GaAs 나노안테나 태양광 흡수체: 고효율 박막 셀을 위한 초광대역 광 포착

초록

광 포착은 초박막 태양전지 중요한 성능으로, 광활성 영역 광흡수 증가뿐만 아니라 매우 적은 물질로 효율적 흡수 허용합니다. 반도체 나노안테나 광 포착 향상 및 태양에너지 전달 효율 증대 능력 가집니다. 본 연구에서는 갈륨 비소(GaAs) 나노안테나 기반 태양광 흡수체 제시. 468~2870nm 파장 범위 90% 이상 근완벽 광흡수 달성, 태양 복사 초광대역 근단일 광 포착 보임. 최대 61.947mA/cm² 높은 단락 전류 밀도 얻음. 또한 태양광 흡수체 우수한 구조적 안정성, 고온 내성 가짐. 초소형 고효율 광전지 및 열방사체 달성에 새로운 관점 제공.

서론

태양에너지는 재생 가능, 청정, 널리 분포된 에너지로 태양전지[1-3], 광전 소자[4, 5], 광열 방사체[6, 7] 등 타 에너지로 변환 광범위 응용 위해 널리 연구. Landy 등이 금속-절연체-금속 삼층 메타물질 기반 완벽 흡수체 보고[8] 이래, 태양에너지 수집 활용 위한 매혹적 나노구조 다수 설계[9-21]. 효율적 태양에너지 포착이 이들 응용 핵심. 따라서 흡수체 태양광 흡수 반응 보통 성능 평가 위해 연구. 이상적 흡수체 넓은 파장 범위 근단일 흡수 가짐.

원리적으로 완벽 흡수체는 동일 파장 범위 좋은 열방사체 의미. 주어진 온도에서 복사 에너지는 구조 흡수로 잘 기술, 검출 가능[7]. 또한 열평형 조건에서 흡수율과 열복사 비율 항상 방사율과 동일. 귀금속 나노구조 보통 표면 플라즈몬 강한 결합 통해 완벽 흡수체, 비상한 광투과, 파노 공진 얻기 위해 사용[22-30]. 그러나 흡수된 태양에너지 온도 상승(열 불안정) 초래, 저융점 귀금속 나노구조 손상[7]. 내화 금속으로 귀금속 대체시 구조적 안정성, 고온 내성 보장 가능[6, 9, 11, 12]. 광대역 흡수 현상 이들 플랫폼서 입증되었으나, 복잡한 기하학[6, 18], 상대적 유한 흡수 대역폭(<750nm)[9, 11, 12], 다량 귀금속 요구[8, 10, 11, 18] 등 문제 존재.

반도체 물질도 기존 박막 소자 대비 저비용, 고변환 효율로 태양에너지 분야서 집중 관심[31-39]. 대부분 태양광 흡수체 실리콘(Si) 기반이나 자연 풍부함, 거의 이상적 에너지 밴드갭 때문[31, 34]. 그러나 Si 층 두께 감소시 태양전지 효율 제한. 따라서 광 포착 이제 박막 태양전지 주요 주제[38]. 최근 갈륨 비소(GaAs) 독특한 광학 특성, 고변환 효율로 좋은 경쟁자 부상[36-39], 태양 수확 실험적 입증. Massiot 등은 금속 나노그리드 초박막 GaAs 층 광대역 다중 공진 광수확 제시, 흡수 대역폭 380nm(450~830nm)[40]. Li 등은 금 나노입자, GaAs 나노와이어 어레이 결합 태양전지 제안, 가시광 영역(300~850nm) 광흡수 대역 실현[39]. 그러나 흡수 대역 거의 300~1100nm 범위 내. 최근 GaAs 격자 GaAs-텅스텐(W) 이층 필름 구조 위에 배치해 완벽 흡수체 얻음[40]. 그러나 흡수(>90%) 대역폭 1300nm만 도달. 또한 횡자기(TM) 편광만 고려.

본 연구에서는 반도체 GaAs, 내화 금속 W, Ti 기반 실행 가능 태양광 흡수체 제안. 1차원(1D) GaAs 나노안테나 주기 어레이, 인듐 주석 산화물(ITO) 반사방지(AR) 나노안테나 코팅, 얇은 W-GaAs-Ti 삼층 필름 구조 위 배치. 이 태양광 흡수체 가이드 모드 공진(GMRs), 공동 공진 모드, 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPPs) 시너지로 가시광, 중적외선 영역 걸친 초광대역 흡수 밴드 나타냄. 흡수 90% 초과 대역폭 2400nm 이상. 흡수체 입사광 각도, 편광 좋은 내성 보임. 추가 AM1.5 태양 조명 하 최대 61.947mA/cm² 단락 전류 밀도 달성. 초소형 고효율 광전지, 열방사체 달성에 새로운 관점 제공.

재료 및 방법

제안 흡수체 개략도 그림 1a. 1D GaAs 나노안테나 어레이가 ITO 나노안테나 단일층 AR 어레이와 얇은 금속-반도체-금속(MSM) 삼층 필름 구조 사이에 샌드위치됨. 귀금속 광대역 흡수 구조 생성 필수이나 저융점 문제[41]. 소크기 효과로 패터닝된 귀금속 나노구조 융점 크게 감소[42]. 태양광전지 작동 온도 귀금속 나노구조 충족 못함. 초고열 안정성, 광흡수 능력 가진 물질 태양광 흡수체 안정성 유지 위해 강력 희망. 금속 W, 티타늄(Ti)[6, 17], 반도체 GaAs[36, 37, 39] 모두 높은 융점(각각 3422°C, 1668°C, 1238°C 실온) 가져 본 연구 초광대역 흡수 밴드 얻기 위해 사용. 나노안테나 주기, 폭 P, d 표기. 바닥 W 필름 두께 100nm. Ti, GaAs 필름 두께 각각 h₁, h₂ 표기. ITO, GaAs 나노안테나 두께 t₁, t₂ 표기. 흡수체 최적화 매개변수 P=500nm, d=400nm, t₁=80nm, t₂=120nm, h₁=70nm, h₂=30nm 설정.

a 제안 태양광 흡수체 개략도. b 태양광 흡수체(검은 선), MSM 적층 구조(빨간 선), GaAs 나노안테나만 코팅된 MSM 구조(파란 선) 흡수 스펙트럼

흡수체 광학 성능, 전자기장 분포 유한차분 시간영역(FDTD) 법[43] 계산. x 방향 주기적 경계, z 방향 완전 정합층 사용. Ti, W, GaAs 유전 상수 Palik[44] 값 사용, ITO 굴절률 2.0[35]. 별도 지정 없으면 x 축 선형 편광 넓은 주파수 평면파가 나노안테나 메타표면 위(540nm 거리)에서 조사(TM 편광). 이 흡수체 투과율(T) 바닥 불투명 금속 필름으로 0. 흡수율(A) A=1−R 계산(R 반사율). 길이 20nm, 폭 500nm, 높이 500nm 유한 영역, 1.6nm 정제 메시 선택해 단락 전류 밀도 계산(기타 매개변수 반사 계산 설정과 동일). 최소 메시 단계 0.25nm 비균일 메시, 세 파장 영역(280~400nm, 401~1702nm, 1705~4400nm) 평면파 사용해 표준 태양 스펙트럼 단순 2차원 시뮬레이션 계산. 제안 흡수체 다음 단계로 제작 가능: (1) 증착법[45, 46]으로 실리카 기판 위 W, GaAs, Ti 필름 순차 증착; (2) 전자빔 리소그래피[47]로 2단계 구조 위 포토레지스트 증착 후 식각해 1D 나노안테나 어레이 형성; (3) 2단계 구조 위 GaAs, ITO 물질 일정 두께 연속 증착; (4) 리프트오프 법으로 GaAs, ITO 코팅된 포토레지스트 나노안테나 제거.

결과 및 논의

그림 1b 최적화 흡수체 정입사 흡수 스펙트럼("Absorber", 검은 선). 비교 위해 MSM 구조("MSM", 빨간 선), GaAs 나노안테나만 코팅된 MSM 구조("ITO 층 없는 구조", 파란 선) 흡수 스펙트럼도 그림 1b 표시. 단순 MSM 삼층 필름 구조 경우 흡수 70% 미만. MSM 구조 위 GaAs 나노안테나 주기 어레이 배치시 657~2679nm 초광대역 흡수 밴드 강화 달성. 이는 GaAs 나노안테나 어레이가 광파장 범위 강한 흡수 책임짐 의미. 991~1455nm, 2004~2388nm 범위 흡수 강도 여전히 90% 미만. 제안 흡수체 도입 80nm 두께 ITO 나노안테나 어레이 추가 흡수 강화, 흡수 밴드 확대. A>90% 고려시 가시광, 근적외, 중적외 영역 걸친 468~2870nm 흡수 대역폭 2402nm 초광대역 흡수 현상 발견. 평균 흡수 95.5% 증가. 80nm 두께 ITO 층 반사방지 역할로 GaAs 나노안테나 반사방지 효과 추가 강화. 또한 80nm ITO 층 충분히 높아 낮은 시트 저항 가능, 캐리어 측면 금속 접촉까지 수백 마이크론 측면 수송 손실 낮춤[35]. 결과적으로 흡수 대역폭, 흡수 효율 크게 개선, 귀금속-반도체 복합 시스템 기반 흡수체들[32-37] 초월. 크게 확대된 흡수 주요 기원 GMRs, 공동 모드 여기 및 하이브리드 결합 효과 시너지[18].

이 흡수체 다른 파장(594nm, 1430nm, 2586nm) 전자기장 분포(|E|, |H|), 전류 밀도(J) 조사. 594nm에서 전기장 에너지 주로 나노안테나-공기 계면 집중, 강한 자기장 에너지 GaAs 나노안테나, ITO 층 위치(그림 2a, b). GMRs, 공동 모드 여기 지시[18, 26]. GaAs 나노안테나 전기 전류(그림 2c) 흡수 향상 GaAs 나노안테나 효과 입증[48, 49]. 1430nm에서 강한 전기장 주로 나노안테나 근처 공기 슬롯 존재(그림 2d) 공동 모드 여기 암시[18, 26]. 그림 2e 자기장 에너지 GaAs 나노안테나-Ti 필름 계면 위치, GMRs, 공동 모드 둘 다 빛 구조 결합 기여, GaAs 필름-Ti 필름 계면 근처 SPPs 추가 여기[9, 18, 20, 39]. 그림 2f Ti 필름 분포 전기 전류 입사광 구조 완전 결합 강한 증거. 2586nm에서 전자기 에너지 주로 나노안테나 사이 슬롯, GaAs 나노안테나-Ti 필름, GaAs 필름-W 필름 계면 위치(그림 2g, h), 전기 전류 주로 W 필름 최상면 분포(그림 2i). GMRs, SPPs, 공동 모드 시너지 결과 광대역 근완벽 흡수 결론[18].

전기장 |E|, 자기장 |H| 분포, 전류 밀도 J 594nm(a–c), 1430nm(d–f), 2586nm(g–i) 각각

태양광 흡수체 실용 응용에서 광흡수 입사각, 편광각 덜 민감해야 함[2, 3, 6, 18, 20]. 그러나 GaAs 물질 기반 대부분 흡수체 편광각, 입사각 탐구 드묾[36, 39]. 그림 3a 제안 태양광 흡수체 TM 편광 비스듬 조사 하 흡수 진화. 55°까지 입사각에서 468~3000nm 범위 흡수 효과 거의 강건, 중적외 영역 파장만 약간 감소. 입사각 55° 초과시 흡수 밴드 극적 감소. 그림 3b 다양한 편광 상태 흡수, 0° TM 편광, 90° 횡전기(TE) 편광 대응. 편광각 0~90° 증가시 단파장, 장파장 영역(468~1010nm, 1800~3000nm) 흡수 완벽 유지. 근적외 영역 흡수 감소하나 50% 이상 유지. 전체적으로 흡수 각도, 편광 무감도는 임피던스 좋은 매칭, 고유 손실 기인[18, 19].

조절 가능 입사각(a) 및 편광 상태(b) 하 태양광 흡수체 흡수 매핑

최적화 흡수체 AM 1.5 소스 조명 하 태양광 흡수 조사 추가 수행. 태양광 흡수체 가시광, 근적외, 중적외 영역 주 태양 조사 에너지 분포 영역 걸친 근완벽 흡수 보임(그림 4a). 다중 공진 상태 동시 발생으로 거의 단일 태양에너지 흡수체 포착. 이러한 구조 높은 태양에너지 흡수 효율 입증. 또한 본 흡수체 사용 내화 물질 온도 특정 범위 증가시 구조 열 안정성 유지 기여. 따라서 제안 흡수체 광전 소자 더 넓은 응용 가능 결론[50].

a 표준 태양 복사 스펙트럼 AM 1.5 및 AM 1.5 하 태양광 흡수체 태양에너지 흡수 스펙트럼. b 태양 복사 전체 스펙트럼 범위 태양광 흡수체 흡수/누락 에너지

[36] 보고된 바와 같이 AM1.5 태양 조명 하 단락 전류 밀도 J_sc는 \( {J}_{\mathrm{sc}}={\int}_{400\ \mathrm{nm}}^{3000\ \mathrm{nm}}\frac{e\lambda}{hc}{\Phi}_{\mathrm{AM}1.5}\left(\lambda \right)\mathrm{A}\left(\lambda \right), \)로 기술. e 전자 전하, h 플랑크 상수, λ 빛 파장, Φ_AM1.5(λ) AM 1.5 태양 복사, A(λ) 흡수율, c 빛 속도. 여기선 다른 매개변수 불변 조건 GaAs 나노안테나 두께 변경해 단락 전류 밀도 조사. t₂ 30~210nm 30nm 단계 튜닝시 수집 광전류 그림 5 도출. J_sc 주로 300~3000nm 범위 공진 모드 수 의존해 t₂ 강한 규칙성 획득. t₂=120nm에서 최대 J_sc 61.947mA/cm² 얻음, Meng 등 보고(30.3mA/cm²)[35]보다 훨씬 큼.

TM 편광광 하 GaAs 나노안테나 두께에 따른 단락 전류 밀도

결론

얇은 W-GaAs-Ti 삼층 적층 구조 위 단일층 ITO 코팅 GaAs 나노안테나 기반 태양광 흡수체 제시. 468~2870nm 파장 범위 평균 흡수 95% 초과 초광대역 근완벽 흡수체 달성. 초광대역 흡수 특성 GMRs, 공동 모드, SPPs 시너지 기원. 초광대역 태양광 완벽 흡수체 고온 내성, 입사광 각도/편광 무감도, 최고 단락 전류 밀도 61.947mA/cm² 가짐. 박막 태양전지, 태양에너지 수확, 열방사체 달성에 새로운 관점 제공.

데이터 및 재료 가용성

이 연구 동안 생성되거나 분석된 모든 데이터는 이 논문에 포함되어 있습니다.

약어

TM:

횡자기

1D:

1차원

AR:

반사방지

GMRs:

가이드 모드 공진

SPPs:

표면 플라즈몬 폴라리톤

MSM:

금속-반도체-금속

FDTD:

유한차분 시간영역

TE:

횡전기