ヘミエリプソイドおよび反転ヘミエリプソイド修飾半導体ナノワイヤアレイの優れた光閉じ込め

背景

太陽光発電（PV）効果に基づく太陽光発電は、過去数十年で目覚ましい進歩を遂げ、世界のエネルギー構造を徐々に変化させています[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。絶え間なく増大するPV電力の需要を満たすために、PVモジュールの大規模な展開が急務である一方で、結晶シリコンウェーハをベースにした市場で支配的なPV製品の高い材料コストに主に関連する比較的高い価格によって制限されています[ 11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]。薄膜ベースのPVデバイスは、材料コスト削減の大きな可能性を秘めていますが、光学的厚さが限られているために光吸収が不十分であることが大きな懸念事項であり、反射防止コーティングや基板テクスチャなどの光管理構造を導入することで対処する必要があります。その結果、追加費用が発生します[21,22,23,24,25,26,27]。

従来の平面構造とは異なり、ナノ構造の半導体ソーラーアブソーバーは、光管理と光生成キャリア収集において優れた特性を備えているため、太陽電池や光検出器などの高性能でコストのかかるオプトエレクトロニクスデバイスのアプリケーションに大きな可能性を示します[28、29、30 、31、32、33、34、35、36]。関連する研究者による多大な努力のおかげで、ナノワイヤー（NW）[37,38,39,40,41,42,43,44,45]、ナノコーン[46,47,48,49、 50]、ナノピット[51,52,53]、およびナノ半球[54、55]アレイが導入され、理論的および実験的側面の両方から調査されました。反射防止、漏れモード、誘導縦共鳴、光散乱、および表面プラズモン共鳴の光トラッピングに対する空間屈折率の変更を含む光管理モードの効果は、異なるナノ構造に対して異なる重みで理解され、強調されてきた[56,57,58,59 、60,61]。ただし、個々の光管理モードでは、特に太陽電池アプリケーションの場合、広いスペクトル範囲で効率的な光の閉じ込めを実現できません。したがって、完全なスペクトル吸収増強には、異なる光管理モードの組み合わせが必要です。一方、低コストで高い再現性など、製造上の懸念を考慮すると、光吸収体のシンプルな構造が求められます。

半導体NWアレイの有効厚さが制限された、より効率的な光閉じ込めを実現するために、ヘミエリプソイドおよび逆ヘミエリプソイド構造を使用したトップモディフィケーションを導入し、この論文の光管理動作について体系的に調査します。効果的な反射防止と光散乱の相乗効果により、光の閉じ込めは、変更なしのNWアレイと比較して、有効な厚さが減少することで大幅に向上します。 GaAs NWアレイの場合、バンドギャップエネルギーよりも大きなエネルギーを持つ入射光子の90％と95％は、有効厚さが約180および270nmの逆半楕円体で修飾されたNWアレイによってトラップされます。さらに、さらなる研究により、関連する構造が斜め入射下で優れた光閉じ込めを実現することが示されています。

メソッド

この研究では、600 nmの最適化された周期を持つ正方形に配置されたNWアレイ（図1aを参照）[56、62]が、ナノワイヤ直径（ D ）のさまざまな構造パラメータの下で調査されます。 ）、全高（ H ）、および変更の高さ（ h ）、図1bに示されているように。マクスウェルの方程式、つまり光学システムのエネルギーフラックス分布を計算するために、有限差分時間領域法が採用されています。周期境界条件をユニットの側壁に適用して、関連する配列を構築すると同時に、計算​​ソースと時間の節約に役立ちます。ユニットの上限と下限では、完全一致層の境界を使用して、すべての出力光子を吸収し、光の反射（ R ）を決定します。 ）および送信（ T ）。次に、光吸収（ A ）は、 A の関係に従って取得されます。 =1– R – T 。

a 半楕円体で修正されたNWアレイの概略図、および b 光学シミュレーション用の逆半楕円体修正NWアレイのユニット。この研究で調査された構造パラメータは、ナノワイヤの直径（ D ）、全高（ H ）、および変更の高さ（ h ）ラベル付き

本論文では、代表的な半導体オプトエレクトロニクス材料であるGaAsを調査に採用した。 1.42 eVのバンドギャップエネルギーと太陽放射の主エネルギー領域を考慮して、300〜1000nmのスペクトル範囲での光学的挙動を調査します。光学システムの光トラッピングをより定量的に比較するために、正規化された理論上の光電流密度、 ^N J _ph 、が採用されています[27、63]。これは、調査対象の構造の理論上の光電流密度とその密度の比（〜32.0 mA / cm ² ）として定義されます。 両方とも100％の内部量子効率で同じバンドギャップエネルギーを持つ理想的な吸収体のAM 1.5G [64]照明（GaAsの場合）。

結果と考察

図2は、 ^N をまとめたものです。 J _ph h の関数として H を使用したヘミエロプソイドおよび逆ヘミエリプソイド修飾GaAsNWアレイの場合 （a）1000、（b）2000、および（c）3000 nm;および D 100、300、500nmの ^N J _ph D のすべてのアレイ h の増加に伴い、100nmの 。ただし、 D が大きいこのようなアレイの場合 300nmと500nmの場合、 D の場合を除いて、適切なサイズのトップモディフィケーションを導入すると、通常、光の閉じ込めが強化されます。 =300nmおよび H =1000nm。さらに、NWが厚いほど、光の閉じ込めをより顕著に強化することができます。図2aに示すように、 ^N J _ph D のアレイでは、有効な厚さがわずか〜180および270 nmである、逆半楕円体の修正で0.90および0.95を達成できます。 =500 nm、 H = h =1000nmおよび D のアレイ =500 nm、 H =1000nmおよび h =それぞれ750nm。

正規化された理論上の光電流密度（ ^N J _ph ）半楕円体の高さ（ h ）の関数としての半楕円体および逆半楕円体で修飾されたGaAsNWアレイの場合 ） a のさまざまな合計高さで 1000、 b 2000、および c 3000nm。線径（ D ）は100、300、500nmです。各図の赤い点線と赤い破線は、 ^N の値を示しています。 J _ph それぞれ0.90と0.95の

反射防止は、フラットウェーハ/フィルムの対応物と比較して、周囲の環境（通常は空気）と光学構造の屈折率の差が小さいため、NWアレイに固有の機能であることはよく知られています[27、52]。しかしながら、反射防止は、吸収体を通る光透過を増強する可能性があるため、結果として効果的な光吸収をもたらさない。この調査では、 D のアレイ 100 nmの場合、充填率が最も低く、実効屈折率が最も低くなります。これらのアレイは優れた反射防止を示しますが、特に長波長領域（図3aを参照）、つまり光子の高密度領域では、光の透過率が非常に高くなります。さらに、図3aに示すように、上部の変更は反射防止にほとんど寄与しませんが、光の透過率が向上するため、光の吸収が悪化し（図3bを参照）、 ^N が減少します。 J _ph 北西径100nmのアレイ用。さらに、主な光閉じ込めメカニズムはHE ₁₁ であることに注意してください。 D のNWアレイのリーキーモード（図3bの挿入図を参照） =100 nm [65]。

a 反射/透過および b H の配列の吸収 =2000nmおよび D =100nm。 c リフレクション、 d 送信、および e H の配列の吸収 =2000nmおよび D =500nm。 f D による純粋なNWアレイの吸収 100、300、500nmおよび H =2000nm。 b のはめ込み HE ₁₁ の電界強度分布を示します モードであり、白い点線の円はワイヤの周囲の輪郭を示します。 f の挿入図 H の純粋なNWアレイの電界強度分布を示します =2000nmおよび D =波長810nmで500nm

D が大きいNWアレイの場合 図3cに示すように、300nmと500nmの場合、充填率、つまり有効屈折率が増加し、光の反射が明らかになります。これらのアレイの場合、ヘミエリプソイドと逆ヘミエリプソイドの両方を使用して適切に変更すると、光の反射が大幅に減少し、光の吸収が向上します（図3cおよびeを参照）。さらに、広範囲の改質高さで優れた光閉じ込めが達成できることは明らかであり、したがって、関連する高性能デバイスを製造するための利便性を提供する。たとえば、図2bに示すように、 ^N J _ph 直径500nmのNWアレイで、350〜2000 nmの範囲の逆ヘミエリプソイドまたは600〜2000nmの範囲のヘミエリプソイドで0.95を達成できます。ただし、過度の変更（つまり、 h 図3dおよびeに示すように、特に逆半楕円体を使用する場合は、光透過率が大幅に向上し、バンドギャップエネルギー周辺の光吸収が減少します。したがって、 ^N の最初の増加とそれに続く減少 J _ph 関連するNWアレイで観察されます（図2を参照）。

図3fは、 D を使用した純粋なNWアレイの吸収スペクトルを示しています。 100、300、500 nm、および H 2000nmの光吸収端が長波長側にシフトすることは明らかであり、その間、主な光管理メカニズムは、 D として漏れモードから光散乱に変化します。 増加します。さらに、 D のNWの場合 図3fの挿入図に示されているように、500 nmの場合、800 nm付近にいくつかの吸収振動が観察されます。これは、ガイドされた縦方向の共振に起因します。 D として知られています が増加すると、ガイド付き縦モードを形成できるしきい値/最長波長も増加します[56、57]。長波長光の場合、吸収係数が小さいため、ワイヤ軸に沿って伝搬するときの振幅減衰は短波長光の振幅減衰よりも比較的弱くなります。ワイヤの長さが長すぎない場合、北西の底からの反射波が入ってくる波と干渉して、ガイドされた縦波を形成する可能性があります。

光管理に対するトップモディフィケーションの影響をさらに理解するために、アレイのキャリア生成率の空間分布（ H =2000nmおよび D =500 nm）ヘミエリプソイド（ h =500 nm）および逆半楕円体（ h =500 nm）AM1.5G照明での図4を示します。 H を使用した純粋なNWアレイの対応する分布 および D 比較のために、2000nmと500nmも示されています。適切なトップモディフィケーションを導入した後、強化された反射防止と光散乱の相乗効果により、光生成キャリアの分布領域が拡大することは明らかです。ブーストされた ^N と一致しています J _ph /図2bに示すように、変更されたアレイの強化された光の閉じ込め。さらに、光生成されたキャリア分布の拡大は、特に平面 pn のキャリア収集に有益です。 接合部の構成、およびその間、構造をバルク欠陥/貧弱な材料品質に対してより許容できるようにします。純粋なNWアレイと比較して、トップモディフィケーションは表面のキャリア密度を著しく増加させ、そのようなアレイの光生成キャリアの表面再結合損失を減らすために表面パッシベーションが必要であることは注目に値します[66、67]。

アレイ（ H ）のAM1.5G照明での光生成キャリア生成率の空間分布 =2000nmおよび D =500 nm）（左）ヘミエリプソイド（ h ）によって上部修飾 =500 nm）および（中央）逆半楕円体（ h =500 nm）。 H の純粋なNW配列の生成率（右） =2000nmおよび D =500nmが比較のために提示されています

優れた光吸収体として、斜め入射下での効果的な光トラッピングが必要です。図5は、入射角αでの吸収スペクトルを示しています。 =0、30、および60度（°）（a）半楕円体および（b）逆半楕円体で修飾されたGaAs NWアレイで、図4に示すアレイと同じ構造パラメータを使用します。α =60°、限られた劣化のみが観察可能であり、両方の変更による優れた全方向性光閉じ込めを示しています。計算された光電流密度 J _ph これら2つのアレイについては、図5aおよびbの挿入図に要約されています。 J と比較した1つのメモ _ph 〜27.7および16.0 mA / cm ² αでの理想的なGaAs吸収体の場合 =それぞれ30°と60°、両方の変更されたNWアレイの対応する値は、限られた減少しか示していません。

a の吸収スペクトル hemiellipsoid-および b 逆半楕円体で修飾されたGaAsNWアレイ（ H =2000 nm、 D =500 nm、および h =500 nm）入射角（α ）0、30、および60°。挿入図は、理論上の光電流密度（ J ）をまとめたものです。 _ph ）それぞれ対応する入射角でのこれら2つの上部修正NWアレイの場合

実験的に製造されたNWの場合、表面は通常、シミュレーションで採用されたものほど滑らかではないことが知られています。実験的研究を導くためのシミュレーション結果の妥当性をチェックするために、オルソ六角形のワイヤ断面を有するGaAs NWアレイの光学特性をシミュレートし、円形ワイヤ断面を有する対応するNWアレイの光学特性と比較した。図6は、同じ体積（円の北西の直径（100、300、500 nm）で特徴付けられる）と310 nm（4 eV）のスペクトル範囲で2μmのワイヤ長を持つこれら2種類のアレイの吸収スペクトルを比較しています。 ）〜873.2 nm（1.42 eV、つまりGaAsのバンドギャップエネルギー）。考慮されたスペクトル範囲では、これら2種類のNWアレイ間で光学的動作に明らかな違いはないことに注意してください。したがって、円形のワイヤ断面を持つNWアレイから結論付けられたシミュレーション結果は、異なるワイヤ断面を持つ他のアレイにも適用できると考えられます。

GaAsの純粋なNWアレイの吸収スペクトルと円形および直交六角形のワイヤ断面積の比較。アレイの周期とワイヤの長さは、それぞれ600nmと2μmです。対応するNWアレイのワイヤボリュームは同じであり、断面が円形のNWの直径（100、300、および500 nm）によって特徴付けられます

さらに、上記の議論から、屈折率の空間変調のための上部修正と、一致した特性寸法を有する下部構造による増強された光散乱の組み合わせが、高性能光吸収体の設計を導くための容易に操作可能なガイドラインであることが証明される。

結論

この論文では、対応するアレイへの光の閉じ込めをさらに改善するために、ヘミエリプソイドと逆ヘミエリプソイドを使用した半導体ナノワイヤのトップモディフィケーションを紹介します。体系的な調査により、適切な修正を導入した後の反射防止と光散乱の改善の相乗効果により、限られた有効厚さでの高性能光管理を実現できることが明らかになりました。たとえば、逆半楕円体で修飾されたGaAsナノワイヤアレイは、有効厚さがわずか〜180および270 nmの場合に、バンドギャップエネルギーよりも大きいエネルギーで入射光子の90％および95％をトラップできます。トップモディファイドNWアレイは、モディフィケーションの高さの広い範囲で優れた光トラップ能力を示すことがわかります。一方、光生成キャリアの空間分布は、上部が変更されていない対応するものと比較して、変更されたナノワイヤアレイで拡張され、光管理が改善されたことをさらに示しています。特に平面の pn の場合、キャリアの収集が容易になります。 ジャンクション構成。さらに、さらなる研究により、改良された光学構造は、高度な光吸収体に期待されるように、優れた全方向性の光閉じ込めを示すことが示されています。

略語

J _ph ：

光電流密度

^N J _ph ：

正規化された理論上の光電流密度

NW：

ナノワイヤー

PV：

太陽光発電