ナノワイヤ/量子ドットハイブリッドナノ構造アレイ太陽電池の光起電力性能

背景

量子ドット（QD）を太陽電池に組み込むことは、デバイスの変換効率を高めるための有望な方法として提案されています[1、2]。太陽電池の活性領域に量子ドットを挿入することで、材料の有効バンドギャップを設計し、吸収スペクトルを拡張することができます[3,4,5,6]。これは、均質な太陽電池の光電流を増強するために[7,8,9]、またはホスト材料のバンドギャップ内に孤立した中間バンドを形成して、ホスト材料のエネルギーギャップ未満のエネルギーで光子を吸収するために使用できます[10,11,12 、13]。ただし、従来のデバイスの効率を超えるには、QDによる吸収の向上を大幅に改善する必要があります。これは、QDの数を増やすか、光吸収を高めるか、または両方の組み合わせによって達成できます[14]。近年、魅力的な構造は、ナノワイヤ（NW）の側壁にStranski-Krastanov（SK）QDを成長させることによって製造されています。これは、2種類のナノ構造の利点を組み合わせる革新的なアプローチを提供します[15、16、17、 18,19]。多層QDはNWの側壁に成長させることができ、これによりQDの数が大幅に増加します。一方、垂直に整列したNWアレイは、優れた光トラップ能力によりQDの吸収を劇的に向上させることができます[20、21、22、23、24 ]。したがって、NW / QDハイブリッドナノ構造アレイのQDによってもたらされる光電流は、薄膜QD構造の光電流よりも大きいと予想されます。さらに、NW / QDハイブリッド構造は低コストのシリコン基板上に製造できるため、低コストで高効率の太陽電池に有望です[25]。 NW / QDハイブリッドナノ構造の製造と光学特性は広く報告されていますが、ハイブリッド構造に基づく太陽電池の性能はまだ調査されていません。

この論文では、GaAs / InAs NW / QDハイブリッド太陽電池の光起電力性能を調査するために、結合されたオプトエレクトロニクスシミュレーションが提示されます。考慮される構造は、垂直に整列されたNWアレイで構成され、各NWには、NW成長軸に垂直に配置された5層のQDが含まれています。 QDと濡れ層（WL）の両方がサブバンドギャップの光子吸収に寄与し、吸収スペクトルを950nmに拡張します。各NWは、固有領域にあるすべてのQDレイヤーを備えたラジアルピンジャンクションで構成されています。最初に、QDがある場合とない場合のNWアレイ間の光吸収スペクトルの比較が、3次元有限差分時間領域（3D-FDTD）シミュレーションを使用して行われます。それらの薄膜対応物の吸収スペクトルも計算されます。次に、光生成プロファイルを電気シミュレーションに組み込んで、電流密度と電圧（ I ）を計算します。 - V ）特性。結果は、NWアレイと薄膜太陽電池の両方で、QDを組み込むことで短絡電流（ J ）を高めることができることを示しています。 _sc ）光吸収を増やすことによって;ただし、開回路電圧（ V ）の縮退 _oc ）同時に発生します。 NWアレイ太陽電池の量子ドットによって引き起こされる全体的な電力変換効率の向上は、同じ量の量子ドットを含む薄膜太陽電池の効率向上よりも6倍高く、NWアレイ構造が光起電力性能に役立つことを示しています量子ドット太陽電池の。

メソッド

私たちの以前の研究[15]では、NW / QDハイブリッド構造の製造は、Thomas Swan Close Coupled Showerhead（CCS）有機金属化学蒸着（MOCVD）システムを使用して実現されました。トリメチルガリウム（TMGa）、トリメチルインジウム（TMIn）、およびアルシン（AsH ₃ ）前駆体として使用されました。キャリアは水素でした。 AuコーティングされたGaAs基板をMOCVDリアクターにロードし、AsH ₃ でアニールしました。 触媒としてAu-Ga合金粒子を形成するための周囲温度。 GaAs NWは最初に成長し、次にTMGaをオフにして温度を上げることにより、InAs量子ドットの最初のシェルが堆積されました。 InAs QD層の成長後、GaAsスペーサーシェルがInAsQD上に放射状に成長しました。 QD構造の多層は、InAsQDとGaAsスペーサーシェルの組み合わせを一定時間繰り返すことで実現されました。

NW / QDハイブリッド太陽電池の概略図を図1aに示します。このデバイスは、周期的なGaAs / InAs NW / QDハイブリッド構造で構成されています。各NWには、図1bに示すように、固有領域のNW成長軸に垂直に配置された5層のQDを備えたラジアルピンジャンクションが含まれています。 p型シェルとn型コアのドーピング濃度は3×10 ¹⁸ です。 および1×10 ¹⁸ cm ^-3 、 それぞれ。 QD層は、InAs QD、WL、およびQDを取り巻くGaAs材料を効果的な媒体として扱うことによってモデル化されます。各有効媒体の厚さは2nmです。

a NW / QDハイブリッド太陽電池とそれに対応する薄膜の概略図。 b a のワイヤーフレームでマークされたユニットの詳細な構造 。 c 有効媒体の吸収係数。有効媒体中のQD、WL、およびGaAsの体積分率は、それぞれ0.002882996、0.649123、および0.347994です

光学シミュレーションの場合、有効媒体の波長依存複素屈折率は、[26]で説明されているように、QD、WL、およびGaAs材料の体積加重重ね合わせによって計算されます。 （1）。

ここで F _QD 、 F _WL 、および F _GaAs は、それぞれ有効媒体中のQD、WL、およびGaAs材料の体積分率です。 InAs QDとWLの吸収係数は、同じQDサイズと密度で[26]から得られます。その他の材料パラメータは[27]から取得されます。この作業で使用した吸収係数を図1cに示します。 GaAsバンドギャップの下に2つのピークが観察され、1つは波長876 nmを中心とし、もう1つは916nmを中心とします。これはQD層に起因します。 QD層を含む薄膜太陽電池も比較のためにシミュレートされています。薄膜太陽電池の厚さは北西の長さに等しく設定され、薄膜太陽電池の量子ドット層の総体積と真性層の厚さは北西のそれらと同じに設定されます。 / QDハイブリッド太陽電池。太陽電池の吸収特性は、FDTD Solutionsソフトウェアパッケージ（Lumerical Solutions、Inc。）によって計算されます。周期境界条件を設定することにより、シミュレーションを単一のユニットセルで実行して、周期配列構造をモデル化できます。 AM1.5Gスペクトルは、300〜950nmの87の個別の波長間隔に分割されます。横電気（TE）モードと横磁気（TM）モードの寄与を重ね合わせて、太陽光の対応する非偏光機能をモデル化します。 AM1.5G照明下での総光生成は、スペクトル分解された単一波長の光生成率を重ね合わせることでモデル化できます。

電気モデリングの場合、3D光学生成プロファイルは、デバイスソフトウェアパッケージ（Lumerical Solutions、Inc。）のデバイスの有限要素メッシュに組み込まれ、ポアソン方程式と組み合わせたキャリア連続方程式を自己無撞着に解きます。有効媒体のキャリア輸送特性をモデル化するために、GaAsバリアで光生成されたキャリアが低バンドギャップ2D WLによって捕捉され、その後、1〜50 psの時間スケールでQD基底状態に緩和すると仮定します[28、 29]。 QDで生成された、またはWLからキャプチャされたキャリアは、再結合するか、熱放射によってWLに戻ります[30]。捕獲と脱出のプロセスは、文献で報告されている量子ドットからの熱放射の活性化エネルギーに従って、GaAsと有効媒体の界面に100meVの有効バンドオフセットを設定することによってモデル化されています[30、31、32]。同様のモデリング方法が[26]で報告されており、QDで強化された多接合太陽電池の特性が調査されています。 NW / QDハイブリッド太陽電池の照明エネルギーバンド図を図2に示します。

NW / QDハイブリッド太陽電池の照光エネルギーバンド図

デバイスの電気シミュレーションでは、放射、オ​​ージェ、およびショックリー-リードホール（SRH）の再結合が考慮されます。 QDマイノリティキャリアの寿命は、1nsの放射再結合寿命と10nsのSRH再結合寿命を使用して記述されます[26]。有効媒体の最終寿命は、QDとGaAs NW再結合寿命の加重和です（キャリアが捕捉されたと仮定） [26]で説明されているように、WLによってその後QDによってキャプチャされます。有効媒体のオージェ再結合係数は4.2×10 ⁻²⁹ に設定されています。 cm ⁶ / s [33]。また、電子と正孔の有効質量は0.053 m に設定されています。 ₀ および0.341 m ₀ 、それぞれ[26]。有効な媒体領域を通過するバリアキャリアの輸送のモデリングでは、バリアモビリティ（2500 cm ² ）を使用します。 / Vs電子および150cm ² [35]で説明されているように、穴の/ Vs）[34]。ナノワイヤ表面が十分に不動態化されていると仮定して、デバイスモデルでは3000 cm / sの表面再結合速度が使用されます[34、36]。また、接触少数キャリア再結合速度は10 ⁷ に設定されています。 cm / s [37]。

結果と考察

QD層がある場合とない場合のGaAsNWアレイ太陽電池の吸収スペクトルを図3に示します。NW半径は100nmに設定され、周期は360nmです。 QD層を導入することにより、GaAs NWの吸収が劇的に向上し、吸収スペクトルが950nmに拡張されます。図3a〜dは、さまざまなNW長の吸収スペクトルを示しています。 QD層はGaAsNWよりも吸収係数が高いため、450nmを超える波長のQD層によって吸収が著しく増加することがわかります。 NWの長さが長くなると、QD層がある場合とない場合のNWアレイ間の吸収差は、GaAsバンドギャップを超える波長範囲で小さくなり、GaAsの吸収が長いNWに対してより十分であることを示しています。 GaAsバンドギャップより下の波長範囲では、GaAs NWは光吸収にほとんど寄与しないため、NWの長さが長くなると、QD層によって誘発される吸収の向上がより顕著になります。 GaAsバンドギャップより下の波長範囲に2つの吸収ピークが観察されます。これらのピークは、それぞれ876nmと916nmを中心としており、有効媒体の吸収係数が最も高い波長に対応しています。 NW / QDハイブリッド太陽電池と比較して、薄膜太陽電池の主な損失は反射であるため、薄膜太陽電池の吸収は、膜厚の増加とともにはるかに早く飽和します。薄膜のQD層の体積比は、NWアレイの体積比よりもはるかに低いため、GaAsバンドギャップを超える波長範囲では、QD層によって引き起こされる光吸収の向上はほとんど無視できます。 GaAsバンドギャップより下の波長範囲では、光トラップ能力がないため、薄膜のQD層の吸収はNWアレイの吸収よりもはるかに低くなります。

NW / QDハイブリッドナノ構造アレイと、QD層がある場合とない場合の対応する薄膜の吸収スペクトル。 a の北西の長さ – d それぞれ500、1000、2000、3000nmです

検討対象の構造の光生成プロファイルを図4に示します。この部分では、長さが500nmと3000nmのNWを検討します（以降、それぞれ短いNWと長いNWと呼びます）。有効媒体でのキャリア生成がGaAsでのキャリア生成よりもはるかに高いことは明らかであり、QDによって誘導される吸収の向上を示しています。 NW / QDハイブリッド太陽電池では、一部のキャリアが代わりにQD領域に集中しているため、NWコア領域で生成されるキャリアは少なくなります。高濃度にドープされたコア領域はしばしば深刻な再結合損失に悩まされるため、この現象はデバイスの性能に役立つと期待されます。短いNWでは、光生成キャリアはNW全体に分布しますが、長いNWでは、キャリアは主に上部に集中します。これは、検討対象のNWアレイに基板が含まれていなくても、長いNWでの光吸収で十分であることを示しています。長いNWでは、QD層の高キャリア生成領域がNWコアよりも長く伸び、キャリアはNW軸に沿っていくつかのローブに集中していることがわかります。これは、北西部の長波長領域での共振モードによって引き起こされます。長波長光は吸収長が長く、主にQD領域、特にGaAsバンドギャップ未満の波長範囲の光で吸収されます。 876および916nmでのGaAsNWの非偏光照明下での電界分布を図4cに示します。この図から、電界がQD領域と強くオーバーラップしていることがわかります。これは、NW構造がこの波長でのQD吸収。 500 nmの薄膜太陽電池の光生成プロファイルを図4dに示します。薄膜構造での吸収は、NWでの吸収よりもはるかに弱いことがわかります。薄膜構造の場合、量子ドットで生成されたキャリアは、全体的な生成プロファイルにほとんど影響を与えません。 NWにいる間、同じボリュームのQDは、NWのガイド付き共振モードのおかげで吸収に大きく寄与する可能性があります[21]。

a 短いNWおよびNW / QDハイブリッド太陽電池の光生成プロファイルの垂直断面。 b 長いNWおよびNW / QDハイブリッド太陽電池の光生成プロファイルの垂直断面。 c 876および916nmでの北西断面の電界分布。QD層の位置は白い線で示されています。 d 薄膜および薄膜/ QDハイブリッド太陽電池の光生成プロファイルの垂直断面図

さらなる研究は、QDによって誘発される吸収増強に起因する光起電力効率の向上の潜在的な増加の調査に焦点を合わせています。以前にシミュレートされた光生成プロファイルは、 I を計算するためにデバイスソフトウェアパッケージに組み込まれています - V 考慮されるデバイスの特性。キャリア生成は、QD領域で増加すると予想されます。ただし、QD領域のキャリアは再結合率が高くなります。その結果、短絡電流が増加します（ J _sc ）QDで強化された太陽電池では、開回路電圧（ V ）の劣化を伴うことがよくあります。 _oc ）[38]。デバイス効率に対するQDの影響は、 J 間のトレードオフに依存します _sc 増加して V _oc 割引。 私 - V NW太陽電池の特性を図5a、bに示します。短いNWでQDを組み込むと、 J になります。 _sc 1.09 mA / cm ² の強化 および V _oc 0.017 Vの削減。長い北西にいる間、 J _sc 1.22 mA / cm ² の増加 および V _oc 0.021Vの低下が見られます。全体的な効率の向上は、短いNWで0.67％、長いNWで0.45％です。 NWの長さを増やすことにより、 J _sc V と同様にエンハンスメントが増加します _oc QDボリュームの増加による減少。図5cは、 V 付近の北西部における放射再結合プロファイルを示しています。 _oc ;純粋なGaAsNWと比較して、放射再結合率はQD層で3桁以上増加します。これは、 V を説明しています。 _oc 変性。 QDがある場合とない場合の薄膜太陽電池の変換効率も計算されます。 NWと薄膜構造のQDボリュームは同じですが、QDによって引き起こされる効率の向上はわずか0.11％であり、NWの太陽電池よりもはるかに低くなっています。この結果は、NWアレイが量子ドット太陽電池の効率を高めるのに有利であることを示しています。 V の縮退により、QDによって引き起こされる効率の向上はこの作業ではそれほど印象的ではありません。 _oc ;ただし、 V を維持するためのいくつかのアプローチが実証されています _oc QDで強化された太陽電池[5、39]。 V を使用すると、より満足のいく効率向上が期待できます。 _oc NW / QDハイブリッド太陽電池では変性を回避できます。さらに、量子ドットの光吸収スペクトルは、ドットサイズ分布に強く依存します[40、41、42]。 QDのサイズと密度を変更することで、より高い吸収係数を達成できると考えています。これにより、吸収が大幅に向上し、変換効率が向上する可能性があります。

a 私 - V 短いNWおよびNW / QDハイブリッド太陽電池の特性。 b 私 - V 長いNWおよびNW / QDハイブリッド太陽電池の特性。 c 短いNWおよびNW / QDハイブリッド太陽電池の放射再結合率の垂直断面積の半分。 d 私 - V 薄膜および薄膜/ QDハイブリッド太陽電池の特性

結論

要約すると、GaAs / InAs NW / QDハイブリッド太陽電池の光起電力性能を研究しました。結果は、GaAsNWの吸収スペクトルがNW側壁に多層InAsQDを組み込むことにより、950nmまで拡張できることを示しています。 NWアレイの光トラッピング効果により、QDの吸収も劇的に改善されます。 私 - V 特性は、 J _sc 北西部の太陽電池では、光吸収の強化により増加する可能性がありますが、 V _oc QDによって誘発されるより深刻な組換えのために退化しています。 NW太陽電池のQDによって引き起こされる全体的な効率の向上は、薄膜太陽電池よりもはるかに高く、GaAs / InAs NW / QDハイブリッド構造がQD太陽電池に有望であることを示しています。

略語

3D-FDTD：

3次元有限差分時間領域

AsH ₃ ：

アルシン

CCS：

結合シャワーヘッドを閉じる

I - V ：

電流密度対電圧

J _sc ：

短絡電流

MOCVD：

有機金属化学蒸着

NW：

ナノワイヤー

QD：

量子ドット

S-K：

Stranski-Krastanov

SRH：

Shockley-Read-Hall

TE：

横電気

TM：

横磁気

TMGa：

トリメチルガリウム

TMIn：

トリメチルインジウム

V _oc ：

開回路電圧

WLs：

ぬれ層