에너지 변환 및 디스플레이 애플리케이션을 위한 이중 기능 태양 전지의 광자 설계 및 전기적 평가

결과 및 토론

Fig. 1은 제안된 color-controlled a-Si:H SC의 개략도이다. 위에서 아래로 ARC 레이어, DBR 스택, 버퍼 레이어 및 a-Si:H SC로 구성됩니다. 여기서, a-Si:H 활성층의 두께는 30 nm(50 nm)의 n형(p형) 도핑 영역을 포함하는 500 nm이다. 전자(정공) 수송을 위한 후면(전면) 전극의 재료는 100 nm(20 nm) 두께의 ZnO(ITO)입니다. 버퍼층은 55 nm TiO₂로 구성됩니다. 빛 반사를 줄이고 [24] 색 순도를 향상시킵니다. DBR은 각 층에 대해 1/4 파장 두께를 갖는 6개의 ZnS/ZnO 쌍으로 구성됩니다. 사실 반사율과 스펙트럼 폭은 색상 품질을 결정하는 데 매우 중요한 역할을 합니다. 반사율(R )는 다음 방정식을 사용하여 분석적으로 예측할 수 있습니다[25].

여기서 n ₀ , n ₁ , n ₂ , 및 n _s 는 각각 공기, 두 개의 DBR 레이어 및 기판의 굴절률입니다. 아니 DBR 쌍의 수입니다. 반사 대역폭(∆λ₀ )은 [25]:

여기서 λ₀ DBR 중심 파장입니다. <>n의 차이를 증가시키면 ₁ 그리고 n ₂ , R 증가하고 있지만(즉, 색상 밝기 증가) ∆λ₀ 및 색상 채도가 감소합니다. 결과적으로 n의 상대적으로 작은 차이 ₁ 그리고 n ₂ 상대적으로 큰 N 높은 색 순도와 밝기를 나타내기 위해 높은 채도를 보장하는 데 사용됩니다.

제안된 색상 제어 a-Si:H SC의 개략도(왼쪽) 및 세부 장치 구성(오른쪽)

박막 광학에 따르면 가시 대역에서 다르게 국부화된 RGB 색상을 표시하려면 DBR 두께를 신중하게 설계해야 합니다. 여기서 SC를 제외하고 먼저 RGB 디스플레이에 대한 DBR 반사 스펙트럼의 제어 가능성을 조사합니다. 그림 2a는 RGB 설계에서 DBR의 반사 스펙트럼을 보여주고 해당 구조와 필름 두께는 그림 2b에 나와 있습니다. 반사가 λ₀에서 정점을 이루는 것으로 나타났습니다. =625, 520, 445 nm, RGB 중심과 잘 일치합니다. 더욱이, 피크 반사는 디스플레이 밝기를 보장하기에 충분히 강합니다(즉, 74.82%, 72.1% 및 76.31%). 실제로 DBR의 경우 금지대에서 약간의 측파가 존재합니다. 이러한 파동은 높은 색 순도를 달성하는 데 해롭습니다[26]. 그림 2a는 이러한 측파의 존재를 확인합니다.

DBR 및 RGB a-Si:H SC의 광학 응답. 아 RGB 디스플레이를 대상으로 하는 DBR 반사 스펙트럼. ㄴ 설계된 DBR의 구조 및 재료 매개변수. 반사 스펙트럼(c ) 및 CIE 1931 색도 좌표(d ) 상단에 RGB DBR이 있는 a-Si:H SC의 경우. 반사 스펙트럼(e ) 및 CIE 1931 색도 좌표(f ) 설계된 색상 제어 a-Si:H SCs. 표준 sRGB 색재현율은 (f ) 비교를 위해

RGB 위에서 DBR은 이제 a-Si:H SC, 즉 RGB-DBR(상단) + SC(하단)과 통합됩니다. RGB 디스플레이를 대상으로 하는 결합된 SC 시스템의 반사 스펙트럼은 그림 2c에 나와 있습니다. SC를 통합한 중심 파장이 약간 적색으로 이동되었음을 처음 관찰했습니다(R, G 및 B 세포의 경우 각각 625, 520 및 445 nm에서 633, 528 및 453 nm). 또한 피크 반사도 각각 87.66%, 82.52% 및 79.44%로 증가합니다. DBR 아래에 SC를 포함하면 시스템 구성이 변경되고 공진 상황이 수정되었기 때문에 이는 합리적입니다. 그럼에도 불구하고 위의 효과는 표시 품질에 영향을 미치지 않으면서 상대적으로 약합니다. 그러나 실제로 색상 순도를 크게 저하시키는 핵심 성분이 있습니다. 그림 2d는 이러한 결합된 SC 시스템에 대한 Commission Internationale de L'Eclairage(CIE) 1931 색도 좌표를 보여줍니다. 패턴 디스플레이 응용 프로그램의 경우 색 공간이 클수록 더 많은 색 요소가 포함되고 더 잘 표시됩니다[27]. 원색이 혀 모양의 경계에 닫힐 때 가장 큰 색 공간을 얻을 수 있습니다. 그러나 그림 2d는 달성된 RGB가 경계에서 상대적으로 멀리 떨어져 있음을 보여줍니다. 따라서 반사 대역폭을 추가로 줄이고 측파를 제거해야 합니다.

RGB 성능을 개선하기 위해 듀얼 레이어 ARC(MgF₂ 및 SnO₂ ) 버퍼 레이어(TiO₂)와 함께 ). ARC는 DBR 위에 구성되고 버퍼 레이어는 그림 1과 같이 DBR과 a-Si:H SC로 끼워져 있습니다. 박막 광학을 기반으로 ARC의 두께는 [28]에 의해 제어될 수 있습니다.

여기서 n ₀ , n _t , n _b , 및 n _s 각각 공기, 상부층, 하부층 및 기질의 굴절률이고; d _t 그리고 d _b 는 각각 상단 및 하단 레이어의 두께입니다. 그림 2e는 ARC, DBR 및 버퍼 레이어가 있는 설계된 색상 제어 a-Si:H SC의 반사 스펙트럼입니다. (1) 피크 파장이 625, 515 및 445 nm이며 독립형 DBR의 파장에 가깝습니다. (2) RGB 색상이 있는 셀의 경우 공진 대역폭이 크게 감소합니다. (3) 그림 2a에 표시된 DBR 단독의 결과와 비교하여도 측파가 극적으로 억제됩니다. 예상대로 ARC 및 버퍼 레이어를 도입한 후 광학 경로 차이가 변경되어 공진 상황이 변경되었습니다. 그 결과 중심파장, 반사대역폭, 시스템 측파가 향상된다. 따라서 고급 포토닉 디자인은 그림 2f의 CIE 1931 색도 좌표에 의해 입증된 것처럼 훨씬 향상된 색상 품질로 원하는 색상으로 이어집니다. sRGB와 비교하여 설계된 RGB와 sRGB의 색상 차이는 다음과 같습니다. ΔE_R =16.8 빨간색, ΔE_G =녹색의 경우 47.6, ΔE_B =파란색의 경우 41.7. 디자인된 RGB와 sRGB 사이에 관찰자가 인지하는 색상 차이는 약간의 변화를 보여주지만, 우리 디자인의 색상 공간은 sRGB와 비슷합니다. 예를 들어 RGB 색 공간은 디자인된 시스템과 표준 시스템에 대해 NTSC(National Television System Commission) 색 공간의 52.7%(72%)와 대략 같습니다.

지금까지 우리는 고급 박막 광학 전략으로 a-Si:H SC를 성공적으로 설계했습니다. 그러나 이러한 표시 기능을 위해서는 SC의 전기적 응답이 불가피하게 영향을 받게 됩니다. 따라서 색상 제어 a-Si:H SC의 자세한 광전자 응답을 조사할 필요가 있습니다. 지난 몇 년 동안 우리는 전자기 및 캐리어 전송 응답을 처리하는 광전자 시뮬레이션 [17, 18]뿐만 아니라 고급 광전기 열 시뮬레이션을 포함하여 반도체 기반 SC의 장치 수준 시뮬레이션에 대한 광범위한 연구를 수행했습니다. SC [19]. (1) 다양한 재료(예:Si, GaAs, a-Si:H) 및 (2) 다양한 나노구조(예:단일 나노와이어, 나노텍스처 및 이중 접합)를 기반으로 한 SC는 다음을 찾기 위해 탐구되었습니다. SC 내부의 고유한 다중물리 거동을 제어하고 광변환 효율을 개선하는 방법 [20,21,22]. 따라서 이 논문에서 제시한 특별히 설계된 a-Si:H SC의 광전자 응답은 해당 광전자 시뮬레이션을 수행하여 쉽게 얻을 수 있습니다.

그림 3a–c는 흡수를 보여줍니다(A ) 및 AM1.5 조명에서 RGB SC의 EQE 스펙트럼. 먼저, 흡수 스펙트럼은 R, G 및 B 색상 각각에 대한 반사 피크에 해당하는 특정 파장에서 명백한 딥을 나타내는 것으로 나타났습니다. 이는 색상 표시 기능이 가시 대역에서 특정 빛 반사를 필요로 하기 때문입니다. 따라서 광 흡수(A ) 및 SC의 전기적 응답(EQE)이 불가피하게 영향을 받아 EQE와 A에 상당한 차이가 발생합니다. 빨간색, 녹색 및 파란색 SC용. 게다가, 380 nm 미만의 파장 대역에서 우리는 빛이 상부 ITO 층에 의해 거의 완전히 흡수되는 것을 볼 수 있습니다. 따라서 해당 흡수와 EQE는 0에 가깝습니다. 그럼에도 불구하고 전체 장치 흡수는 정점 A를 표시하기에 충분합니다. 80% 이상. 둘째, 본 연구에서는 a-Si:H SC를 고려하였기 때문에 전체 유효 스펙트럼 대역에 거의 캐리어 재결합 효과가 존재하므로(활성층이 매우 얇기 때문에) EQE는 항상 A . 해당 전류-전압 특성(J -V 곡선)은 그림 3d에 표시되며, 여기서 삽입은 자세한 단락 전류 밀도(J _SC ), 개방 회로 전압(V _OC ), 채움 계수(FF) 및 RGB 셀에 대한 광변환 효율(Eff)입니다. 비교를 위해 100 nm SiO₂를 포함하는 기존의 a-Si:H SCs Anti-Reflection Layer가 사용되었으며 Anderson et al.의 보고서와 유사한 ~ 59%의 효율성을 나타냅니다. [16, 29]. RGB 디자인은 V에 분명히 영향을 미치지 않는 것으로 나타났습니다. OC 및 FF. V _OC SC의 및 FF는 주로 재료의 고유 특성(예:밴드 갭), 활성층의 도핑 농도 및 장치 구성에 의해 결정됩니다. 따라서 RGB 디자인은 V보다는 흡수에 영향을 미칩니다. _OC 그리고 FF. 예상대로 컬러 SC는 색상 표시 목적으로 인해 효율성이 감소했습니다. 좀 더 구체적으로 살펴보면, 청색 SC의 최대 효율은 6.54%, 녹색은 5.58%, 적색은 4.88%입니다. 반사된 적색광은 태양 에너지가 가장 강하기 때문에 적색 셀이 가장 큰 효율 감소를 보입니다. 이것은 다기능 SC를 위한 합리적인 희생입니다.

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색상이 a인 색상 제어 a-Si:H SC의 흡수 및 EQE 스펙트럼 빨간색, b 녹색 및 c 푸른. d 설계된 a-Si:H SC의 IV 곡선. 여기서 RGB 디자인이 없는 원래 시스템은 참조용으로 포함됩니다. 삽입된 표에는 J가 표시됩니다. _SC , V _OC , FF 및 효과

에너지 변환 효율을 더 높이려면 더 복잡한 구조가 도입될 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 광학적으로, 예를 들어 (1) 빛 포착 효과(예:표면 질감이 있는 TCO)를 사용할 수 있습니다. (2) TCO 표면은 TiO₂로 덮일 수 있습니다. -ZnO 반사 방지 층(예:550 nm에서 양자 효율 개선 ~ 10%)[30]. 전기적으로, (1) triode plasma-enhanced chemical vapor deposition(PECVD) 기술은 빛에 의한 열화 효과를 억제하기 위해 사용될 수 있다[31]. (2) 우리의 광전자 시뮬레이션은 캐리어 재결합을 더욱 억제하고 전기 출력을 향상시키기 위해 캐리어 전송 동적 동작을 최적화할 수 있습니다[18]. 또한, 이 설계 원리는 다른 종류의 SC(예:Perovskite, 결정질 Si, 유기 및 하이브리드 SC)에도 적용할 수 있습니다[32]. 따라서 설계된 다채로운 SC의 에너지 변환 효율은 다양한 광자 또는 전기적 수단에 의해 증가될 수 있습니다.

다음으로, 패턴 디스플레이 및 미적 건축에서 a-Si:H SC의 적용을 시연합니다. 그림 4는 수주대학교의 디자인된 로고(왼쪽 위), 로고의 확대 부분(가운데 위), RGB 디자인에 대한 세부 구조 정보(오른쪽), 로고에 포함된 7가지 색상의 해당 RGB 값(가운데 아래)을 보여줍니다. ). (1) 기본 RGB 요소로 구성된 로고에는 7가지 색상 요소가 있습니다. (2) 4개의 원은 빨간색, 외부 링의 하단 어휘는 녹색, 외부 링의 상단 중국어 문자는 색상 제어 SC에서 직접 파란색입니다. (3) 배경은 동일한 RGB 기여로 구성된 회색의 보라색을 나타냅니다. 로고의 RGB 값은 빨강, 초록, 파랑의 세 가지 구성 요소를 나타냅니다. 예를 들어 빨간색의 경우 녹색과 파란색의 값이 작을수록 채도가 커집니다[33]. 따라서 적색과 청색의 채도는 녹색보다 높아 혼합색에서 G값보다 R과 B의 수가 많아 보라색이 된다[34]. (4) RGB 값이 최대값인 255에 비해 충분히 크지 않아 밝기와 회색이 낮아진다. 중심 한자는 마젠타색으로, 그림 4의 우측상단 확대도와 같이 동일한 적색과 청색으로 구성되어 있다. (5) 마젠타색의 색수차는 비율이 좋기 때문에 다른 혼합색에 비해 작다. RGB 구성 요소의. '수초'(UNIVERSITY)는 청록색(노란색)으로 초록과 파랑(빨강, 초록)으로 이루어져 있다. 둘 다 RGB 비례 불균형과 낮은 밝기의 문제가 있습니다. 더 개선할 여지가 있지만 패턴이 전체적으로 명확하고 구별 가능합니다.

<그림>

RGB a-Si:H SC로 구성된 픽셀이 있는 수주대학교 로고. 삽입된 그림은 미세한 픽셀 구성, RGB a-Si:H SC의 세부 구조, 세 가지 기본 색상이 혼합된 컬러 맵의 RGB 값을 보여줍니다.

나노 구조의 SC와 달리 실제 응용 분야에서 평면 구성의 제안된 RGB SC는 매우 성숙한 상업적 제조 공정에 의해 제조될 수 있습니다[35]. 하단에는 p-i-n 구조의 대표적인 a-Si:H 태양전지가 있다. 먼저, TCO가 코팅된 기판(유리 또는 플라스틱) 위에 n형 비정질 실리콘(na-Si:H) 층을 PECVD, 진성 비정질 실리콘(ia-Si:H) 및 p형 비정질 실리콘( pa-Si:H) 층에 대해서도 동일한 방법이 적용됩니다. 그런 다음 상단 전극은 일반적으로 스퍼터링에 의해 증착되는 TCO 층입니다[36]. 다음으로, 버퍼층은 완전한 a-Si:H SC 위에 증착되고 마그네트론 스퍼터링을 사용하여 DBR의 교대층이 뒤따릅니다[37]. 결국 RGB a-Si:H SC는 마그네트론 스퍼터링으로 상단 이중층 ARC를 증착하여 완성됩니다. 준비 과정에서 두께의 1~5% 변화가 가능합니다. 따라서 두께 변화의 영향을 조사하기 위해 각 레이어에 대해 두께의 무작위 변화(예:- 5%에서 5%까지)를 도입합니다. 시뮬레이션 결과에 따르면 색상 차이(ΔE) 범위는 빨간색의 경우 1.9~11.2, 녹색의 경우 1.3~15.7, 파란색의 경우 0.5~2.9입니다. 파란색 SC가 두께 변화의 영향에 대해 가장 좋은 허용 오차를 갖는다는 것은 분명합니다. 빨간색(녹색)의 색상 차이는 최대 11.2(15.7)이지만 평균 값은 약 4.3(8)입니다. 게다가, 우리는 SC의 Eff에서 각 레이어에 대한 두께의 변화(예:- 5% 및 5%)를 조사하고, 해당 Eff는 RGB SC에 대해 - 0.1%에서 0.4% 범위에서 작은 변화를 보여줍니다. 따라서 실험에서 SC의 효율성이 DBR과 ARC의 일반적인 두께 편차에 대해 강건하다고 볼 수 있습니다.

마지막으로 디자인된 색상에 대한 입사각의 영향을 조사합니다. 그림 5a는 입사각(θ)이 증가함에 따라 설계된 RGB 색상이 어떻게 진화하는지 보여줍니다. ). 분명히 파란색과 녹색 SC는 빨간색에서 색상이 변경된 빨간색(θ =0°)에서 녹색으로(θ)> 70°). 비교를 위해 그림 5b는 θ가 계속 증가하는 CIE 1931 색도 좌표에서 설계된 RGB 색상의 궤적을 보여줍니다. . CIE 다이어그램에 따르면 모든 색상의 채도는 θ가 증가함에 따라 감소합니다. , 특히 큰 θ 아래에서 =80°, 여기서 색상은 E 포인트(가장 낮은 채도 포인트)에 매우 가깝습니다. 그림 5c는 다양한 입사각에서 Soochow University의 로고를 보여줍니다. 타겟 로고는 7가지 표준 색상으로 구성되어 있으며, 각 색상은 가장 표준적인 색조, 채도, 명도를 가지고 있습니다. 표준 RGB는 표준 빨강, 녹색 및 파랑 색상과 그 조합에서 생성된 다른 색상으로 구성됩니다. 둘 다 비교 목적으로 사용됩니다. 큰 입사각에서도 로고를 읽을 수 있습니다. 그러나 입사각이 증가함에 따라 패턴 색상이 어느 정도 변경되었습니다. 이는 향후 추가 최적화의 여지를 남깁니다.

<그림>

아 입사각에 따라 설계된 a-Si:H SC가 보여주는 RGB 색상의 진화. ㄴ CIE 1931에서 RGB 위치의 변화는 입사각이 증가함에 따라 조정됩니다. ㄷ 다양한 입사각(0°, 30°, 45° 및 60°)에서 a-Si:H SC가 표시하는 로고 패턴. c에서 , 비교를 위해 대상 로고와 표준 RGB에 의한 로고가 포함되어 있습니다.

결론

요약하면, 우리는 새로운 유형의 BIPV를 고려하기 위해 발전 및 디스플레이 응용을 위한 박막 a-Si:H SC를 동시에 제안했습니다. 기본 RGB 디스플레이는 DBR에 의해 제어되며 색상 제어 a-Si:H SC의 시스템 성능은 ARC 및 버퍼 레이어를 적용하여 최적화됩니다. 고급 박막 광학 전략을 통해 a-Si:H SC는 sRGB에 필적하는 색 공간으로 고순도 빨강, 녹색 및 파랑 색상을 표시할 수 있습니다. 우리는 색상 제어 SC의 광전자 모델을 기반으로 한 전기적 성능을 추가로 조사하여 전력 변환 효율이 R, G 및 B 셀에 대해 각각 4.88%, 5.58% 및 6.54%가 될 수 있음을 보여줍니다. RGB 셀은 매우 큰 입사각에서도 쉽게 구별할 수 있는 수주대학교 로고를 성공적으로 표시할 수 있도록 설계되었습니다. 나노 구조의 SC와 비교하여 평면 구성의 제안된 a-Si:H SC는 매우 성숙한 상업적 제조 공정으로 제조할 수 있습니다. 컬러 디스플레이 원리 및 컬러 제어 SC의 전기적 평가 시스템과 같은 a-Si:H SC만 투자되지만 다른 종류의 SC에도 적용될 수 있습니다. 또한, 이러한 컬러 패널은 현대적인 건물의 벽이나 지붕에 적용하여 패턴을 표시하여 미적 건축을 만들 수 있습니다.

약어

A :

흡수

ARC:

반사 방지 코팅

BIPV:

건물 통합 태양광 발전

CAL:

색상 조정 레이어

CIE:

Commission Internationale de L'Eclairage

DBR:

분산 브래그 반사경

효과:

광변환 효율

EQE:

외부 양자 효율성

FF:

채우기 비율

F-P:

파브리 페로

J sc:

단락 전류 밀도

J -V :

전류-전압

NTSC:

전국 텔레비전 시스템 위원회

PECVD:

플라즈마 강화 화학 기상 증착

R :

반사율

RCWA:

엄격한 결합파 분석

RGB:

적-녹-파랑

SC:

태양 전지

sRGB:

표준 빨강-녹색-파랑

STCPC:

선택적으로 투명하고 전도성이 있는 광결정

TCO:

투명 전도성 산화물

V oc:

개방 회로 전압

PSA의 초고감도 전기화학적 감지를 위해 스크린 인쇄 전극에 직접 제작된 미세 유체 장치 원자층 증착에 의해 제조된 그래핀 에어로겔/ZnO 나노막 복합 양극의 사이클링 유도 용량 증가