양면 피라미드 격자 구조의 설계는 광대역 광 흡수를 향상시키는 데 사용할 수 있습니다. 전면 격자는 특히 단파장 영역에서 빛 반사를 크게 줄일 수 있으며 후면 격자는 더 긴 파장 영역에서도 동일한 효과를 얻을 수 있습니다. 논문에서는 양면 피라미드 격자 구조의 경우 각 부분의 광자 흡수 분포를 연구하고 순수한 결정질 실리콘과 비교합니다. 이론적 결과는 양면 격자의 구조 매개변수를 합리적으로 조정함으로써 전체 밴드의 광 반사를 크게 감소시킬 수 있어 블랙 실리콘 형성에 유리하고 전체 광 흡수도 증가함을 보여줍니다. 그러나 추가 연구에 따르면 후면 격자를 사용하면 결정질 실리콘의 효과적인 광 흡수가 향상되지 않습니다.
<섹션 데이터-제목="배경">미세 가공 기술의 발전으로 나노미터 표면 형태와 구조 설계가 더욱 보편화되고 매우 중요해졌습니다[1, 2]. 특히 결정질 실리콘(CS) 박막 태양전지의 경우 매개변수의 최적화 설계가 더욱 시급하고 필요하게 되었습니다[3,4,5,6]. CS 박막 태양전지에 적용한 양면 격자 설계에 대한 일부 보고가 있으며, 그러한 구조가 Yablonovitch 한계에 도달할 수 있는 광대역 광 흡수 향상을 달성할 수 있다는 유사한 의견을 모두 표명하였다[7,8 ,9,10]. 양면 격자 설계가 CS 태양 전지의 전반적인 빛 포착 능력을 향상시킬 수 있다는 것은 의심의 여지가 없습니다. 결국, 전자-정공 쌍의 생성과 분리는 CS 내부에서 일어나고, 밴드갭보다 큰 에너지를 가진 각각의 흡수된 광자를 고려하면 오직 하나의 전자-정공 쌍을 생성하므로 광자 흡수가 다양한 부분에 어떻게 분포되는지 CS 태양 전지의 이 기사의 초점입니다. 또한 매개변수를 조정하여 CS 자체의 광자 흡수를 최대로 높이는 것이 목표입니다.
본 논문에서는 전면 피라미드 격자(FPG), 후면 피라미드 격자(RPG) 및 양면 피라미드 격자(DSPG)의 광자 흡수 분포를 연구합니다. 총 광자 흡수 A 는 그림 1과 같이 전면 격자, CS 부분, 후면 격자의 광자 흡수의 세 부분으로 다시 나누어지며 A로 표시됩니다. F , A 시 , 및 A R , 각각. 빛 반사 R , 전송 T , 총 흡수 A R을 만족시키다 + T + A =1. A 시 다른 구조 모델에 대해 동일한 방식으로 계산되지 않습니다.
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피라미드 격자가 있거나 없는 결정질 실리콘(CS) 박막 태양 전지의 다양한 구조. 아 베어 크리스탈 실리콘(BCS). ㄴ 전면 피라미드 격자(FPG). ㄷ 후방 피라미드 격자(RPG). d 양면 피라미드 격자(DSPG). (A F , A 시 , 및 A R 는 각각 전면 격자, CS 부분 및 후면 격자의 광 흡수를 나타냅니다. 안 는 CS 층의 두께입니다. 피 1 , 디 1 , 안녕 1 그리고 피 2 , 디 2 , 안녕 2 앞면 또는 뒷면의 실리콘 피라미드의 주기, 밑면 지름, 높이를 각각 나타냄)
이론적 계산에서는 시뮬레이션과 실험 결과가 잘 일치하기 때문에 순 복사 방법과 유효 매질 근사가 함께 사용됩니다[4, 11]. N의 다층 매체 시스템은 그림 2와 같이 레이어, N 나 는 i의 복소 굴절률입니다. th 매체 및 인터페이스는 i 레이블이 지정됩니다. =1, …, N − 1, 여기서 i 총 인터페이스 수입니다. 아래 첨자 a , d 그리고 b , c 들어오는 전자기파와 나가는 전자기파를 각각 나타냅니다. 나가는 에너지와 들어오는 에너지 플럭스 간의 관계(Q ) 각 경계면에서의 반사는 경계면에서의 반사와 매체를 통한 투과로 표현될 수 있다. 모든 인터페이스 i , 4개의 방정식이 있습니다.
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인터페이스(1, … , ..., N − 1), 복소 굴절률(N 1 , ..., N 나 , ..., N N ) 및 전자기 복사 플럭스(Q 나 ,아 , 질문 나 ,b , 질문 나 + 1,c , 질문 나 + 1,d , …)
$$ \left\{\begin{array}{l}{Q}_{i,a}={\tau}_i{Q}_{i,c}\\ {}{Q}_{i,b }={{r_i}_{,}}_{i+1}{Q}_{i,a}+{t}_{i+1,i}{Q}_{i+1,d}\ \ {}{Q}_{i+1,c}={t}_{i,i+1}{Q}_{i,a}+{r}_{i+1,i}{Q} _{i+1,d}\\ {}{Q}_{i+1,d}={\tau}_{i+1}{Q}_{i+1,b}\end{배열} \오른쪽. $$ (1)r 나 ,나 + 1 그리고 t 나 ,나 + 1 (r 나 ,나 + 1 + 그 나 ,나 + 1 =1)은 반사율과 투과율로 각각의 인터페이스에서 프레넬의 법칙을 사용하여 결정됩니다. 아래 첨자는 층 i에서 전달되는 에너지 플럭스를 나타냅니다. 레이어 i + 1 및 그 반대. τ 나 층 i의 흡수 감쇠율입니다. , 에 의해 정의됨
$$ {\tau}_i=\exp \left[-{\alpha}_i\ {d}_i/\cos \left({\varphi}_i\right)\right] $$ (2)여기서 α 나 =4πk 나 /λ 층 i의 흡수 계수입니다. 그리고 d 나 /cos(φ 나 )는 d 두께의 레이어를 통해 이동한 거리입니다. 나 전파 각도 φ 나 . ㅋ 나 복소 굴절률 N의 허수 부분입니다. 나 =n 나 − 익 나 . 실제 굴절률 n 나 및 소광 계수 k 나 λ의 함수입니다. . 수직 입사 에너지 플럭스 Q 가정 1,a =1 및 Q N ,d =0, 그러면 각 레이어 i에 대해 , 에너지 흡수 계수 A 나 =Q 나 ,아 − Q 나 ,c + Q 나 ,d − Q 나,나 해결할 수 있습니다.
실리콘 피라미드의 효과적인 다층 구조도 그림 2에 나와 있으며, 서로 다른 층의 복잡한 굴절률은 효과적인 매질 근사 공식으로 풀 수 있습니다.
$$ \frac{f_1\left({N}_{Si}^2-{N}_{Eff}^2\right)}{\left({N}_{Si}^2+2{N} _{Eff}^2\right)}+\frac{f_2\left({N}_{Air}^2-{N}_{Eff}^2\right)}{\left({N}_{ 공기}^2+2{N}_{효과}^2\오른쪽)}=0 $$ (3)여기서 f 1 그리고 f 2 는 각각 실리콘 피라미드 격자와 공기의 체적 충전 비율이며, f 1 + f 2 =1. N 시 , N 항공 , 및 N 효과 는 각각 CS, 공기 및 실리콘 피라미드 격자의 중간층의 복합 굴절률입니다.
위의 공식을 결합하면 각 층의 흡수된 광자 플럭스는 다음 공식으로 계산할 수 있습니다.
$$ {\varPhi}_i=\int {A}_iF\left(\lambda \right)\lambda /\left({h}_0{c}_0\right) d\lambda $$ (4)A 나 는 각 층의 에너지 흡수 계수입니다. F (λ )은 AM1.5 스펙트럼에서 지구 표면의 태양 복사 스펙트럼 강도 분포입니다. λ 입사광의 파장, h 0 및 c 0 는 각각 플랑크 상수와 진공에서 빛의 속도입니다. 흡수된 광자의 총 수는 Φ로 표현될 수 있습니다. =∑ Φ 나 .
다른 피라미드 격자 구조와 비교를 위해 관련 매개변수는 다음과 같이 선택됩니다. 먼저 CS 층의 두께 H =10μm; 실리콘 피라미드의 높이와 바닥 직경은 H로 설정됩니다. 1 =하 2 =200nm 및 D 1 =디 2 =각각 100nm입니다. FPG의 경우 바닥 직경에 대한 주기의 비율이 P로 설정됩니다. 1 /디 1 =1, RPG의 경우 두 가지 비율 P 2 /디 2 =1 및 P 2 /디 2 =10이 고려됩니다. 마지막으로 DSPG의 경우 위 매개변수의 다양한 조합이 비교됩니다.
주어진 매개변수에서 다양한 피라미드 격자 구조의 광학 성능이 그림 3에 나와 있습니다. 그림 3(a) 및 (b)에서 볼 수 있듯이 전면 격자는 전체 대역의 빛 반사를 크게 줄일 수 있으며 특히 영역 I 및 II에서 총 광 흡수를 향상시킵니다. 한편, 영역 II에서는 적절한 비율 매개변수(P)에서 후면 격자에 의해 적외선 흡수가 향상될 수 있습니다. 2 /디 2 =10). 따라서 DSPG에서 이들을 함께 사용하면 올바른 매개변수를 조정하면 Yablonovitch 한계[7]까지 빛 흡수를 최대화할 수 있을 뿐만 아니라 전체 대역의 빛 반사를 0으로 만들어 진정한 검은색 실리콘을 만들 수 있습니다. 또한 후면 피라미드 격자는 그림 3(c)에서 볼 수 있는 가시광선 및 근적외선의 투과율을 높일 수 있어 근적외선 광검출기 및 기타 분야에서 사용하기에 유리합니다[9, 10]. <그림>
동일한 두께의 BCS(BCS(H =10μm), FPG(P 1 /디 1 =1, H 1 =200nm), RPG(P 2 /디 2 =1 또는 P 2 /디 2 =10, H 2 =200nm), DSPG(P 1 /디 1 =1, 피 2 /디 2 =1 또는 P 2 /디 2 =10, H 1 =하 2 =200nm)). (아 ), (b ) 및 (c )는 각각 전체 광선 반사율, 흡수율 및 투과율입니다.
CS 태양 전지의 경우 특히 CS 본체에서 광 흡수를 크게 향상시키는 것이 궁극적인 목표입니다. 따라서 다양한 부분 사이에 흡수된 광자의 분포를 더 연구할 필요가 있다. FPG 구조와 RPG 구조의 경우 각 부분의 광자 흡수에 대한 3차원 등고선 맵을 각각 그림 4와 그림 5에 나타내었다.
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FPG 구조에 대한 다른 부분의 광자 흡수 분포의 등고선 맵. (아 ) 총 광자 흡수 A . (b ) 전면 격자 A의 광자 흡수 F . (ㄷ ) CS 부분 A의 광자 흡수 시 . (그림의 점선은 BCS의 흡수를 나타냄)
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RPG 구조에 대한 다른 부분의 광자 흡수 분포의 등고선 맵. (아 ) 총 광자 흡수 A . (b ) CS 부분 A의 광자 흡수 시 . (ㄷ ) 후면 격자 A의 광자 흡수 R . (그림의 점선은 BCS의 흡수를 나타냄)
FPG 구조의 경우 피라미드 배열의 기하학적 매개변수를 변경하면 각 부분의 광자 흡수 분포와 비교한 전체 광자 흡수 분포가 그림 4에 나와 있습니다. 그림 4(a)에서 총 흡수된 광자 피라미드의 높이가 높을수록 증가하지만 직경에 대한 주기의 비율이 클수록 광자 흡수에 효과적이지 않습니다. 따라서 높이가 더 높고 간격이 작을수록 더 많은 고주파 광자를 수확할 수 있으며 그림 4(b)에 표시된 FPG 흡수에서도 마찬가지입니다. 그러나 FPG의 높이가 계속 증가하면 그림 4(c)와 같이 아래에 위치한 CS의 광자 흡수가 감소한다. 분명히, P가 있는 최적의 매개변수 구성이 있습니다. 1 /디 1 =1.05, H 1 =53nm. 또한, 실리콘 피라미드에 의해 흡수된 광자가 CS에서 전자-정공 쌍의 변환에 관여하지 않는다고 가정하면 이러한 계산을 기반으로 FPG 기하학적 매개변수의 적절한 범위도 얻어지고 베어 그림 4(c)에 표시된 실리콘. 간단히 말해서 FPG의 높이가 높을수록 반사율이 낮아지지만, 그렇다고 해서 더 효과적인 빛 흡수가 있다는 의미는 아닙니다.
같은 방식으로 RPG 구조의 경우 전체 및 각 부분의 광자 흡수 분포를 Fig. 5에 나타내었다. Fig. 5(a)와 같은 전체 흡수의 경우 FPG 구조와 비교하여 유의한 차이를 보였다. 광자 흡수는 바닥 직경에 대한 주기의 비율이 크고 피라미드 높이가 낮을수록 향상된다는 차이점이 있습니다. 이는 한편으로 P의 비율이 더 크다는 것을 의미합니다. 2 /디 2 그리고 더 작은 H 2 저주파 광자 투과를 감소시키고 광자가 되돌아가서 반사를 증가시킵니다. 그러나 다른 한편으로 광자는 그 과정에서 흡수되도록 촉진된다. 분명히, 최소 흡수를 초래하는 매개변수 구성은 P입니다. 2 /디 2 =1.01, H 2 =168 nm이고 RPG 기하학적 매개변수의 적절한 범위도 그림 5(a)에 표시된 베어 실리콘과 비교하여 얻어집니다. 그러나 Fig. 5(b)와 같은 CS 부분에서는 많은 광자가 반사되기 때문에 효과적인 광흡수의 개선이 뚜렷하지 않다. 그림 5(c)는 후면 격자에 의해 흡수된 광자가 CS에 의해 흡수된 광자보다 100배 낮은 것을 보여주며, 그림 5(a)에 표시된 전체 흡수와 유사한 경향이 있습니다. 여기에서도 매개변수 구성은 P입니다. 2 /디 2 =1.03 및 H 2 =170nm이며 위와 거의 동일합니다.
FPG와 RPG의 흡수 분포에서 볼 수 있듯이 전자는 그림 4(c)와 같이 광자 흡수를 향상시키는 데 분명히 중요한 역할을 하는 반면 후자는 CS 부분의 광자 흡수가 약해짐을 의미한다. 그림 5(b)와 같은 후면 격자의 존재. 위의 결과를 결합하여 DSPG를 대표하는 4가지 매개변수 세트의 광학적 특성을 연구하고 그림 6에 표시합니다.
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DSPG(P 1 /디 1 =10, H 1 =10nm 및 P 2 /디 2 =1.03, H 2 =170nm 또는 P 2 /디 2 =10, H 2 =10nm; 피 1 /디 1 =1.05, H 1 =53nm 및 P 2 /디 2 =1.03, H 2 =170nm 또는 P 2 /디 2 =10, H 2 =10nm) BCS(H)와 비교 =10μm) 및 FPG(P 1 /디 1 =1.05, H 1 =53nm 및 P 1 /디 1 =10, H 1 =10nm). (아 ), (b ), (ㄷ ) 및 (d )는 각각 CS 부분의 전광선 반사율, 투과율, 흡수율 및 흡수율입니다.
그림 6(b)와 같이 고주파 광자의 투과성이 약하기 때문에 주기와 바닥 직경의 비율이 적절하지 않은 경우(P 1 /디 1 =10 및 H 1 =10 nm), 반사율을 감소시키지 않을 뿐만 아니라 그림 6과 같이 반사율은 증가하고 흡수율은 감소합니다. 적절한 매개변수(P 1 /디 1 =1.05 및 H 1 =53 nm) 광 흡수를 크게 향상시킬 수 있습니다. CS의 경우 영역 III에 표시된 것처럼 저주파 광자를 자체적으로 흡수할 수 없기 때문에 전면 및 후면 격자의 변조는 반사와 투과 사이의 빛 분포에만 영향을 미칩니다. 후면 격자가 영역 II와 영역 III에서 중요한 역할을 하고 전면 격자 매개변수(P 1 /디 1 =1.05, H 1 =53nm 및 P 2 /디 2 =1.03, H 2 =170nm), 전파 대역의 거의 제로 반사를 실현할 수 있습니다. 동일한 매개변수의 FPG와 비교하여 그림 6(c)에 표시된 전체 흡수에 대해 영역 II에서 적절한 매개변수가 있는 후면 격자의 존재는 실제로 적외선 흡수를 향상시킬 수 있습니다(P 2 /디 2 =10, H 2 =10nm), 일치하지 않는 이중 격자 설계가 장치 성능을 크게 향상시킬 수 있다는 이전 결론을 확인합니다[10]. 그러나 Fig. 6(d)와 같은 CS 부분의 흡수에 대해 후면 격자의 설계를 사용하는 것은 CS의 광흡수 개선에 거의 영향을 미치지 않는다. 따라서 이러한 의미에서 RPG가 빛을 반사하고 태양 전지의 광활성 영역으로 다시 리디렉션할 수 있지만[12], 효과적인 빛 흡수에 대한 추가 이점을 제공하지 않습니다. 최적화된 통합을 위해 흡수 스펙트럼을 조정하는 몇 가지 새로운 디자인을 개발해야 합니다[1, 13].
양면 피라미드 격자 구조의 설계는 실리콘 태양 전지의 전반적인 광 흡수를 촉진하기 위해 채택되었으며 매개 변수를 조정하여 반사 제로를 실현할 수도 있습니다. 그러나 CS 부분의 효과적인 광흡수를 위해서는 전체 광흡수가 증가한다고 해서 증가하지 않는다. 전면 피라미드 격자의 경우 제안된 비율 P 1 /디 1 1.4 미만 및 H 1 는 10~600nm 사이이며 후면 피라미드 격자의 경우 효과적인 광 흡수 향상에 거의 영향을 미치지 않으므로 후면 격자가 필요하지 않습니다. 따라서 전면 텍스처의 혁신과 최적화된 디자인은 태양 전지 효율의 추가 향상을 위한 큰 추세입니다.
결정질 실리콘
양면 피라미드 격자
전면 피라미드 격자
후면 피라미드 격자
나노물질
초록 페로브스카이트 광 흡수층의 캐리어 수송 거동은 페로브스카이트 태양 전지(PSC)의 성능에 상당한 영향을 미칩니다. 이 연구에서 감소된 캐리어 재결합 손실은 페로브스카이트 재료의 밴드 구조 설계에 의해 달성되었습니다. 초박형(PbI2 /PbBr2 )n 구배 두께 비율의 필름을 열 증착법에 의해 할로겐화납 전구체 층으로 증착하고, 페로브스카이트 흡수층에 구배 밴드 구조를 갖는 PSC를 대기 분위기에서 2단계 방법으로 제조하였다. 비교를 위해 MAPbI3의 균질한 페로브스카이트 재료를 사용한 PSC 및 MAPbIx Br3 − x
가까운 미래와 먼 미래를 계획하는 것은 제조 조직의 성공에 필수적입니다. 비즈니스의 이러한 성장과 지속적인 운영의 핵심 측면 중 하나는 승계 계획입니다. 직원이 퇴직하면 자신의 역할과 책임을 자신 있게 맡을 수 있는 사람으로 자리를 채워야 합니다! 승계 계획이 무엇인지, 이것이 제조 비즈니스에 왜 중요한지, 어디서부터 시작해야 하는지에 대한 자세한 설명을 보려면 더 읽어보세요. 빠른 링크: 승계 계획이란 무엇입니까? 제조업체가 승계 계획을 고려해야 하는 이유 제조업에서 효과적인 승계 계획을 위한 9가지 팁 승계 계획이란 무엇입니
