(p-i-n) 접합 GaAs 나노와이어 태양 전지의 플라스몬 강화 광 흡수:FDTD 시뮬레이션 방법 연구

결과 및 토론

NW 형상의 최적 선택 또는 충전 직경 대 주기 비율(D /피 비율)은 태양 전지의 고효율 흡수를 가능하게 합니다. 따라서 우리는 D /피 p를 갖는 GaAs 나노와이어 어레이 태양전지에서 최상의 광흡수 특성을 달성하기 위한 광학 시뮬레이션에 의한 NW 비율 -나 -n 접합. 그림 2는 길이(L =1 µm) 및 직경(D =100nm), 165~500nm의 서로 다른 주기와 0.6~0.2의 종횡비. 그림 2에서 300~600nm 파장의 경우 NW D에 관계없이 모든 시뮬레이션에서 NW의 흡수 효율이 90% 이상으로 유지됨을 알 수 있습니다. /피 비율은 재료 박막의 비율보다 훨씬 높습니다. NW D의 경우 /피 비율이 0.2(실선)이면 순수한 GaAs NW의 해당 밴드갭보다 작은 광자 에너지에 대해 흡수의 급격한 감소가 발생합니다. 600nm 이상에서 밴드갭에 가까운 파장에서, 그림 2는 NW의 흡수가 D /피 비율. 최고의 흡수 스펙트럼은 D에서 얻어졌습니다. /피 비율 0.6(중공 원). D가 증가함에 따라 NW 주기성이 감소함에 따라 /피 비율, 그림 2는 낮은 NW D에 대한 밴드갭에 가까운 파장에서 NW의 광 트래핑 효과가 급격히 감소함을 보여줍니다. /피 비율. D /피 비율은 GaAs NW의 흡수에 중요한 역할을 합니다[34, 35]. FDTD 계산에 따르면 NW의 광 흡수는 NW 직경, 길이 및 더 큰 D와 같은 기하학적 매개변수에 민감합니다. /피 비율. 그러나 금속 NP와 결합하여 더 낮은 D를 갖는 NW의 흡수 /피 밴드갭 근처의 파장에서의 비율은 NW D가 높을 때보다 더 크게 향상됩니다. /피 비율. 이 관찰에 동기를 부여하여 우리는 더 작은 D에서 다양한 NP 크기가 통합된 GaAs NW 구조에 대한 광학 시뮬레이션을 수행했습니다. /피 비율은 각각 0.2와 0.3입니다. 전형적인 예로서, 그림 3은 D에서 GaAs NW에 대해 계산된 총 흡수 전력을 보여줍니다. /피 각각 30nm(채워진 점), 40nm(채워진 사각형), 50nm(채워진 삼각형) 및 60nm(중공 원)의 서로 다른 Au-NP 직경과 통합된 0.2의 비율. 비교를 위해 노출된 NW의 흡수도 표시됩니다(실선). 그림 3에서 Au NP가 도입되면 NW 내에서 NP 크기 종속 필드 향상이 잘 확립되었음을 추론할 수 있습니다. 이것은 아마도 플라즈몬이라고 하는 자유 전도 전자의 공명 결합으로 인해 NW 내에서 흡수가 향상되기 때문일 수 있습니다. 우리는 통합된 NP의 크기가 증가함에 따라 NW 흡수가 효과적으로 향상되며, 650nm에서 800nm의 밴드갭에 가까운 파장까지의 첨단 위의 빛 파장에서 가장 현저하게 향상된다는 것을 발견했습니다. NW 내에서 최고의 흡수는 60nm Au NP 직경이 통합될 때 달성됩니다. 반면에 300~400nm의 단파장에서 시뮬레이션은 전체 크기 범위의 Au NP를 통합한 후 거의 20~30%의 흡수 성능이 약간 떨어지는 것을 보여줍니다. 또한 통합된 Au NP의 플라즈몬 공명에 해당하는 파장(440~470nm의 파장)에서 흡수력의 급격한 감소가 발생합니다. 이것은 NP 내에 국한된 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR) 때문일 수 있습니다. 다음으로, NW의 광 흡수가 표면 플라즈몬에 의해 효과적으로 향상되는 800nm의 밴드갭에 가까운 파장에서 NW 내부의 전계 분포를 조사했습니다. 그림 4와 같이 Au NP로 NW를 장식하기 전과 후에 NW 구조 내부의 광 분포를 비교했습니다. 후자는 x의 2D 강도 분포의 평면도를 보여줍니다. –예 전기장에 대한 시뮬레이션 상단 모니터에서 얻은 GaAs NW의 단면 위의 평면 |E | (a) 및 총 흡수 전력 (b), 각각 직경이 30, 40, 50, 60 nm인 Au NP로 장식하기 전과 후에 800 nm의 파장에서. 색상 막대는 최대값으로 정규화된 필드 강도를 나타냅니다. 결과로부터 작은 NP 크기의 경우 갇힌 전기장은 저차 국부 표면 플라즈몬 모드에 속하는 반면 NP의 직경이 증가할수록 고차 모드가 여기됨을 알 수 있습니다. 그림 4에서 x -인접한 GaAs NW로의 방향은 통합된 Au NP의 크기가 증가할 때 쉽게 명백하고 가장 분명합니다. 대조적으로, y의 NP에서 필드 향상 및/또는 NW로의 광 결합 효과가 발견되지 -방향. NP의 집합적 진동은 NW로의 결합보다는 NP의 앞뒤 방향에 집중된 것으로 보입니다. D일 때 /피 NW 충전 비율이 0.3으로 증가하고(그림 5) 직경이 40nm(채워진 원), 50nm(채워진 삼각형) 및 60nm(중공 원)인 Au NP가 각각 통합되어 전체 흡수 효율 다른 통합 NP 크기에 대해 NW의 95% 이상으로 유지됩니다. 그림 3과 비교하여 440~470nm 범위에서 통합된 NP의 플라즈몬 공명에 해당하는 파장에서 흡수 효율의 약간의 감소가 관찰됩니다. 통합된 Au NP의 크기가 증가함에 따라 NW 흡수가 효과적으로 향상되며, GaAs 밴드갭 가장자리까지의 650nm 파장 사이에서 다시 가장 크게 향상됩니다. 또한 60nm Au NP 직경이 통합될 때 최고의 NW 흡수가 발견됩니다. 시뮬레이션 결과는 Fig. 3, 4 및 5는 NW 내에 Au NP를 통합하면 작은 D에서도 GaAs NW의 흡수가 크게 향상됨을 강력하게 시사합니다. /피 예상대로 베어 NW의 흡수가 낮은 비율. Au NP의 표면에서 발생한 LSPR은 정렬된 GaAs NW 내에서 강화된 로컬 필드의 주요 소스일 것입니다. LSPR은 NP 크기, 모양 및 주변 재료 특성에 크게 의존합니다[13]. 플라즈몬으로 강화된 NW 흡수를 더 자세히 설명하기 위해 직경 60nm의 단일 NP로 장식할 때 GaAs NW 필드 향상을 조사했는데, 결과가 가장 좋은 것으로 나타났습니다. NW 주기를 0.2로 설정하고 450, 600, 800nm의 세 가지 일반적인 광 파장을 선택했습니다. 이러한 광 파장에서 NP 장식은 아마도 NW 흡수에 영향을 미칠 것입니다. 우리는 그림 6a-h와 같이 NP로 장식 전후의 NW 구조 내의 광 분포를 비교했습니다. 그림 6a는 FDTD로 계산된 Bare GaAs NW에 대한 450nm 파장에서 2D 전계 강도의 측면도를 보여줍니다. 보시다시피, 그림 6a의 노출된 NW의 광 분포는 NW의 상단, 중간 및 하단에서 좋은 흡수 프로파일을 보여줍니다. 반면에 그림 6b의 Au가 포함된 GaAs NW의 시뮬레이션은 NW 흡수에 약간의 영향을 줍니다. 즉, NW의 전체 길이를 따라 입사광이 거의 흡수되지 않습니다. 약한 E -NW 내의 필드 분포는 광 흡수가 불량함을 나타냅니다. 또한 라이트 필드는 NW 내부보다 Au NP 주변에 집중되어 있습니다. 이것은 아마도 근거리 장에서 여기된 LSPR의 더 낮은 흡광 계수 때문일 것입니다[15]. 그림 6c는 600nm 파장에서 순수한 GaAs의 광 분포를 보여줍니다. 그림은 대부분의 입사광이 GaAs NW의 상반부에서 흡수됨을 보여줍니다. Au NP로 장식한 후 그림 6d는 그림 6b에 비해 개선된 흡수 프로파일을 보여줍니다. E-장의 작은 부분은 NW의 전체 길이를 따라 더 높은 강도로 균일하게 분포되며 NW의 상단에 집중하는 경향이 있습니다. 또한, 그림 6d는 여기 전달이 NP 내에서 지배적임을 보여줍니다. 800nm ​​파장에서 노출된 NW의 흡수는 그림 6e와 같이 전체 NW의 상단, 중간 및 하단에 균일한 필드 분포를 보여줍니다. 반면에, NW 흡수는 Au-NP로 장식된 후에 크게 향상되고 GaAs NW 내의 흡수된 필드 강도는 NW의 상단에서 하단까지 거의 변하지 않고 유지됩니다(그림 6f). 또한 NP 주변에 집중된 필드를 쉽게 볼 수 있습니다. 그림 6g 및 h는 각각 그림 6e 및 f에 표시된 것처럼 800nm에서 GaAs NW 내의 2D E-필드 분포의 평면도를 보여줍니다. 우리의 연구가 발표된 문헌 결과와 비교하여 GaAs NW를 Au NP로 장식하는 데만 초점을 맞춘다는 점을 감안할 때, 우리의 연구 결과는 금속 NP가 더 낮은 D에서도 GaAs NW의 흡수율을 향상시킨다는 것을 나타냅니다. /피 비율, 즉 0.2. 우리 결과의 발전은 더 높은 파장, 즉 600 및 800nm에서 NW의 흡수를 더욱 향상시킬 가능성이 있다는 것입니다.

D가 다른 GaAs NW의 총 흡수 성능 /피 Au 금속 나노입자가 포함되지 않은 비율

D가 있는 GaAs NW의 총 흡수 효율 /피 비율 0.2(a ) 베어 NW와 비교하여 직경 30~60nm의 다양한 Au NP 크기로 통합

2D 배광의 평면도. 아 계산된 흡수 전력; ㄴ 30, 40, 50, 60nm 직경의 Au NP를 통합한 후의 GaAs 나노와이어는 800nm의 광 파장에서 FDTD로 계산하여 순수한 GaAs NW와 비교했습니다.

D가 있는 GaAs NW의 총 흡수 효율 /피 베어 NW와 비교하여 직경이 40~60nm인 다양한 Au NP 크기가 포함된 0.3의 비율

a 파장에서 베어 GaAs 나노와이어에 대한 2D 광 분포의 측면도 450, c 600 및 e 60 Au NP로 장식된 GaAs NW와 비교하여 800 nm(b ), (d ) 및 (f ). 그림 g 그리고 h 그림에서 평면도 표시(e ) 및 (f ), 각각

분석 세트를 완료하기 위해 GaAs NW 내의 총 흡수 전력은 450, 600 및 800nm의 세 가지 절단 광 파장에서 60nm Au NP 직경을 장식한 후 계산됩니다(그림 7a-f). 다시 말하지만, 이 세 가지 광 파장에서 베어 NW에 대한 총 흡수 전력은 비교를 위해 포함됩니다. 그림 7a-f에서 Au NP 장식 후 NW 내에서, 특히 600 및 800nm의 더 높은 파장에서 순수한 GaAs NW와 비교하여 흡수 전력이 증가했다는 결론을 내릴 수 있습니다. 최고의 흡수 전력은 800nm ​​파장에서 GaAs-Au 장식된 NW에서 발견됩니다(그림 7f). 후자의 경우 흡수 전력 분포는 GaAs NW의 상반부에서 크게 증가하며 이는 그림 3의 이전 결과와 일치합니다. 그림 7g, h는 2D E -각각 그림 7e, f에 표시된 대로 800nm에서 GaAs NW 내의 필드 분포. 이러한 시뮬레이션 결과는 Au NP 주변의 LSPR 여기로 인한 광 농도가 GaAs NW에서 향상된 국부 광전류로 이어져 입사광에 대한 효과적인 나노 규모 에너지 전달 안테나 역할을 할 수 있음을 나타냅니다. 나노와이어의 흡수 효율에 대한 추가 통찰력을 얻기 위해 60nm Au NP로 장식하기 전후에 GaAs NW의 소광 단면 데이터(흡수 + 산란)를 계산했습니다. 그림 8a, b는 수직 조명 하에서 베어 GaAs 나노와이어(a)와 Au 장식 나노와이어(b)의 광학 소광 단면을 보여줍니다. 그림 8a는 약 400nm의 파장에서 베어 NW의 최대 흡수를 나타냅니다. 후자는 GaAs NW가 EM 스펙트럼의 UV 영역에서 좋은 흡수제라는 것을 아주 잘 설명합니다. 또한 그림 8a의 소광 계수는 NW 흡수에 의해 지배되는 반면 광산란은 최소화됩니다. 그림 8b는 직경 60nm의 Au NP로 장식된 GaAs NW의 시뮬레이션된 광 소멸 단면을 보여줍니다. 알 수 있는 바와 같이, GaAs NW의 광포집 능력은 다음과 같이 2개의 흡수 피크를 나타낸다:(1) 근적외선 영역에서; NW 흡수는 650nm 파장에서 ~ 8%를 차지합니다. 이들은 아마도 북서부 주변의 측벽에 국한된 LSPR일 것입니다. (2) 원거리장에서 NW 흡수는 ~ 800 nm 파장에서 ~ 35%를 차지하면서 더 높은 광학 소광 계수를 유지합니다. Fig. 8a, b를 비교하면 광학 단면적이 효과적으로 증가함을 유추할 수 있다. 광학 단면의 크기 증가는 쉽게 알 수 있습니다. 다음으로, NP로 장식하기 전후에 우리 태양전지 구조의 광 발생 및 광변환 효율을 조사한다. 그림 9a는 AM 1.5G 조명에서 Au NP(검은색 선) 장식이 있거나 없는(빨간색 선) NW 태양 전지 구조의 효율성을 보여줍니다. 우리는 Au NP로 장식한 결과 증가된 광전류를 분명히 관찰할 수 있습니다. 개방 회로 전압(V _oc ) 0.878(베어 NW의 경우)에서 0.899(데코레이팅된 NW의 경우)로 약간 증가합니다. 또한 단락 전류 밀도(J _sc ) 18.9(베어 NW의 경우)에서 24.3mA/cm ² 로 크게 증가합니다. (장식된 NW의 경우). 그림 9b는 D가 증가함에 따라 증가하는 광변환 효율을 보여줍니다. /피 비율(최대 0.6). 그림은 D가 증가함에 따라 광변환 효율이 증가함을 보여줍니다. /피 광변환 효율의 안정성이 달성되는 0.5와 0.6 사이의 값까지 비율. 이는 D /피 비율이 충분히 큽니다. 또한 높은 D에서 반사가 증가합니다. /피 흡수율을 감소시키는 비율입니다. 그림에서 D /피 비율은 0.4입니다. 광변환 효율은 많은 요인에 의해 영향을 받는 것처럼 보이기 때문에 광전류 밀도의 개선은 NW 구조 내에 Au NP의 통합으로 인한 것으로 우리 결과에서 생각할 수 있습니다. 후자는 낮은 D에서 빛 트래핑을 개선하는 방법을 제공합니다. /피 GaAs NW 재료의 비율. LSPR과 나노와이어 어레이를 결합한 우리의 연구는 둘 다 빛 트래핑에 명백한 영향을 미치며, 태양열 효율을 개선하기 위한 추가 연구에 대한 통찰력을 제공하고 추가로 최적화하면 태양 전지 비용을 절감할 수 있습니다.

<그림>

파장 a에서 순수한 GaAs의 2D 흡수 전력 분포의 측면도 450, c 600 및 800nm ​​e NPS로 장식된 GaAs NW(b ), (d ) 및 (f ). 이미지 g 그리고 h 이미지에서 평면도 표시(e ) 및 (f ), 각각

<그림>

순수한 GaAs NW a에 대한 흡수, 산란 및 소멸 단면(흡수 + 산란) 수직 조명 아래 b 각각 60 Au NP(최대 26 NP)로 장식된 NW의 경우

<그림>

아 나의 비교 –V 베어 NW와 60nm Au NP가 있는 NW 사이의 특성; ㄴ D가 다른 NW의 광변환 효율 /피 60nm Au 나노 입자로 장식

광 흡수에 이어, 우리는 (1) 입사 광자의 산란, (2) 전하 캐리어 이동, (3) 근거리 향상을 사용하여 NW 내에서 플라즈몬 향상의 세 가지 가능한 메커니즘을 제시했습니다. 메커니즘 (1)을 고려할 때 직경 60nm의 NP는 빛을 효율적으로 산란시키기에 충분히 큰 부피를 가지고 있습니다. 산란광의 세기가 입경의 6승에 따라 달라지기 때문이다[39]. 이와 관련하여 플라즈몬 나노입자는 흡수 및 재방출 메커니즘을 통해 순방향 및 역방향으로 입사 광자에 대한 나노 반사체 역할을 합니다[40]. 후자는 평균 광자 경로가 길어져 입사 광자의 트래핑 속도가 증가합니다. 메커니즘 (2)의 경우, 플라즈몬 반도체-NW 조합에서 계면에 국한된 쇼트키 장벽은 NP에서 NW로 또는 그 반대로 전자의 이동을 차단합니다. 그러나 금속 NP의 LSPR 여기 시 뜨거운 전자의 흡수 에너지가 충분하다면 전자는 장벽을 극복하고 NW의 전도대로 주입될 수 있습니다. 이 그림에서 메커니즘 (2)는 수직으로 정렬된 GaAs 나노와이어 내에서 광 흡수의 플라즈몬 향상에 기여합니다. 또한 입사광은 LSPR과 밴드갭 에너지의 동시 중첩과 함께 적절한 스펙트럼 범위에서 흡수되어 반도체의 밴드갭 여기를 실질적으로 유발할 수 있습니다. 이러한 관점에서 메커니즘(3)에서 전기장에 노출된 NW 반도체에서 향상된 전자-정공 생성 속도를 얻을 수 있습니다. 더욱이, 반도체 NW와 접촉하는 Au NP의 고정화는 종종 전자-정공 쌍 생성에서 전하 분리를 촉진할 수 있는데, 그 이유는 플라즈몬 NP의 페르미 준위가 반도체의 전도대 가장자리의 페르미 준위보다 훨씬 낮기 때문이다 . 핫 캐리어 주입의 메커니즘은 금속 NP와 NW가 궁극적으로 접촉해야 하기 때문에 반도체의 캐리어 생성은 전기적 절연 상태에서도 금속의 LSPR에 의해 향상되는 것으로 밝혀졌습니다[42,43,44 ,45,46,47,48,49,50]. NP 근처에서 강한 전기장이 관찰됩니다. 그 강도는 입사 원거리 필드의 강도보다 수십 배 더 큽니다[41]. 후자는 FDTD(finite-difference time-domain) 방법을 사용한 광학 시뮬레이션 연구에서 생생하게 입증되었습니다[51].

결론

요약하면, Au 나노입자로 장식된 GaAs 나노와이어 어레이를 기반으로 하는 새로운 플라즈몬 강화 태양전지 구조가 제시됩니다. GaAs NW 흡수의 결과는 NW 직경(D =100nm), (L =1 μm) 및 (D /피 =0.2–0.6). 우리의 계산에 따르면 GaAs NW에 대한 최고의 흡수 전력은 박막보다 훨씬 높은 60nm Au 나노 입자로 장식될 때 ~ 800nm ​​파장에서 ~ 35%를 차지합니다. 더욱이, GaAs 나노와이어에서 시뮬레이션된 광 생성은 여기 전달에 의해 지배되는 나노와이어의 상반부에 집중되어 있다. Au 나노입자의 표면에서 발생하는 LSPR은 정렬된 GaAs 나노와이어 내에서 강화된 국부장의 주요 소스인 것으로 여겨진다. 집광된 입사광은 나노와이어 내부의 전자-정공 쌍 생성률을 증가시켜 태양전지의 전반적인 효율을 향상시킨다. 이 구조는 GaAs 나노와이어가 EM 스펙트럼의 UV 영역에서 좋은 흡수제라는 것을 아주 잘 설명합니다. LSPR과 나노와이어 어레이를 결합한 우리의 연구는 태양 전지 비용을 줄이기 위한 추가 연구를 위한 흥미로운 도구를 제공합니다.

평면 나노홀 슬래브를 사용하여 연속체의 이중 결합 상태에 의해 유도된 고품질 요소 이중 대역 Fano 공명 대장균에 대한 산화구리 나노입자의 생물학적 합성, 특성화 및 항균 가능성 평가