効果的な光吸収が強化されたピン接合ナノコーンアレイ太陽電池の光起電力性能

背景

量子ドット（QD）、ナノワイヤー（NW）、2次元層状材料などの低次元材料は、その独自の特性により、光起電用途に有望です[1,2,3,4,5]。平面の対応物と比較して、III-Vナノワイヤ（NW）アレイは、反射防止や光トラッピングなどの優れた光学特性を備えており、高性能太陽電池で大きな可能性を示しています[6、7、8]。さらに、NWの超小型フットプリント領域は、材料消費を十分に削減し、格子不整合の許容度を高め、より少ない材料とより安価な基板で低コストの太陽電池の実現を可能にします[9、10、11、12、13]。ピンジャンクションは、光を吸収して光子を電子正孔対に変換するNW太陽電池の重要な部分です。ピンジャンクションの形状に応じて、NWアレイ太陽電池はアキシャルおよびラジアル（またはコアシェル）ピン太陽電池に分けることができ、どちらも広く研究されています。ただし、最新の状態では、アキシャルおよびラジアルIII–V NWアレイ太陽電池の最高の効率はそれぞれ15.3％および7.43％であり、平面の対応する太陽電池よりもはるかに低くなっています[14、15]。

これまで、主に直径/周期（ D ）の最適化を含め、NWアレイ太陽電池の性能を改善するために多くの努力が払われてきました。 / P ）NWアレイ全体のより良い光吸収を得るための比率、直径、および長さ[16、17、18、19、20]。ただし、NWアレイ全体の吸収の向上は、必ずしも最終的な変換効率の向上につながるとは限りません。実際のNWピンアレイの場合、p（またはn）領域で生成された光キャリアは、電界が組み込まれていないため、すぐに再結合します。したがって、ある程度、空乏領域での吸収、または有効な光吸収が、最終的な効率を直接決定します。ただし、一般的なシリンダーNWアレイの場合、ほとんどの光はNWの上部で吸収されます[16]が、通常は中央にある空乏領域の吸収は十分ではありません。特に、アキシャルピンNWアレイの場合、入射光は空乏領域に吸収される前にp（n）領域を通過する必要があり、光の大幅な損失につながります。

NWアレイの効果的な光吸収を強化する1つの可能な方法は、NWの形状を変調することです。たとえば、アキシャルピン傾斜NWアレイ太陽電池は、上部のp（またはn）領域の吸収を減らすことにより、空乏領域の吸収を高めることが報告されています[21]。ただし、実際には、 D / P 隣接するNWの交差を回避するために、比率は垂直NWアレイよりもはるかに低くする必要があります。これにより、変換効率が制限されます。テーパー状のNW、またはナノコーンは、入射光が上部領域を通過することなく空乏領域によって直接吸収されるため、効果的な光吸収を高めることが期待されます。現在まで、異なる傾斜角とアスペクト比のナノコーンは、Au触媒による気液固および自己組織化無触媒法によって製造されており[22、23、24、25]、光吸収特性もシミュレートされた[26、27]。実際の太陽電池では、輸送および光学特性に対するドーピングの影響を無視することはできず、放射、オ​​ージェおよびショックリー-リードホール（SRH）の再結合も光電変換において重要な役割を果たします。しかし、私たちの知る限り、上記の要因を考慮したナノコーンp（i）n太陽電池の光起電力性能はまだ詳細に研究されていません。

この論文では、結合された3次元（3D）オプトエレクトロニクスシミュレーションを提示して、アキシャルおよびラジアルピンジャンクションGaAsナノコーン太陽電池の光起電力性能を調査します。光吸収特性は、有限差分時間領域（FDTD）を使用して調査されました。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、有限要素法（FEM）を使用して電流密度対電圧（J-V）特性の計算を実行しました。電気シミュレーションでは、ドーピングに依存する移動度、バンドギャップの狭まり、放射、オ​​ージェ、SRHの再結合がすべて考慮されました。アキシャルおよびラジアルピン接合ナノコーン太陽電池の最高効率は、それぞれ20.1％および17.4％であり、シリンダーNWの対応するものよりもはるかに高くなっています。効率向上のメカニズムについて説明します。

メソッド

アキシャルピンGaAsナノコーンアレイモデルを図1に示します。これは、直径 D の周期的なアキシャルピンGaAsナノコーンで構成されています。 =180 nm、周期 P =360 nm、長さ L =2μm。 p領域とn領域の両方の長さは200nmで、3×10 ¹⁸ に均一にドープされています。 cm ^-3 および1×10 ¹⁷ cm ^-3 、 それぞれ。 GaAs基板は1×10 ¹⁷ のキャリア濃度でnドープされています cm ^-3 。ナノコーンの直径は、上部と下部の直径の平均として定義されます。傾斜角（θ ）は、側壁と底面（基板）の法線方向との間の角度です。シミュレーションでは、平均直径を一定に保ちながら、下部と上部の直径を変化させることにより、傾斜角度を0から5°に変更します。

アキシャルピンジャンクションGaAsナノコーンアレイの概略図

構造の光学特性は、Sentaurus電磁波（EMW）ソルバーモジュールパッケージ[28、29、30]を介して調査されます。 FDTDメッシュの最小セルサイズは5nmに設定されており、波長ごとのノード数はすべての方向で20です。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。計算に必要なリソースと時間を節約するために、GaAs基板の厚さは0.4μmに制限されています[21]。しかし、GaAs基板に隣接する完全一致層（PML）を使用することにより、透過光が完全に吸収されるため、半無限GaAs基板をモデル化することができます[31]。 GaAsの材料分散特性を説明するために使用される波長依存の複素屈折率は、Levinshtein etal。の研究から得ることができます。 [32]。図1に示すように、上からの入射光はNW軸に平行に設定されます。290〜900nmの範囲の波長を持つ離散化されたAM1.5G太陽スペクトルからのパワー強度と波長値で定義された平面波を使用します。 （GaAsの典型的な吸収領域）日光をモデル化する[33]。 AM 1.5G照明下での総光生成は、電力加重単一波長光生成率を重ね合わせることによってモデル化できます[20]。光生成率 G _ph ポインティングベクトルSから取得されます：

ここでħ は、縮小プランク定数ωです。 は入射光の角周波数 E は各グリッドポイントでの電界強度であり、ε ″は誘電率の虚数部です。反射モニターはNWAの上面の上にあり、透過モニターは基板の下面にあり、吸収された光を計算します。パワーモニターを介して送信されるパワーの量は、各波長のソースパワーに正規化されます。反射率 R （λ ）および送信 T （λ ）は次の式で計算されます：

ここで P （λ ）はポインティングベクトル dS は表面法線であり、 P _in （λ ）は、各波長での入射光源パワーです。吸収スペクトル A （λ ）GaAs NWAは、次の式で与えられます。

電気モデリングの場合、3D光学生成プロファイルは、電気ツールのNWの有限要素メッシュに組み込まれます。これにより、ポアソン方程式と結合したキャリア連続方程式が3Dで自己無撞着に解かれます。デバイスの電気シミュレーションでは、ドーピングに依存する移動度、バンドギャップの狭まり、および放射、オージェ、SRHの再結合が考慮されます。デバイスシミュレーションの重要な材料パラメータは、主にLevinshteinのモデル[32]から取得されます。これは、表1に示されています。

結果と考察

アキシャルピンジャンクションGaAsナノコーンアレイ太陽電池

図2a–cは、傾斜角が異なるアキシャルGaAsナノコーンアレイの波長依存吸収率、反射率、および透過率を示しています。シリンダーNWアレイとの比較（θ =0°）、ナノコーンアレイは全波長範囲でより低い反射率を示し、この現象は傾斜角の増加とともにより明白になります。 NWアレイの反射防止能力は、充填率が低いことに起因する可能性があります。これにより、実効屈折率が低下し、GaAsと空気の間のインピーダンス整合が良好になります[7]。傾斜角が大きいナノコーンアレイの場合、アレイ上部の充填率は非常に低く、空気とのインピーダンス整合がほぼ完全になり、反射がほぼゼロになります。 300〜700 nmの短波長範囲では、反射が抑制されるため、傾斜角の増加に伴って吸収率が増加します。ただし、GaAsバンドギャップ付近の長波長光の吸収率は、光学モードをサポートできない非常に薄いナノコーントップのために、大きな傾斜で減少します。図2dは、さまざまな傾斜角度の吸収率、反射率、および透過率スペクトルのAM1.5G加重積分を示しています。小さな角度では、反射率が低下するため、傾斜角が大きくなると吸収率が高くなります。傾斜角が3°を超えると、吸収率はわずかに減少します。非常に薄いナノコーントップは長波長モードをサポートできないため、これはおそらく吸収経路の減少に起因します。それにもかかわらず、異なる傾斜角（1〜5°）でのナノコーンの総吸収はほとんど差がなく（92〜93.5％の範囲）、傾斜角がナノコーンの総吸収にほとんど影響を与えないことを示唆しています。あるいは、傾斜角は、光電変換効率を支配する固有領域での吸収に強い影響を与えると考えられています。これについては、次のパートで詳しく説明します。

a 吸収率、 b 反射率、および c D を使用したアキシャルピンジャンクションGaAsナノコーンアレイの透過率 / P =0.5および D =0.18μm。 d 異なる傾斜角を持つアキシャルナノコーンアレイの吸収率、反射率、および透過率のAM1.5G加重積分

AM1.5G照明下でのアキシャルGaAsナノコーンアレイの全光生成プロファイルを図3aに示します。 θで =0°、吸収された光子のほとんどは円柱NWの上部に集中します。ドーピング濃度が高く、電子正孔対を分離するための電界が組み込まれていないため[34、35、36、37]、上部のp領域での光キャリアの再結合が非常に高く、大きな損失が発生します。入射光の。ナノコーンアレイの場合、光子の吸収位置は傾斜角の増加とともに下向きにシフトし、i領域での吸収が向上します。報告されているように、NWの光吸収は、NWの直径に密接に関連する共鳴モードによって支配されます[37]。ナノコーンのユニークな形状により、小さな直径の上部領域でサポートできる長波長モードはほとんどありません。これは、傾斜角が0〜5°のナノコーンの波長依存の光生成プロファイルを示す図3b–gによってサポートされています。シリンダーNWでは、ほとんどの吸収がすべての波長の上部領域に集中していることがわかります。ただし、傾斜角が大きくなると、光学モード、特に長波長モードは、より厚い領域に下向きにシフトします。したがって、傾斜角の増加は、中央のi領域での吸収の向上につながるだけでなく、上部の領域での吸収の減少にもつながります。これは、図3eに示すように、中間傾斜角が3°のナノコーンアレイが高い総吸収を示す理由を説明できます。これは、上部のp領域と中央の固有領域の両方での吸収がその角度で比較的強いためです。吸収の下方シフトは、上部のp領域での吸収損失を抑制するだけでなく、中央のi領域での吸収を高めるため、デバイスの性能向上に重要な役割を果たすと考えられています。

a アキシャルピンナノコーンの全光生成プロファイル。 b – g θでのナノコーンアレイの波長依存光生成プロファイル =0〜5°

i領域の吸収スペクトルを図4aにプロットします。短波長領域では、傾斜角の増加に伴ってp領域の直径が縮小するため、p領域の体積とナノコーンに閉じ込められる光パワーの両方が減少し、p領域での吸収が不十分になり、吸収率が高くなります。 i領域で。長波長領域では、吸収領域は大きな傾斜角でナノコーンの下部n領域に広がり、i領域の吸収率が低下します。図4bは、i領域の吸収スペクトルの積分を示しています。各波長の吸収率は、AM1.5Gスペクトルによって重み付けされています。傾斜角の増加に伴い、i領域での吸収が劇的に増加することがわかります。これは、変換効率の向上が期待される有効吸収の向上を示しています。

a i領域の波長依存吸収スペクトル。 b a のi領域の吸収スペクトルのAM1.5G加重積分

次に、光生成プロファイルを電気ツールに組み込んで[35]、アキシャルピンジャンクションナノコーンアレイ太陽電池の光起電力性能を研究します。図5aは、さまざまな傾斜角度での電流-電圧特性を示しています。シリンダーNWアレイと比較して、はるかに高い短絡電流密度（ J _sc ）は、ナノコーンアレイ太陽電池で得られます。 θで =5°、デバイスは J を生成します _sc 30.1 mA / cm ² （7.3 mA / cm ² シリンダーよりも高い）および V _oc 0.885 Vであるため、高い光電変換効率（η ）20.1％（シリンダーのものより4.8％高い）。図5bは、変換効率の傾斜角への依存性をプロットしたものです。傾斜角が0°から5°に増加すると、変換効率は15.3から20.1％に単調に増加します。前述のように、ナノコーンアレイ全体の吸収はθで飽和します。 =2°、大きな傾斜角での効率の向上は、ナノコーンアレイ全体の吸収の向上によって引き起こされたものではないことを示唆しています。代わりに、変換効率の傾向は、図4bに示すi領域での吸収と非常に一致しており、変換効率がi領域での有効な光吸収によって支配されていることを示しています。

a 異なる傾斜角を持つアキシャルp（i）n接合ナノコーンアレイ太陽電池の電流-電圧曲線。 b 傾斜角の異なるアキシャルp（i）n接合ナノコーンアレイ太陽電池の光電変換効率

ラジアルピン接合GaAsナノコーンアレイ太陽電池

ラジアルピンジャンクションGaAsナノコーンアレイモデルを図6に示します。これは、直径 D の周期的なラジアルピンGaAsナノコーンで構成されています。 =360 nm、周期 P =720 nm、長さ L =2μm。 i領域の厚さは10nmで、コアの半径はシェルの厚さと同じです。 n型コアとp型シェルのドーピング濃度は、アキシャルナノコーンのドーピング濃度と同じになるように設定されています。平均直径を一定に保ちながら、底部と上部の直径を変えることにより、傾斜角を0から10°に変更します。

ラジアルピンジャンクションGaAsナノコーンアレイの概略図

傾斜角が異なるラジアルGaAsナノコーンアレイの波長依存吸収率、反射率、透過率を図7a〜cに示します。アキシャル構造と同様に、ラジアルナノコンは、ラジアルシリンダーNW（θ）と比較して、全波長範囲で低い反射率を示します。 =0°）、この現象は傾斜角の増加とともにより明白になります。図7aでは、300〜700 nmの短波長範囲では、反射率の抑制により、傾斜角の増加に伴って吸収率が増加することがわかります。傾斜角が大きい場合、ナノコーンの上部は薄すぎて長波長モードをサポートできないため、吸収率が低下します。図7dは、さまざまな傾斜角度の吸収率、反射率、および透過率スペクトルのAM1.5G加重積分を示しています。傾斜角が大きくなると、吸収はわずかな変動を伴う全体的な上昇傾向を示し、ナノコーン構造の優れた吸収特性を示唆していることがわかります。

a 吸収率、 b 反射率、および c D のラジアルピン接合GaAsナノコーンアレイの透過率 / P =0.5および D =0.36μm。 d 異なる傾斜角を持つラジアルナノコーンアレイの吸収率、反射率、および透過率のAM1.5G加重積分

図8は、AM1.5G照明下でのラジアルGaAsナノコーンアレイの全光生成プロファイルを示しています。アキシャルアレイの場合と同様に、ほとんどの光子は円柱NWの上部に集中します。傾斜角が徐々に大きくなると、吸収は下にシフトします。ラジアルジャンクションのi領域チューブは北西全体を貫通しているため、吸収の下方シフトは、アキシャルピンジャンクションの場合のように吸収の向上に直接つながることはできません。ただし、吸収の下方シフトとともに、吸収長も伸び、光吸収とi領域の重なりが大きくなります。したがって、効果的な吸収も強化されると考えられています。

傾斜角が異なるラジアルピンナノコーンアレイの光生成プロファイル

ラジアルナノコーン太陽電池の電流-電圧特性を図9aに示します。シリンダーNWアレイ太陽電池と比較して、はるかに高い J _sc ナノコーンアレイ太陽電池で実現されます。 θで ≥6°、すべての J _sc 25 mA / cm ² を超える 対照的に、 J _sc は17.4mA / cm ² θで =0°。図9（b）は、変換効率の傾斜角への依存性を示しています。傾斜角が小さい場合、効率は傾斜角とともに単調に増加し、θで最大値の17.4％に達します。 =6°、対応するシリンダーより6.4％高い。角度がさらに大きくなると、効率は飽和し、わずかに低下します。これはおそらく、上部と中間のi領域の吸収の間の競争に起因します。傾斜角が大きい場合、ナノコーンの上部は薄すぎて長波長モードをサポートできません。吸収の下方シフトにより、中央のi領域の吸収は増加しますが、上部のi領域の吸収は減少し、中央のi領域の吸収の増加を相殺します。

a 異なる傾斜角を持つラジアルピン接合ナノコーンアレイ太陽電池の電流-電圧曲線。 b 変換効率の傾斜角への依存性

結論

要約すると、我々は、結合された3Dオプトエレクトロニクスシミュレーションによって、アキシャルおよびラジアルピン接合GaAsナノコーンアレイ太陽電池の光起電力性能を研究しました。結果は、ナノコーンアレイの吸収が上部の直径の縮小により下方にシフトすることを示しています。これにより、高ドープの上部領域での吸収損失が劇的に抑制され、空乏領域での吸収が強化されます。アキシャルおよびラジアルGaAsナノコーン太陽電池の最高の変換効率は20.1％および17.4％であり、それぞれ5°および6°の傾斜角で得られ、どちらもシリンダーNWの対応物よりもはるかに高くなっています。ナノコーン構造は、高効率太陽電池の有望な候補です。

略語

3D：

三次元

D / P ：

直径/周期

EMW：

センタウルス電磁波

FDTD：

有限差分時間領域

FEM：

有限要素法

NW：

ナノワイヤー

PML：

パーフェクトマッチレイヤー

SRH：

Shockley-Read-Hall