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 밀도를 분석했으며 구조적 매개변수도 최적화했습니다. 우리의 계산은 나노홀의 높이가 증가함에 따라 포화되는 경향이 있는 광전류 밀도를 보여줍니다. 다른 파장에서 광자의 흡수 향상 모드는 전기장의 분포에 의해 직관적으로 분석되었습니다. 이러한 결과는 페로브스카이트/Si 탠덤 태양 전지의 고효율 설계를 향한 실행 가능하고 편리한 경로를 가능하게 합니다.
태양 에너지는 재생 가능하고 청정한 에너지의 일종으로 인류의 지속 가능한 발전에 매우 중요합니다. 광전 변환 효율과 준비 비용은 빛 에너지를 직접 전기로 변환하는 태양 전지의 산업 응용을 결정하는 핵심 비율입니다. 현재 실리콘 기반 태양전지는 세계 태양광 시장의 90%를 차지하는 태양전지의 주류이다. 실리콘 기반 태양전지의 효율은 25.6%로 Shockley-Queisser의 한계 효율(33.7%)에 가깝지만 제조원가는 여전히 높다[1, 2]. 실리콘 기반 태양 전지의 개발은 제조 비용을 줄이고 전지 효율을 향상시켜야 합니다.
태양 스펙트럼의 에너지 분포가 넓기 때문에 모든 반도체 재료는 밴드갭 폭보다 에너지 값이 더 넓은 광자를 흡수할 수 있습니다. 따라서 태양광 스펙트럼을 더 잘 활용하기 위한 입증된 접근 방식은 이중 접합 탠덤 태양 전지를 형성하는 것입니다[3, 4]. 원칙적으로 Si-tandem 태양 전지는 태양 스펙트럼의 다른 부분을 선택적으로 흡수하고 단일 접합 Shockley-Queisser를 능가할 수 있습니다. 이상적인 2접합 실리콘 탠덤 태양전지의 이론적 한계 효율은 46%로 보고되었습니다[5,6,7].
페로브스카이트 태양 전지는 광전지 잠재력이 크며 불과 몇 년 만에 성능이 크게 향상되었습니다. 광전변환 효율은 2009년 3.7%에서 현재까지 25.2%에 이른다[8,9,10]. 또한 페로브스카이트는 차세대 저비용 태양전지를 위한 가장 유망한 광흡수 물질로 간주된다. 페로브스카이트의 밴드갭 너비가 1.55eV일 때 800nm 미만의 파장을 가진 광자를 흡수할 수 있는 반면, 밴드갭이 1.12eV인 실리콘은 태양 스펙트럼에서 800nm 이상의 파장을 가진 광자를 흡수할 수 있습니다. 두 가지가 위에서 아래로 탠덤 셀을 형성할 때 흡수 스펙트럼이 서로 보완되어 태양 스펙트럼의 활용도가 크게 향상되고 준비 비용이 절감됩니다[11,12,13,14].
모든 종류의 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지 중에서 2단자 모놀리식 탠덤은 실리콘 바닥 셀에 페로브스카이트 막을 직접 증착하여 일체형으로 제작할 수 있기 때문에 가장 큰 잠재력을 가지고 있습니다. Bush et al. E가 있는 p-i-n 페로브스카이트 상단 셀을 사용하여 후면 이미터 SHJ 하단 셀에서 23.6% 효율 달성 g =1.63ev는 전면 전자 선택층의 기생 흡수 감소 이후입니다. 또한 Oxford PV는 2018년에 28%의 전력 변환 효율에 도달하여 페로브스카이트/실리콘 탠덤이 태양 전지 기술에 혁명을 일으킬 수 있는 큰 잠재력이 있음을 추가로 확인했습니다[15,16,17]. 그러나 한계 효율의 85%에 도달할 수 있는 실리콘 기반 태양 전지에 비해 페로브스카이트/실리콘 기반 탠덤 셀은 여전히 효율 개선의 여지가 많습니다. 페로브스카이트/실리콘 탠덤 전지에 대한 대부분의 연구는 상단 전지와 터널링 접합부의 설계에 초점을 맞추는 반면 하단 전지는 대부분 텍스처 표면 또는 SiNx를 채택합니다. 광 흡수를 향상시키기 위한 층 [18, 19]. 선택적 흡수를 향상시키는 효과적인 방법은 입사광을 도파 모드로 통합하는 것입니다[20]. 위의 목적을 위해 나노홀 어레이를 하단 서브셀 설계에 도입합니다. 동시에, 일반적으로 텍스처링된 표면과 비교하여 실리콘 나노홀 어레이의 표면이 더 매끄럽고, 이는 상단 및 하단 셀 사이의 전류 매칭에 더 도움이 됩니다[21, 22].
이 편지에서 우리는 FDTD(Finite-Difference Time-Domain) 방법을 사용하여 바닥 셀로 실리콘 나노홀 어레이가 있는 페로브스카이트/실리콘 탠덤 소자의 광 흡수 특성을 수치적으로 연구합니다. 그림 1과 2는 제안된 나노홀 구조의 페로브스카이트/실리콘 탠덤 셀의 개략도와 개별 기간의 측면도를 각각 보여줍니다.
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모델에 사용된 나노홀 구조의 페로브스카이트/실리콘 탠덤 셀의 개략도
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아 모델에 사용된 나노홀 어레이의 개략도. ㄴ 개별 기간의 2D 측면도
우리 모델에서 나노홀 어레이는 TiO2로 채워져 있습니다. 두 접합 사이의 터널링 층으로. 나노구조 서브셀의 광학적 특성, ITO의 두께, Spiro-OMeTAD, CH3 NH3 PbI3 , SiO2 및 TiO2 각각 50nm, 10nm, 300nm, 20nm, 40nm로 고정됩니다. 그림 2와 같이 어레이는 주기성(P ), 나노홀의 직경(D ), 나노홀의 높이(h ) 및 실리콘 기판의 총 높이(H ). 충전 비율은 \(\eta =D/P\)로 정의됩니다. 실리콘 기판의 전체 높이 H 1μm로 고정됩니다. 또한, 셀 설계에 사용되는 실리콘 및 기타 재료의 광학 상수는 F Miha의 연구에서 가져온 것입니다[23]. x, y 방향으로 주기적인 경계조건을 적용하고 z 방향으로 완벽하게 일치하는 층 경계조건을 적용하였다. 광원은 z를 따라 나노홀 어레이에 수직인 300~1100nm 범위의 평면파 소스로 간주됩니다. 방향.
반사율(R ), 그리고 실리콘 기판 하단의 두 번째 모니터는 투과율(T ); 흡수(A ) 페로브스카이트/실리콘 탠덤의 )은 \(A(\lambda ) =1 - R(\lambda ) - T(\lambda )\)에 의해 결정됩니다. 흡수 성능은 단락 전류 밀도 \(J_{{{\text{sc}}}}\)에 의해 평가되며, 이는 [14]로 정의됩니다.
$$J_{{{\text{sc}}}} =\frac{e}{hc}\int_{{\lambda_{{\min}} }}^{{\lambda_{{\max}} }} {\lambda A(\lambda )\Phi (\lambda ){\text{d}}_{\lambda } }$$ (1)여기서 \(\Phi (\lambda )\)는 AM1.5G의 태양 에너지 밀도 스펙트럼, e 기본 요금, h 는 플랑크 상수이고 c 는 진공에서의 광속이다. 소수 캐리어의 확산 길이가 CH3에서 충분히 길기 때문에 모든 광 생성 캐리어가 전극에 의해 수집된다고 가정합니다. NH3 PbI3 및 수정 실리콘.
나노홀 어레이가 탠덤 태양 전지에서 광 흡수에 미치는 역할을 명확히 하고 광학 특성의 설계를 적절하게 안내하기 위해 우리는 다양한 충전 비율에서 나노홀 어레이의 흡수 곡선을 계산했습니다. 실험 과정을 시뮬레이션할 때 300nm CH3 NH3 PbI3 층과 1μm 실리콘 기판을 적용하여 광자를 캡처했습니다. 그림 3a, b에서 볼 수 있듯이 바닥 나노홀의 높이는 서로 다른 기간에 대해 각각 600nm의 수치를 유지했습니다. 충전율 값이 0.1에서 0.9로 증가함에 따라 흡수 곡선은 세 부분으로 나눌 수 있습니다. 초기에 흡수는 300~600nm의 단파장 범위에서 성능 저하를 나타냈습니다. 그런 다음, 페로브스카이트 층의 흡수는 600-850nm 범위에서 감소를 형성하는 반면, 공명은 600nm의 시작점에서 피크를 형성하는 것으로 관찰되었습니다. 세 번째 부분은 850~1100nm 범위에 속하며 총 3개의 흡수 공명 피크를 포함합니다. 파장 흡수에 대한 페로브스카이트 층의 우세 한계가 최대 850nm에 이를 수 있다는 점을 고려하면 해당 값은 CH3의 임계 파장으로도 간주될 수 있습니다. NH3 PbI3 우리 모델에서.
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나노홀 어레이가 있는 탠덤 태양 전지의 광학적 특성화. 아 고정된 P에서 흡수 스펙트럼 대 충전 비율 =400nm 및 h =600nm. ㄴ 고정된 P에서 흡수 스펙트럼 대 충전 비율 =500nm 및 h =600nm. ㄷ 다양한 기간의 광전류 밀도 대 충전 비율. d P 조건에서 광전류 밀도 대 충전율 증가 =500nm
그림 3c에서 광전류 밀도와 η는 양의 상관관계를 보여 η가 증가함에 따라 증가함을 의미함을 알 수 있습니다. 고정주기파라미터는 전류밀도의 증가가 처음에는 급격하게 성장하는 단계에 있는 것으로 보이며, 점차적으로 \(J_{i}\)는 충진율이 0.5보다 큰 포화영역에 진입한다. AM1.5G에서 장파장과 단파장의 고르지 않은 분포. 충전율 값이 증가함에 따라 실리콘 기판의 흡수 효율도 그에 따라 향상되었습니다. 그러나 실리콘 재료는 단일 기간에 감소하는 것으로 보입니다. 따라서 실리콘 나노홀 어레이의 충진율은 최적의 값으로 제시되어야 한다. 공명 흡수의 피크는 스펙트럼에서 1000nm 부근의 값에 도달하며, 피크는 다른 두 조건에 비해 주기가 500nm일 때 최대값에 도달하는 것으로 간주할 수 있습니다. 그림 3d는 P 조건에서 충전율이 증가함에 따라 광전류 밀도가 증가하는 곡선을 보여줍니다. =500nm. 또한 다항식 피팅을 통해 빨간색 선을 얻을 수 있습니다. 충진비가 정확히 0.5에 도달하면 광전류 밀도의 증가에 변곡점이 나타날 것이라고 결론지을 수 있습니다.
위의 분석에 따르면 나노홀 어레이를 기반으로 하는 탠덤 셀의 최적화된 흡수 매개변수는 500nm의 주기에서 찾을 수 있으며 충전 비율은 0.5의 정확한 수치에 있습니다. 광 흡수의 방출 메커니즘을 더 명확하게 하기 위해 다른 나노홀 높이에 대한 흡수 스펙트럼을 언급된 조건에서 비교했습니다. 그림 3a, b는 각각 나노홀 높이의 증가에 따른 분광 흡수 및 광전류 밀도의 변화 경향을 보여줍니다. 1000nm 파장의 흡수 피크는 나노홀의 높이 의존성이 높은 반면, 그림 4b와 같은 다른 두 흡수 피크의 나노홀 높이 의존성은 매우 약한 것으로 요약할 수 있다. 이러한 결과는 Mie 공명이 여기를 지배함을 나타냅니다. 그림 4c, d에서 상당한 전류 밀도 증가가 14.53에서 15.68mA/cm 2 로 상승하는 것을 관찰할 수 있습니다. 깊이가 300nm 미만이고 h 값이 300nm보다 크면 값이 거의 포화 상태에 도달합니다. 나노홀 높이에 대한 이러한 약한 의존성은 실제로 나노홀 어레이의 설계 및 제조 측면에서 유용할 수 있습니다.
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나노홀 어레이가 있는 탠덤 태양 전지의 광학적 특성화. 아 고정된 P에서의 흡수 스펙트럼 대 높이 =500nm 및 η =0.5. ㄴ 흡수 스펙트럼의 확대 보기는 800~1100nm 범위입니다. ㄷ 고정 P에서의 높이 대 전류 밀도 =500nm 및 η =0.5
일반적으로 탠덤형 태양전지의 계면 구조에 광파가 들어가면 산란 및 방출 효과가 나타난다. 나노홀 어레이 구조로 인한 광파의 산란은 광자의 전파 경로를 길게 한다. 나노홀 어레이가 있는 페로브스카이트/Si 탠덤 태양 전지의 광 흡수를 추가로 분석하기 위해 시뮬레이션된 실험은 500nm, 600nm에서 단면 전기장 강도 분포 \((|E|^{2} )\)를 선택합니다. , 700 nm, 800 nm, 900 nm 및 1000 nm 파장, h 값이 900 nm에 유지됨에 따라 높이는 고정되도록 설계되었으며, 이는 그림 5에도 나와 있습니다. 단위 부피당 광흡수의 공간 프로파일 x에서 –z 평면은 페로브스카이트, 나노홀 어레이 및 실리콘 기판의 세 부분으로 나눌 수 있습니다. 나노홀 어레이 부분에서 구조화된 실리콘은 TiO2로 이격되어 있습니다. 채워진 나노홀은 그림 5a에서 점선으로 표시되어 있습니다.
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고정 높이 900nm에서 직렬식 태양 전지의 전기장 강도 분포 a 500nm의 파장, b 600nm의 파장, c 파장 700nm, d 800nm의 파장, e 900nm에서 파장 및 f 1000nm에서 파장
그림 5a, b는 상단 셀이 단파장(<600nm)의 흡수를 지배할 수 있음을 시사합니다. 그러나 600nm 파장 아래에서 나노홀 어레이에 의해 생성된 반사 방지 효과는 500nm 파장 아래에서보다 더 뛰어난 것으로 보입니다. 그러나 실리콘의 낮은 흡수 계수로 인해 중간 파장(500–600nm)에서의 흡수는 평면 구조의 흡수보다 낮습니다. 또한 주기적인 나노홀의 존재 덕분에 상단 페로브스카이트 층에서 명백한 간섭 효과도 관찰할 수 있습니다. 즉, 700nm 및 800nm에서 빛의 반사가 상단 셀로 되돌아가 흡수를 향상시킬 수 있음을 의미합니다.
페로브스카이트가 850nm에서 날카로운 흡수 모서리를 가지고 있다면 900nm와 1000nm의 파장은 그림 5e, f와 같이 하단 셀에 전달되고 주로 하단 셀에 의해 흡수됩니다. TiO2 충전으로 실리콘 나노홀 어레이에서, 하부 셀로 이어지는 굴절률의 주기적 분포 차이는 탠덤 근처의 전자기장에 위치한 전도 모드를 지원하기 위한 것이며, 이러한 전도 모드와의 입사광 결합은 흡수. 이 접근 방식의 가능성을 설명하기 위해 서로 다른 나노홀 어레이 높이에서 분석을 수행하기 위해 4가지 다른 경우를 시뮬레이션했습니다. 이러한 모든 흡수는 η =0.5 및 P =500 nm와 동일한 나노홀 어레이 매개변수를 가지며 입사 파장 광은 그림 6에서와 같이 900nm로 고정됩니다. 지원되는 가이드 모드 상호 작용의 상호 작용은 다음을 따라 크게 향상됩니다. 나노홀의 높이가 증가함에 따라.
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높이 a에 따른 나노홀 어레이가 있는 직렬 태양 전지의 900nm에서 전계 강도 분포 어 =100nm, b 어 =300nm, c 어 =600nm, d 어 =900nm
요약하면, 이 기사는 고효율 탠덤 소자를 달성하기 위한 실용적인 방법으로 나노홀 어레이와 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양 전지의 조합을 연구했습니다. 최적화된 나노홀 어레이 세트가 η =0.5 및 P =14.53mA/cm 2 값에서 500nm 증가 ~ 15.68mA/cm 2 어레이의 깊이가 300nm 미만인 경우 이러한 장치는 고효율의 전제로 사용될 수 있습니다. 그런 다음 TiO2로 채워진 나노홀 어레이의 도입을 통해 , 우리는 탠덤 셀의 광 흡수 모드가 다양한 광 흡수 모드와 혼합 모드로 전환된다는 것을 추가로 증명했습니다. 단파장의 선택적 감소는 단파장 광자 흡수의 감소로 이어집니다. 그러나 상단 셀에서 트래핑되는 빛과 하단 셀에서 트래핑되는 인덱스 유도 광을 생성하는 간섭은 탠덤의 선택적 흡수를 크게 향상시키는 역할을 할 수 있습니다. 위의 실험 결과는 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양 전지의 흡수를 향상시키는 유망한 방법임을 입증했습니다.
본 원고에서 내린 결론은 본 논문에서 제시하고 제시한 데이터(본문 및 그림)를 기반으로 합니다.
유한 차분 시간 영역
나노물질
초록 페로브스카이트 태양전지(PSC)의 전력변환효율(PCE)이 급격히 증가하고 있지만 아직 상용화를 제한하는 몇 가지 문제가 있다. 페로브스카이트는 물 분자에 민감하여 주변 조건에서 페로브스카이트 필름을 준비하는 데 어려움을 증가시킵니다. 기존 방식에 기반한 대부분의 고성능 PSC는 불활성 분위기에서 제조해야 하므로 제조 비용이 증가합니다. 주변 조건에서 고품질 페로브스카이트를 제조하기 위해 기판을 예열하고 적절한 반용매를 선택했습니다. 그 결과, 타겟 페로브스카이트 필름은 상온 조건에서 기존의 1단계 증착 방법으로 제조된 페로브
초록 본 논문에서는 THz 마이크로볼로미터 어레이의 마이크로 브리지 구조에 금속 스플릿 링 공진기를 기반으로 하는 주기적 구조를 통합하여 넓은 주파수 범위에서 높은 THz 파장 흡수를 달성합니다. 35μm × 35μm의 작은 단위 크기로 다층 구조 어레이의 THz 파장 흡수 특성에 대한 분할 링 구조의 영향을 연구하여 공명 흡수 주파수를 조작합니다. 스플릿 링과 금속 디스크의 결합 구조를 통합하여 흡수 대역폭을 효과적으로 증가시킵니다. 광대역 THz 흡수는 다른 구조의 흡수 피크를 결합하여 형성됩니다. 금속 디스크와 결합된 이중
