나노물질
산업 제조
AlGaAs/GaAs 이종접합을 도입하여 GaAs 나노와이어 핀 접합 어레이 태양전지의 성능을 최적화했습니다. AlGaAs는 축방향 접합을 위한 p형 상단 세그먼트와 방사형 접합을 위한 p형 외부 쉘에 사용됩니다. AlGaAs는 GaAs 나노와이어의 패시베이션 층 역할을 할 뿐만 아니라 활성 영역에서 광 발생을 제한하여 많이 도핑된 영역의 재결합 손실과 상단 접촉부의 소수 캐리어 재결합을 줄입니다. 결과는 GaAs 대신에 AlGaAs를 p 세그먼트에 사용함으로써 GaAs 나노와이어의 변환 효율을 크게 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. 이 연구에서 8.42%의 최대 효율 향상이 달성되었습니다. 그리고 축형 나노와이어의 경우 상단 p 세그먼트에 AlGaAs를 사용함으로써 소자 성능 저하 없이 비교적 긴 상단 세그먼트를 사용할 수 있어 나노와이어 어레이 태양 전지의 제조 및 접촉을 용이하게 할 수 있습니다. 방사형 나노와이어의 경우 AlGaAs/GaAs 나노와이어가 p-쉘 두께와 표면 상태에 대해 더 나은 내성을 보입니다.
<섹션 데이터-제목="배경">GaAs 나노와이어(NW)는 고효율 태양 전지를 위한 잠재적 빌딩 블록으로 간주되어 왔습니다[1,2,3]. 1.43 eV의 밴드갭을 가진 GaAs는 태양전지의 효율을 극대화하기 위해 Si보다 유리하다[4]. 축방향 pn 접합이 있는 GaAs NW 어레이에 의해 15.3%의 효율이 달성되었습니다[5]. 그러나 GaAs NW 태양전지는 항상 심각한 표면 재결합을 겪는다는 사실 때문에 만족스러운 성능을 얻기 위해서는 표면 패시베이션이 필요하다[6, 7]. GaAs NW 패시베이션을 위한 일반적인 방법은 NW 주위에 AlGaAs 쉘을 형성하는 것인데, 이는 구조 전체에 걸쳐 전자와 정공 모두에 대한 큰 장벽을 생성하여 소수 캐리어가 표면에서 재결합되는 것을 방지합니다[5, 8, 9].
표면 패시베이션을 제외하고 활성 영역의 광 흡수를 높이는 것도 전자-정공 분리를 촉진하는 변환 효율을 향상시키는 효과적인 방법입니다. pn 접합이 있는 NW 태양 전지의 경우 가장 많은 캐리어가 생성되는 위치 근처에 접합을 배치하여 최적화된 효율을 달성할 수 있는 반면[10,11,12], 핀 접합 태양 전지의 경우 더 많은 캐리어가 생성되면 더 높은 효율을 달성할 수 있습니다. 진성 영역에서 생성될 수 있습니다[13,14,15,16,17]. 또한, 접촉부 근처 영역에서 광 발생을 억제함으로써 접촉부로 확산되는 광 생성된 소수 캐리어의 수를 감소시킬 수 있습니다[14, 17]. 접합 위치 또는 길이 조정[13, 14], 기울어진 NW 사용[15], 활성 영역을 금속 입자로 장식[16], 높은 밴드갭 재료[17]. GaAs NW 태양 전지의 경우 AlGaAs 쉘을 패시베이션 층으로 사용하는 것으로 널리 보고되었습니다. 그러나 활성 영역에서 광 생성 캐리어를 가두는 AlGaAs/GaAs 이종 구조의 능력은 그다지 주목받지 못했습니다.
이 논문에서는 AlGaAs/GaAs 이종접합을 사용하여 GaAs NW 핀 접합 어레이 태양전지의 성능을 최적화했습니다. 축 및 방사형 접합이 모두 조사되었습니다. AlGaAs/GaAs 핀 이종 접합 구조에서 AlGaAs는 축 접합을 위한 p형 상단 세그먼트와 방사형 접합을 위한 p형 외부 쉘에 사용됩니다. AlGaAs의 상대적으로 낮은 흡수 계수로 인해 p-영역에서 더 적은 수의 광캐리어가 생성됩니다. 결과적으로 더 많은 포토캐리어가 i-영역에 집중됩니다. 따라서, 높은 도핑 농도에 의한 재결합 손실을 억제할 수 있다. 더욱이, 높은 밴드갭 AlGaAs 층은 소수 캐리어 재결합을 감소시키기 위해 NW 표면 또는 접점에서 소수 캐리어를 효과적으로 편향시킬 수 있습니다.
AlGaAs/GaAs 핀 이종접합 NW 어레이 태양 전지는 결합된 3차원(3-D) 광전자 시뮬레이션에 의해 조사되었으며 성능은 동일한 기하학적 구조를 가진 GaAs NW 어레이와 비교되었습니다. 결과는 GaAs 대신에 p 세그먼트에 AlGaAs를 사용함으로써 상부 p 세그먼트가 긴 경우에도 축 접합 태양 전지의 효율을 향상시킬 수 있는 반면 방사형 접합 태양 전지의 경우 효율을 비교적 높은 값으로 유지할 수 있음을 보여줍니다. 매우 높은 표면 재결합 속도(SRV)로.
GaAs 나노와이어 핀 접합 어레이 태양 전지 및 AlGaAs/GaAs 이종 접합 대응물의 개략도가 그림 1에 나와 있습니다. 각 태양 전지는 주기적인 NW 어레이를 포함하며 그 중 하나의 NW만 표시됩니다. AlGaAs/GaAs 이종접합을 제작하려면 Al0.8 Ga0.2 액시얼 핀 접합용 상단 p형 세그먼트와 방사형 핀 접합용 외부 p형 쉘에 사용됩니다. NW의 다른 영역은 GaAs로 구성됩니다. p 및 n 영역의 도핑 농도는 모두 10 18 입니다. cm − 3 . NW 직경과 길이는 180nm 및 1.2μm이고 어레이 주기는 360nm입니다. 이러한 기하학적 매개변수는 [18]에 따라 선택되며, 여기서 GaAs NW 어레이의 광 흡수는 D/P 비율과 NW 직경을 조정하여 최적화되었습니다.
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아 GaAs 나노와이어 축 핀 접합 태양 전지와 AlGaAs/GaAs 이종 접합 태양 전지의 개략도. ㄴ GaAs 나노와이어 방사형 핀 접합 태양 전지 및 AlGaAs/GaAs 이종 접합 대응물의 개략도
광학 계산의 경우 소프트웨어 패키지 FDTD 솔루션(Lumerical, Inc.)을 사용하여 NW의 흡수 프로파일을 계산합니다. 주기적인 경계 조건을 배치하면 단일 NW를 사용하여 주기적인 배열 구조를 모델링하는 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다. GaAs와 Al의 복합 굴절률0.8 Ga0.2 시뮬레이션에 사용된 것과 같이 [19]에서 가져왔습니다. 각 격자점에서 흡수된 광자의 수는 흡수된 각 광자가 하나의 전자-정공 쌍을 생성한다고 가정하고 Poynting 벡터 S에서 계산됩니다.
$$ {G}_{ph}=\frac{\left|\overrightarrow{\nabla}\cdot \overrightarrow{S}\right|}{2\mathrm{\hslash}\omega }=\frac{\varepsilon ^{{\prime\prime} }{\left|\overrightarrow{E}\right|}^2}{2\mathrm{\hslash}} $$ (1)여기서 ℏ는 축소된 플랑크 상수, ω 입사광의 각주파수, E 는 각 그리드 포인트에서의 전기장 강도이고, ε ″는 유전율의 허수부입니다. 전기 시뮬레이션에 사용되는 광 발생 속도 프로파일을 얻으려면 G ph AM 1.5G 태양 스펙트럼에 의해 가중치가 부여되고 시뮬레이션 스펙트럼에 통합됩니다.
전기 모델링의 경우, 광 생성 프로파일은 Synopsys Sentaurus를 사용하여 NW의 유한 요소 메쉬에 통합되며, 이는 자체적으로 Poisson 방정식과 결합된 캐리어 연속성 방정식을 해결합니다. 도핑 종속 이동성, 복사, Auger 및 SRH(Shockley-Reed-Hall) 재결합은 장치 전기 시뮬레이션에서 고려됩니다. AlGaAs와 GaAs 사이의 이종 접합은 열이온 방출 모델을 사용하여 모델링됩니다[20]. 전자 및 정공 전류(J n 및 J p ) 이종 구조 전반에 걸쳐 다음과 같이 설명할 수 있습니다.
$$ {J}_n={a}_nq\left[{v}_{n,2}{n}_2-\frac{m_{n,2}}{m_{n,1}}{v}_ {n,1}{n}_1\exp \left(-\frac{\varDelta {E}_c}{k_BT}\right)\right] $$ (2) $$ {J}_p=-{a} _pq\left[{v}_{p,2}{p}_2-\frac{m_{p,2}}{m_{p,1}}{v}_{p,1}{p}_1\ exp \left(-\frac{\varDelta {E}_v}{k_BT}\right)\right] $$ (3)여기서 a n (아 p )는 열이온 전류 계수, q 기본 요금은 v입니다. n (v p )는 전자(정공)의 방출 속도이며 다음과 같이 표현할 수 있습니다.
$$ {v}_n=\sqrt{k_BT/2\pi {m}_n} $$ (4) $$ {v}_p=\sqrt{k_BT/2\pi {m}_p} $$ (5)그리고 n (p )는 전자(정공) 밀도이고 mn (mp )은 전자(정공)의 유효 질량입니다. ㅋ 나 는 볼츠만 상수이고 T 는 시뮬레이션에서 실온으로 설정된 온도입니다. 아래 첨자 1과 2는 각각 더 낮은 전도대와 더 높은 전도대 가장자리를 가진 물질을 나타냅니다. ΔE ㄷ 및 ΔE v GaAs/AlGaAs 인터페이스에서 전도성 및 가전자대 오프셋입니다. 우리는 AlGaAs와 GaAs 사이의 인터페이스가 추가적인 재조합 센터 없이 완벽하다고 가정합니다. 이것은 일반적으로 GaAs에서 AlGaAs의 격자 일치 에피택시에 대해 유효합니다[21]. 표면 재결합은 공기와 NW 사이의 인터페이스에 대해서만 고려됩니다. 소자 시뮬레이션에 사용된 매개변수는 표 1에 나열되어 있습니다. AlGaAs와 GaAs의 Auger 계수, 복사 재결합 계수 및 SRH 재결합 수명은 동일하게 설정됩니다[11, 12].
AlGaAs/GaAs 이종 접합 NW 및 GaAs NW의 흡수 특성은 그림 2에 나와 있습니다. 축 접합 NW의 경우 상단 p 영역과 하단 n 영역의 길이는 각각 150 nm와 200 nm입니다. 방사형 접합 NW의 경우 p형 쉘의 두께는 20nm이고 내부 n 영역의 반경은 20nm입니다. AlGaAs/GaAs 및 GaAs NW의 흡수 스펙트럼은 AlGaAs/GaAs 방사형 이종 접합 NW의 흡수가 GaAs 밴드갭 근처의 파장에서 떨어지는 것을 제외하고는 거의 동일합니다. 900 nm 부근의 파장에서 NW에서 전파된 빛은 측면 근처에 집중되는 반면 AlGaAs/GaAs 방사형 이종 접합 NW의 경우 AlGaAs 쉘에서 전파된 빛을 효과적으로 흡수할 수 없습니다. 그림 2b–d는 생성 프로파일의 단면을 보여줍니다. AlGaAs의 더 낮은 흡수 능력으로 인해 AlGaAs 영역에서 소량의 캐리어만 생성됩니다. 따라서 많이 도핑된 AlGaAs 영역에서 재조합 손실은 그다지 심각하지 않을 것으로 예상됩니다. 축 접합이 있는 AlGaAs/GaAs NW의 경우 대부분의 광 발생은 AlGaAs/GaAs 인터페이스에 집중됩니다. 방사형 접합이 있는 AlGaAs/GaAs NW의 경우 대부분의 포토캐리어는 GaAs 코어에 국한되어 NW 표면에서 차단됩니다. 따라서 표면 재결합 손실이 억제될 것으로 예상됩니다. 우리의 이전 연구[15]에 따르면 핀 접합이 있는 NW 태양 전지의 경우 i-영역의 광 생성 캐리어가 대부분의 효율성을 설명합니다. 따라서 우리는 i-영역에서 광 흡수를 추출하고 해당 흡수 스펙트럼을 계산합니다. 축 방향 및 방사형 NW의 경우 p형 AlGaAs 영역의 비효율적인 흡수 덕분에 AlGaAs/GaAs 이종 접합 NW에서 더 높은 i-영역 흡수를 얻을 수 있습니다.
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아 GaAs 나노와이어와 그 AlGaAs/GaAs의 흡수 스펙트럼은 축 및 방사형 이종 구조를 가지고 있습니다. b에 있는 광 발생 프로파일의 수직 단면 AlGaAs/GaAs 축 이종구조 나노와이어, c AlGaAs/GaAs 방사형 헤테로구조 나노와이어 및 d GaAs 나노와이어. 이 GaAs 나노와이어 축 핀 접합 태양 전지 및 해당 AlGaAs/GaAs 대응물에서 고유 영역의 흡수 스펙트럼. 에 GaAs 나노와이어 방사형 핀 접합 태양 전지 및 해당 AlGaAs/GaAs 대응물에서 고유 영역의 흡수 스펙트럼
광 생성 프로파일은 AlGaAs/GaAs 이종 접합에 의해 유도된 장치 변환 효율의 잠재적인 증가를 조사하기 위해 전기 도구에 통합되었습니다. 고려되는 장치의 전류-전압 특성은 그림 3에 계산 및 표시됩니다. 2개의 일반적인 SRV, 10 3 및 10 7 cm/s는 적절한 패시베이션이 있거나 없는 NW 표면에 해당하는 계산 중에 고려됩니다[6, 8, 9]. 낮은 표면 재결합을 갖는 축 핀 접합 NW의 경우 p 상단 세그먼트에 GaAs 대신 AlGaAs를 사용하면 변환 효율이 11.6%에서 14.5%로 증가합니다. 효율성 향상은 대부분 18.9에서 23.3mA/cm2로 증가하는 광전류에 기인합니다. 2 제로 바이어스에서. 방사형 NW에서도 유사한 현상이 관찰됩니다. 효율은 AlGaAs/GaAs 이종 접합을 사용하여 10.8%에서 11.3%로 증가하고 단락 전류는 22.6mA/cm2에서 23.8mA/cm2로 증가합니다. 2 . 높은 SRV에서 축 방향 NW의 성능은 i-영역의 노출된 표면으로 인해 AlGaAs/GaAs NW 및 GaAs NW 모두에 대해 극적으로 손상됩니다. 그러나 10 7 의 높은 SRV에서도 AlGaAs/GaAs NW에는 단락 전류 향상이 여전히 존재합니다. cm/s는 상단 p-영역과 상단 접점에서 억제된 재조합에서 비롯됩니다. AlGaAs/GaAs 방사형 NW의 경우 효율은 AlGaAs 쉘 덕분에 표면 재결합에 의해 약간만 영향을 받습니다. GaAs 방사형 NW의 경우 효율성은 10.8%에서 8.05%로 감소하고 SRV는 10 3 에서 증가합니다. ~ 10 7 cm/s, 단락 전류는 22.6에서 17.1mA/cm 2 로 감소합니다. .
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GaAs 및 AlGaAs/GaAs 나노와이어 a의 전류-전압 특성 축 및 b 표면 재결합 속도가 10 3 인 방사형 핀 접합 태양 전지 및 10 7 cm/s
고농도로 도핑된 영역의 부피는 특히 강한 광 발생이 발생할 수 있는 영역에서 변환 효율에 큰 영향을 미치는 것으로 보고되었습니다. 이 작업에서는 다양한 p-영역 볼륨을 갖는 NW의 성능을 조사합니다. 도 4a에서, 상이한 p-영역 길이를 갖는 축방향 AlGaAs/GaAs 접합 NW의 광 생성 프로파일이 플롯팅된다. p-영역 길이가 50~200nm로 다양함에 따라 광 발생 핫스팟은 NW의 바닥으로 이동하고 대부분의 광 발생 캐리어는 AlGaAs 영역 아래에 제한됩니다. 해당 변환 효율도 계산됩니다. 결과는 낮은 SRV에서 전체 흡수가 AlGaAs 부피가 증가함에 따라 감소하는 경향이 있지만 p-영역 길이의 증가가 AlGaAs/GaAs NW의 변환 효율에 명백한 영향을 미치지 않는다는 것을 보여줍니다. 게다가, 더 긴 AlGaAs 영역은 대부분의 광캐리어를 상단 접촉부에서 더 멀리 유지하고 더 적은 수의 소수 캐리어가 접촉부에서 재결합될 수 있습니다. 그러나 GaAs NW의 경우 상단 p-영역에서 생성된 광반송파의 수가 증가하기 때문에 p-영역 길이가 증가함에 따라 변환 효율이 선형적으로 감소합니다. 높은 SRV의 경우 AlGaAs/GaAs NW의 변환 효율은 p-영역 길이에 따라 더욱 증가하는데, 이는 AlGaAs의 광 발생이 NW의 중심에 집중되고 표면에서 멀어져 더 낮은 표면 재결합을 초래하기 때문입니다. GaAs 지역에 비해. 위의 논의에서 우리는 GaAs 대신 상부 p-영역에 AlGaAs를 사용하면 장치 성능을 저하시키지 않고 비교적 긴 상부 영역을 사용할 수 있다는 결론을 내릴 수 있습니다. 그리고 축 접합이 있는 NW의 경우 긴 상단 영역이 NW 어레이 태양 전지의 제조 및 접촉을 용이하게 할 수 있습니다.
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아 p가 다른 AlGaAs/GaAs 나노와이어 축 핀 이종접합 태양전지의 광 발생 프로파일의 수직 단면 -영역 길이. ㄴ p-영역 길이에 따른 GaAs 및 AlGaAs/GaAs 나노와이어 축 태양전지의 변환 효율
다른 p-쉘 두께를 가진 방사형 NW의 성능도 계산되었습니다. 그림 5a는 AlGaAs/GaAs 방사형 NW의 광 생성 프로파일을 보여줍니다. 축 방향 NW에서와 유사하게 대부분의 포토캐리어는 GaAs에서 생성됩니다. AlGaAs/GaAs 및 GaAs NW의 변환 효율은 p-쉘 두께가 증가함에 따라 감소합니다. 10 3 의 낮은 SRV의 경우 cm/s, 표면 재결합 효과는 거의 무시할 수 있습니다. 따라서 효율 저하는 주로 p-쉘에서 생성되는 광 캐리어의 수가 증가함에 따라 발생합니다. 그러나 AlGaAs/GaAs NW는 대부분의 광학 발생이 내부 GaAs 영역에 국한될 수 있기 때문에 p-쉘 두께에 대해 더 나은 내성을 보여줍니다. SRV가 10 3 에서 증가함에 따라 ~ 10 7 cm/s에서 AlGaAs/GaAs NW의 변환 효율은 광캐리어가 표면에서 AlGaAs 껍질에 의해 보호되기 때문에 약간만 감소합니다. 그리고 AlGaAs 쉘이 더 두꺼운 NW의 경우 표면에 도달하고 재결합할 수 있는 캐리어가 적기 때문에 장치 성능이 덜 저하됩니다. 반대로, GaAs NW의 성능은 특히 두꺼운 p-쉘의 경우 높은 표면 재결합에 의해 심각하게 손상됩니다. GaAs 방사형 NW의 경우 p-쉘에서 생성된 광 캐리어가 표면에서 쉽게 재결합될 수 있기 때문입니다. 30nm의 p-shell 두께에서 GaAs NW의 변환 효율은 1.98%에 불과한 반면 해당 AlGaAs/GaAs NW는 GaAs NW보다 8.42% 높은 10.4%의 효율을 나타냅니다.
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아 p가 다른 AlGaAs/GaAs 나노와이어 방사형 핀 이종접합 태양전지의 광 발생 프로파일의 수직 단면 -쉘 두께. ㄴ p-쉘 두께에 따른 GaAs 및 AlGaAs/GaAs 나노와이어 방사형 태양전지의 변환 효율
이 작업에서 우리는 AlGaAs/GaAs 및 GaAs NW 핀 이종접합 어레이 태양전지의 성능을 조사하기 위해 결합된 3차원 광전자 시뮬레이션을 사용합니다. GaAs NW와 비교할 때 AlGaAs/GaAs NW는 활성 영역에서 대부분의 광학 발생을 제한할 수 있으며, 재결합 손실을 줄이면 많이 도핑된 영역에 존재하고 소수 캐리어에 대한 장벽을 형성하여 표면 또는 접촉 재결합으로부터 보호합니다. AlGaAs/GaAs 축 NW의 경우 GaAs 대신 상부 p-영역에 AlGaAs를 사용함으로써 소자 성능을 저하시키지 않고 상대적으로 긴 상부 영역을 허용할 수 있어 NW 태양 전지의 제조 및 접촉을 용이하게 할 수 있습니다. 그리고 방사형 NW의 경우 AlGaAs/GaAs NW의 효율은 매우 높은 표면 재결합으로 비교적 높은 값으로 유지될 수 있습니다. 이 연구에서 우리는 AlGaAs/GaAs 이종 접합을 사용하는 것이 GaAs NW 태양 전지의 성능을 향상시키는 효과적이고 실용적인 방법이라는 결론을 내릴 수 있습니다.
3차원
나노와이어
쇼클리-리드-홀
표면 재결합 속도
나노물질
초록 삼항 및 합성 MoIn2 S4 고슴도치 볼 구조의 @CNTs 상대 전극(CE)은 손쉬운 1단계 열수 방법을 사용하여 합성되었습니다. 합성 MoIn2 S4 @CNTs 필름은 N2를 통해 큰 비표면적을 보유합니다. 더 많은 전해질을 흡착하고 전극에 더 큰 활성 접촉 영역을 제공하는 데 유리한 흡착-탈착 등온선 테스트. 또한 합성 MoIn2 S4 @CNTs CE는 순환 전압전류법, 전기화학 임피던스 및 Tafel 곡선을 포함한 일련의 전기화학 테스트에서 만들어진 낮은 전하 이동 저항과 미세한 전기촉매 능력을 나타냅니다. 최적의 조
초록 페로브스카이트 태양 전지는 밴드 갭 조정이 가능하고 흡수 계수가 높으며 준비 비용이 낮기 때문에 실리콘 기반 탠덤 태양 전지에 사용됩니다. 그러나 상부 페로브스카이트 흡수층의 광학 굴절률과 비교하여 하부 실리콘의 상대적으로 큰 광학 굴절률은 2단자 장치에서 상당한 반사 손실을 초래합니다. 따라서 Si 바닥 셀에서 광전류 흡수를 향상시키기 위해서는 광 관리가 중요합니다. 이 논문에서 TiO2로 채워진 나노홀 어레이 하단 셀 설계에 도입되었습니다. 유한 차분 시간 영역 방법을 통해 300~1100nm 범위의 흡수 효율과 광전류