어의 반경은 쉘 두께와 같습니다. n-type core와 p-type shell의 도핑 농도는 axial nanocones의 도핑 농도와 동일하게 설정하였다. 평균 직경을 일정하게 유지하면서 하단 및 상단 직경을 변경하여 기울기 각도를 0°에서 10°로 변경합니다.
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방사형 핀 접합 GaAs 나노콘 어레이의 개략도
기울기 각도가 다른 방사형 GaAs 나노콘 어레이의 파장 의존적 흡수율, 반사율 및 투과율은 그림 7a-c에 나와 있습니다. 축 구조와 유사하게 방사형 나노콘은 방사형 실린더 NW(θ =0°)이며, 이러한 현상은 경사각이 증가함에 따라 더욱 분명해진다. 그림 7a에서 300~700nm의 단파장 범위에서 반사율 억제로 인해 기울기 각도가 증가함에 따라 흡수율이 증가함을 알 수 있습니다. 큰 경사각에서 나노콘 상단은 너무 얇아서 장파장 모드를 지원하지 않아 흡수율이 감소합니다. 그림 7d는 다양한 기울기 각도에 대한 흡수율, 반사율, 투과율 스펙트럼의 AM 1.5G 가중 적분을 보여줍니다. 기울기 각도가 증가함에 따라 흡수는 약간의 변동과 함께 전반적으로 상승하는 경향을 나타내어 나노콘 구조에 대한 우수한 흡수 특성을 시사함을 알 수 있습니다.
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아 흡광도, b 반사율 및 cD가 있는 방사형 핀 접합 GaAs 나노콘 어레이의 투과율 /피 =0.5 및 D =0.36μm. d 다양한 기울기 각도를 갖는 방사형 나노콘 어레이의 흡수, 반사 및 투과율의 AM1.5G 가중 적분
그림 8은 AM 1.5G 조명에서 방사형 GaAs 나노콘 어레이의 총 광 생성 프로파일을 보여줍니다. 축 배열에서와 유사하게 대부분의 광자는 실린더 NW의 상단에 집중됩니다. 기울기 각도가 점차 증가함에 따라 흡수는 아래쪽으로 이동합니다. 방사형 접합의 i-영역 튜브가 전체 NW를 관통하기 때문에 흡수의 하향 이동은 축 핀 접합에서와 같이 흡수 향상으로 직접 이어질 수 없습니다. 그러나 흡수의 하향 이동과 함께 흡수 길이도 확장되어 광 흡수와 i-영역 사이의 중첩이 향상됩니다. 따라서 효과적인 흡수도 향상되는 것으로 여겨집니다.
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경사각이 다른 방사형 핀 나노콘 어레이의 광 생성 프로파일
방사형 나노콘 태양전지의 전류-전압 특성은 그림 9a와 같다. 실린더 NW 어레이 태양 전지와 비교하여 훨씬 더 높은 Jsc 나노콘 어레이 태양 전지에서 달성됩니다. θ에서 ≥ 6°, 모든 Jsc 25mA/cm 초과
2
, 대조적으로 Jsc 17.4mA/cm
2
입니다. θ에서 =0°. 그림 9(b)는 기울기 각도에 따른 변환 효율의 의존성을 보여줍니다. 작은 경사각에서 효율은 경사각에 따라 단조 증가하며 θ에서 최대값 17.4%에 도달합니다. =6°, 실린더 대응물보다 6.4% 높습니다. 각도가 더 증가하면 효율성이 포화되고 약간 감소합니다. 이것은 아마도 상단 및 중간 i-영역의 흡수 사이의 경쟁에 기인합니다. 큰 경사각에서 나노콘 상단은 너무 얇아서 장파장 모드를 지원하지 않습니다. 흡수의 하향 이동으로 인해 중간 i-영역 부분의 흡수가 증가하지만 상단 i-영역 부분의 흡수는 감소하여 중간 i-영역의 흡수 증가를 상쇄합니다.
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아 기울기 각도가 다른 방사형 핀 접합 나노콘 어레이 태양 전지의 전류-전압 곡선. ㄴ 경사각에 따른 변환 효율 의존성
결론
요약하면, 우리는 결합된 3D 광전자 시뮬레이션을 통해 축 및 방사형 핀 접합 GaAs 나노콘 어레이 태양 전지의 광전지 성능을 연구했습니다. 결과는 나노콘 어레이의 흡수가 수축하는 상단 직경으로 인해 아래쪽으로 이동하여 고도핑된 상단 영역의 흡수 손실을 극적으로 억제하고 공핍 영역의 흡수를 향상시킴을 보여줍니다. 축 방향 및 방사형 GaAs 나노콘 태양 전지의 가장 높은 변환 효율은 각각 5° 및 6°의 경사각에서 얻은 20.1% 및 17.4%로, 둘 다 실린더 NW 대응 물보다 훨씬 높습니다. 나노콘 구조는 고효율 태양전지의 유망한 후보입니다.
