최적화된 광흡수로 GaAs 핀-접합 나노콘 태양전지의 광전 변환 효율 향상

요약

축방향 및 반경방향 핀 접합 GaAs 나노콘 어레이 태양전지의 광전 성능 조사. 실린더 나노와이어 어레이 대비 나노콘 어레이는 전체 광흡수 개선뿐 아니라 더 중요하게 유효 흡수(공핍 영역 내 흡수) 향상. 유효 흡수 향상은 줄어드는 상단부로 인한 흡수 영역 하향 이동과 확장에 기인, 고도핑 상단 영역 흡수 손실 크게 억제하고 공핍 영역 흡수 증대. 축방향 및 반경방향 GaAs 나노콘 태양전지 최고 변환 효율 각각 20.1%(경사각 5°)와 17.4%(경사각 6°)로 실린더 나노와이어 대비 현저히 높음. 나노콘 구조가 고효율 태양전지 유망 후보.

배경

양자점(QD), 나노와이어(NW), 2차원 층상 소재 등 저차원 소재가 독특한 특성으로 광전 응용 유망 [1-5]. 평면 대비 III-V 나노와이어(NW) 어레이는 반사 방지, 빛 포집 등 우수 광학 특성으로 고성능 태양전지 잠재력 [6-8]. 초소형 풋프린트 면적으로 재료 소비 감소, 격자 부정합 허용도 증가, 저렴한 기판으로 저비용 태양전지 구현 [9-13]. 핀 접합은 NW 태양전지 핵심부로 빛 흡수와 광자-전자-정공 쌍 변환 담당. 핀 접합 기하학에 따라 NW 어레이 태양전지 축방향, 반경방향(코어-쉘) 핀 태양전지로 구분, 둘 다 널리 연구. 그러나 현재까지 축방향, 반경방향 III-V NW 어레이 태양전지 최고 효율 각각 15.3%, 7.43%로 평면 대비 여전히 낮음 [14, 15].

NW 어레이 태양전지 성능 향상 위해 직경/주기(D/P) 비율, 직경, 길이 최적화로 전체 NW 어레이 광흡수 개선 노력 다수 [16-20]. 그러나 전체 NW 어레이 흡수 향상이 최종 변환 효율 증가로 직결 안됨. 실용적 NW 핀 어레이에서 p(또는 n) 영역 생성 광전 캐리어는 내장 전기장 부족으로 빠르게 재결합. 따라서 공핍 영역 흡수, 즉 유효 광흡수가 궁극적 효율 결정. 일반적인 실린더 NW 어레이에서 대부분의 빛이 NW 상단부 흡수 [16], 공핍 영역(보통 중간 위치) 흡수 불충분. 특히 축방향 핀 NW 어레이에서 입사광이 공핍 영역 흡수 전 p(n) 영역 통과해야 해 큰 빛 손실.

NW 기하학 변조로 유효 광흡수 향상 가능. 예: 축방향 핀 경사 NW 어레이 태양전지 상단 p(n) 영역 흡수 줄여 공핍 영역 흡수 향상 보고 [21]. 하지만 실제 D/P 비율 수직 NW 어레이보다 훨씬 낮아야 인접 NW 교차 방지, 변환 효율 제한. 테이퍼드 NW, 즉 나노콘은 입사광이 상단 영역 거치지 않고 직접 공핍 영역 흡수 가능해 유효 광흡수 향상 기대. 다양한 경사각과 종횡비 나노콘 Au 촉매 기상-액상-고상 및 자기조립 촉매 프리 법으로 제작 [22-25], 광흡수 특성 시뮬레이션도 수행 [26, 27]. 실용 태양전지에서 도핑 영향 수송과 광학 특성 무시 불가, 복사, 오제, 쇼클리-리드-홀(SRH) 재결합도 광전 변환 중요 역할. 하지만 상기 요소 고려한 나노콘 p(i)n 태양전지 광전 성능 상세 연구 아직 없음.

본 논문에서는 축방향, 반경방향 핀 접합 GaAs 나노콘 태양전지 광전 성능 조사 위해 결합 3차원(3D) 광전자 시뮬레이션 제시. 광학 흡수 특성은 유한차분 시간영역(FDTD) 사용. 광발생 프로파일 전기 시뮬레이션에 통합해 유한요소법(FEM)으로 전류 밀도-전압(J-V) 특성 계산. 도핑 의존 이동도, 밴드갭 좁아짐, 복사/오제/SRH 재결합 모두 전기 시뮬레이션 고려. 축방향, 반경방향 핀 접합 나노콘 태양전지 최고 효율 각각 20.1%, 17.4%로 실린더 NW 대비 현저히 높음. 효율 향상 메커니즘 논의.

방법

축방향 핀 GaAs 나노콘 어레이 모델 그림 1에 도시: 주기적 축방향 핀 GaAs 나노콘, 직경 D = 180 nm, 주기 P = 360 nm, 길이 L = 2 µm. p, n 영역 길이 각각 200 nm, 균일 도핑 3 × 10¹⁸ cm⁻³, 1 × 10¹⁷ cm⁻³. GaAs 기판 n-도핑 1 × 10¹⁷ cm⁻³. 나노콘 직경은 상단, 하단 직경 평균. 경사각(θ)은 측벽과 바닥면(기판) 법선 방향 사이 각도. 시뮬레이션에서 평균 직경 유지하며 하단, 상단 직경 변화로 경사각 0-5° 변경.

구조 광학 특성 Sentaurus 전자기파(EMW) 솔버 모듈 패키지[28-30]로 조사. FDTD 메쉬 최소 셀 크기 5 nm, 파장당 노드 수 전 방향 20. 주기적 경계 조건으로 단위 셀 시뮬레이션으로 주기적 어레이 모델링. 계산 자원/시간 절약 위해 GaAs 기판 두께 0.4 µm 제한 [21]. 하지만 GaAs 기판 인접 완벽 매칭 층(PML)로 투과광 완전 흡수, 반무한 GaAs 기판 모델링 가능 [31]. GaAs 재료 분산 특성 기술 파장 의존 복소 굴절률 Levinstein 등 연구 [32]서 획득. 상단 입사광은 그림 1 지시 NW 축 평행 설정. 이산화 AM 1.5G 태양 스펙트럼(파장 290-900 nm, GaAs 대표 흡수 영역) 전력 강도와 파장 값 가진 평면파로 태양광 모델링 [33]. AM 1.5G 조명 하 총 광학 생성률은 전력 가중 단일 파장 광학 생성률 중첩 모델링 [20]. 광학 생성률 G_ph는 포인팅 벡터 S로부터:

G_ph = |∇·S| / (2ħω) = ε″|E|² / (2ħ)

여기서 ħ 플랑크 상수, ω 입사광 각주파수, E 각 격자점 전기장 강도, ε″ 유전율 허수부. 반사 모니터 NWA 상단 표면 위, 투과 모니터 기판 바닥 표면에 위치해 흡수광 계산. 전력 모니터 투과 전력량 각 파장별 소스 전력에 정규화. 반사율 R(λ), 투과율 T(λ):

R(λ), T(λ) = 0.5 ∫ real{p(λ)_monitor} dS / P_in(λ)

여기서 P(λ) 포인팅 벡터, dS 표면 법선, P_in(λ) 각 파장 입사 소스 전력. GaAs NWA 흡수 스펙트럼 A(λ):

A(λ) = 1 - R(λ) - T(λ)

전기 모델링 위해 3D 광학 생성 프로파일 전기 유한요소 메쉬 NW에 통합, 3D에서 캐리어 연속 방정식과 푸아송 방정식 자기일관적 풀이. 도핑 의존 이동도, 밴드갭 좁아짐, 복사/오제/SRH 재결합 전기 시뮬레이션 고려. 소자 시뮬레이션 중요 재료 파라미터 대부분 Levinstein 모델 [32]서 획득(표 1).

결과 및 논의

축방향 핀 접합 GaAs 나노콘 어레이 태양전지

그림 2a-c 다른 경사각 축방향 GaAs 나노콘 어레이 파장 의존 흡수율, 반사율, 투과율. 실린더 NW 어레이(θ = 0°) 대비 나노콘 어레이 전 파장 구간 낮은 반사율, 경사각 증가 시 현저. NW 어레이 반사 방지 능력은 낮은 충진율로 유효 굴절률 감소, GaAs와 공기 간 좋은 임피던스 매칭 기인 [7]. 큰 경사각 나노콘 어레이 상단부 충진율 극히 낮아 공기와 거의 완벽 임피던스 매칭, 반사 거의 제로. 300-700 nm 단파장 구간에서 흡수율 경사각 증가 따라 상승(반사 억제). 단, 밴드갭 근처 장파장 빛 흡수율 큰 경사각에서 감소, 매우 얇은 나토콘 상단부 장파장 모드 지원 못함. 그림 2d 경사각별 AM 1.5G 가중 적분 흡수율, 반사율, 투과율 스펙트럼. 작은 각도에서 흡수율 경사각 증가 따라 상승(반사율 감소). 경사각 3° 초과 시 흡수율 약간 감소, 매우 얇은 상단부 장파장 모드 지원 못해 흡수 경로 감소 탓. 그럼에도 1-5° 경사각 나노콘 총 흡수율 92-93.5% 범위 미미 차이, 경사각 총 흡수 영향 적음 시사. 대신 경사각이 공핍 영역 흡수, 즉 광전 변환 지배하는 유효 광흡수에 강한 영향 미침 믿음. 다음 부분 상세 논의.

AM 1.5G 조명 하 축방향 GaAs 나노콘 어레이 총 광학 생성 프로파일 그림 3a. θ = 0°에서 흡수 광자 대부분 실린더 NW 상단 집중. 높은 도핑 농도와 전자-정공 쌍 분리 위한 내장 전기장 부족 [34-37]으로 상단 p-영역 광전 캐리어 재결합 매우 높음, 큰 입사광 손실. 나노콘 어레이에서 경사각 증가 따라 광자 흡수 위치 하향 이동, i-영역 흡수 향상. NW 빛 흡수 공명 모드 지배, NW 직경과 밀접 [37]. 나노콘 독특 기하학으로 작은 직경 상단부 장파장 모드 거의 지원 못함. 그림 3b-g 경사각 0-5° 나노콘 파장 의존 광학 생성 프로파일 지지. 실린더 NW 모든 파장 상단 영역 흡수 집중. 경사각 증가 시 광학 모드, 특히 장파장 모드 두꺼운 영역으로 하향 이동. 경사각 증가는 중간 i-영역 흡수 향상뿐 아니라 상단 영역 흡수 감소도 유도. 이는 그림 3e에서 경사각 3° 나노콘 어레이 높은 총 흡수율 이유, 상단 p-영역과 중간 고유 영역 흡수 둘 다 상대적으로 강함. 흡수 하향 이동이 상단 p-영역 흡수 손실 억제와 중간 i-영역 흡수 향상 동시 달성해 소자 성능 개선 핵심 역할 믿음.

i-영역 흡수 스펙트럼 그림 4a. 단파장 구간에서 경사각 증가 따라 p-영역 직경 축소로 p-영역 부피와 나노콘 내 가둘 수 있는 빛 파워 감소, p-영역 흡수 부족과 i-영역 높은 흡수율 초래. 장파장 구간에서 큰 경사각 나노콘 흡수 영역 하단 n-영역 확장, i-영역 흡수율 감소. 그림 4b i-영역 흡수 스펙트럼 적분. 각 파장 흡수율 AM 1.5G 스펙트럼 가중. i-영역 흡수 경사각 증가 따라 극적 증가, 유효 흡수 향상 확인, 변환 효율 개선 기대.

광발생 프로파일 전기 툴[35] 통합해 축방향 핀 접합 나노콘 어레이 태양전지 광전 성능 연구. 그림 5a 다른 경사각 전류-전압 특성. 실린더 NW 어레이 대비 나노콘 어레이 태양전지에서 훨씬 높은 단락 전류 밀도(J_sc) 획득. θ = 5°에서 J_sc 30.1 mA/cm²(실린더 대비 7.3 mA/cm² 높음), V_oc 0.885 V, 높은 광전 변환 효율(η) 20.1%(실린더 대비 4.8% 높음). 그림 5b 경사각 의존 변환 효율. 경사각 0-5° 증가 시 변환 효율 15.3%에서 20.1% 단조 증가. 앞서 언급했듯 전체 나노콘 어레이 흡수 θ = 2°에서 포화, 큰 경사각 효율 향상 전체 흡수 향상 아닌 것. 대신 변환 효율 트렌드 그림 4b i-영역 흡수와 고도로 일치, 변환 효율이 i-영역 유효 광흡수 지배됨 입증.

반경방향 핀 접합 GaAs 나노콘 어레이 태양전지

반경방향 핀 접합 GaAs 나노콘 어레이 모델 그림 6: 주기적 반경방향 핀 GaAs 나노콘, 직경 D = 360 nm, 주기 P = 720 nm, 길이 L = 2 µm. i-영역 두께 10 nm, 코어 반경 = 쉘 두께. n형 코어, p형 쉘 도핑 농도 축방향 나노콘 동일. 평균 직경 유지하며 하단, 상단 직경 변화로 경사각 0-10° 변경.

그림 7a-c 반경방향 GaAs 나노콘 어레이 파장 의존 흡수율, 반사율, 투과율. 축방향 구조 유사하게 반경방향 나노콘도 반경방향 실린더 NW(θ = 0°) 대비 전 파장 낮은 반사율, 경사각 증가 시 현저. 그림 7a 300-700 nm 단파장 구간 흡수율 경사각 증가 따라 상승(반사 억제). 큰 경사각에서 나노콘 상단부 너무 얇아 장파장 모드 지원 못함, 흡수율 감소. 그림 7d 경사각별 AM 1.5G 가중 적분 흡수율, 반사율, 투과율. 경사각 증가 따라 흡수율 전반적 상승 추세(약간 변동), 나노콘 구조 우수 흡수 특성 시사.

그림 8 AM 1.5G 조명 하 반경방향 GaAs 나노콘 어레이 총 광학 생성 프로파일. 축방향 어레이 유사하게 실린더 NW 상단 광자 집중. 경사각 점진 증가 시 흡수 하향 이동. 반경방향 접합에서 i-영역 튜브가 NW 전체 관통, 흡수 하향 이동만으론 축방향 핀 접합 같은 직접적 흡수 향상 안됨. 하지만 흡수 하향 이동과 함께 흡수 길이도 확장, 빛 흡수와 i-영역 중첩 향상. 따라서 유효 흡수도 향상됨 믿음.

그림 9a 반경방향 나노콘 태양전지 전류-전압 특성. 실린더 NW 어레이 태양전지 대비 나노콘 어레이 태양전지에서 훨씬 높은 J_sc 달성. θ ≥ 6° 모든 J_sc 25 mA/cm² 초과, θ = 0° J_sc 17.4 mA/cm² 대비. 그림 9b 경사각 의존 변환 효율. 작은 경사각에서 효율 단조 증가, θ = 6° 최대 17.4%, 실린더 대비 6.4% 높음. 각도 추가 증가 시 효율 포화 및 약간 감소. 상단, 중간 i-영역 흡수 경쟁 탓 추정. 큰 경사각에서 나노콘 상단부 너무 얇아 장파장 모드 지원 못함. 흡수 하향 이동으로 중간 i-영역 부분 흡수 증가하나 상단 i-영역 부분 흡수 감소, 중간 흡수 증가분 상쇄.

결론

요약하면 결합 3D 광전자 시뮬레이션으로 축방향, 반경방향 핀 접합 GaAs 나노콘 어레이 태양전지 광전 성능 연구. 나노콘 어레이 흡수 상단 직경 축소로 하향 이동, 고도핑 상단 영역 흡수 손실 크게 억제하고 공핍 영역 흡수 향상. 축방향, 반경방향 GaAs 나노콘 태양전지 최고 변환 효율 각각 20.1%(경사각 5°), 17.4%(경사각 6°)로 실린더 NW 대비 현저히 높음. 나노콘 구조 고효율 태양전지 유망 후보.