エネルギー変換およびディスプレイ用途のための二機能太陽電池のフォトニック設計および電気的評価

背景

世界的なエネルギー危機と大規模な都市化をきっかけに、ビル一体型太陽光発電（BIPV）に多大な努力が注がれてきました。消費電力が発電量に相当する次世代（ゼロエネルギー）ビルに特に注目されています[1,2,3,4,5]。残念ながら、従来の光起電力デバイスはくすんだ色または黒い色を示すため、そのような太陽電池（SC）に基づくBIPVは美的感覚の要件を満たすことができません[6]。最近、さまざまな色と鮮やかなパターンを表示するという利点を備えた色制御されたSC（発電機能に加えて）は、その巨大な市場見通しのためにますます関心を集めています[7、8]。

一方では、さまざまなフォトニックアプローチを使用してSCの光学応答を制御し、特定の色を表示できます。たとえば、（1）SCにファブリペロー（FP）フィルターを使用して、FPを調整することで色と純度を制御します。共鳴[9,10,11]および（2）透明導電性酸化物（TCO）層の上（または後ろ）に色調整層（CAL）を組み込むか、TCOをCALに完全に置き換えます。たとえば、選択的に透明で導電性のフォトニック結晶（STCPC）をリアコンタクトとして使用して、BIPVデバイスを介した透過スペクトルと色を制御できます[12、13]。分布ブラッグ反射鏡（DBR）を統合して、薄膜SCと有機太陽電池の色を表示できます[14、15]。それらの文献のほとんどは、カラーディスプレイと電気出力を同時に取得することに焦点を当てていますが、色の純度は低く、パターンディスプレイには色空間が不十分です。さらに、これらの方法は、カラー表示を実現するために、SCのエネルギー変換効率を犠牲にしすぎます。より高い色純度のカラフルなSCは、BIPV技術の開発にとって非常に重要です。

一方、理論的な文献では、さまざまな色を表示するために、SCの光学設計に優先的に焦点が当てられています[6、8、16]。ただし、デバイス内の固有のキャリア動作を厳密に調べることはありません。 SCの設計では、特別な光学設計が、SCの動作と性能を決定する上で重要な役割を果たす半導体接合内のキャリア生成、輸送、および収集プロセスをどのように変更するかを調査する必要があります[17、18、 19]。ただし、関連するデバイスは非常に複雑なマルチドメイン動作を示すため、高度にナノ構造化されたSCの包括的なデバイスレベルのシミュレーションは困難です。たとえば、非常に豊富な光共振と、空間、波長への強い依存性を示すキャリア生成/再結合/収集応答があります。 、および他の多くの成分[20、21、22]。さらに、このような特定のSCの製造には常に時間とコストがかかるため、フォトニック応答と内部キャリア応答に対処することによるカラフルなSCの包括的な設計は、この種のソーラーデバイスの開発に非常に役立ちます。

この記事では、色制御されたa-Si：HSCに関する完全なオプトエレクトロニクス研究を紹介します。光学的には、高純度の赤-緑-青（RGB）ディスプレイを実現するために、色選択コンポーネントとしてDBRを導入し、色最適化コンポーネントとして追加の2層反射防止コーティング（ARC）を導入します。これは、この研究から得られた色空間が標準RGB（sRGB）システムの色空間に匹敵する可能性があることを示しています。電気的には、設計されたRGB a-Si：H SC内の電子と正孔の固有の生成、輸送、再結合、および収集に対処することで、SCの光変換性能の完全なリストを実現できます。外部量子効率（EQE）スペクトルと電流-電圧（ J ）を評価することによって - V ）特性から、高純度の赤、緑、青の色のSCの電力変換効率は、それぞれ4.88％、5.58％、6.54％であることがわかります。最後に、RGBイメージングの可能性を示すために、「蘇州大学」のロゴは、色制御されたa-Si：HSCを使用して設計および実現されています。表示されるパターンは、広範囲の入射角で十分に維持されます。

メソッド

光学応答は、厳密な結合波解析（RCWA）とCOMSOLMultiphysicsを介してマクスウェルの方程式を解くことによって計算されます。反射、各層による吸収などがすべて得られます。詳細な電気的特性（キャリア生成/再結合/収集など）は、以前の論文[17、18、19、20、21、22]で詳細に紹介されているように、電磁およびキャリア輸送計算によって取得されます。光反射スペクトルは、CIEカラーシステムで関連するパラメータに変換でき、結果のカラーサンプルはCIE色度座標を介して取得できます。この変換の計算は、CIEによって開発された一連の色度標準に従います。 ZnSとZnOの厚さは薄膜光学法則に基づいて固定されており、SCの厚さは500nmに固定されています。材料の複素屈折係数は、Palik [23]から取得されます。シミュレーション領域ではメッシュサイズ5nmを使用し、光学シミュレーションの境界条件では完全一致層を使用しました。電気シミュレーションでは、ポアソン方程式とキャリア輸送方程式が得られ、境界状況として表面再結合と金属接触が選択されます。

結果と考察

図1に、提案されている色制御されたa-Si：HSCの概略図を示します。上から順に、ARC層、DBRスタック、バッファ層、およびa-Si：HSCで構成されています。ここで、a-Si：H活性層の厚さは500 nmであり、30 nm（50 nm）のn型（p型）ドーピングゾーンが含まれています。電子（正孔）輸送用の背面（前面）電極の材料は、厚さ100 nm（20 nm）のZnO（ITO）です。バッファ層は55nmのTiO ₂ で構成されています 光の反射を減らし[24]、色の純度を向上させます。 DBRは、6つのZnS / ZnOペアで構成され、各層の波長の厚さは1/4です。実際、反射率とスペクトル幅は、色の品質を決定する上で非常に重要な役割を果たします。反射率（ R ）のDBRは、次の式[25]を使用して分析的に予測できます。

ここで n ₀ 、 n ₁ 、 n ₂ 、および n _s は、それぞれ空気、2つのDBR層、および基板の屈折率です。 N DBRペアの数です。反射帯域幅（Δλ ₀ ）は[25]です：

ここで、λ ₀ DBRの中心波長です。 n の差を大きくすることに注意してください。 ₁ および n ₂ 、 R は高くなっています（つまり、色の明るさが増しています）が、∆λ ₀ 彩度が低下します。結果として、 n の比較的小さな違い ₁ および n ₂ 比較的大きな N と一緒に 高い彩度を確保して、高い色純度と明るさを実現するために使用されます。

提案された色制御されたa-Si：H SCの概略図（左）と詳細なデバイス構成（右）

薄膜光学によると、可視帯域で異なるローカライズされたRGBカラーを表示するには、DBRの厚さを注意深く設計する必要があります。ここでは、SCを除いて、まずRGBディスプレイのDBR反射スペクトルの可制御性を調べます。図2aは、RGB設計でのDBRの反射スペクトルを示しており、対応する構造と膜厚は図2bに示されています。反射はλ ₀ でピークに達することがわかります。 =625、520、445 nm、それぞれRGBセンターとよく一致します。さらに、ピーク反射は、表示の明るさを確保するのに十分な強さ（つまり、74.82％、72.1％、および76.31％）です。実際、DBRの場合、禁止帯域外の側波がいくつか存在します。このような波は、高い色純度を達成するために有害です[26]。図2aは、そのような側波の存在を確認しています。

DBRおよびRGBa-Si：HSCの光学応答。 a RGBディスプレイを対象としたDBR反射スペクトル。 b 設計されたDBRの構造および材料パラメータ。反射スペクトル（ c ）およびCIE 1931色度座標（ d ）上にRGB DBRを備えたa-Si：HSCの。反射スペクトル（ e ）およびCIE 1931色度座標（ f ）設計された色制御されたa-Si：HSCの。標準のsRGB色域が（ f に挿入されます ）比較のために

RGBより上では、DBRはa-Si：H SCと統合されています。つまり、RGB-DBR（上）+ SC（下）です。 RGBディスプレイを対象とした複合SCシステムの反射スペクトルを図2cに示します。 SCを組み込んだ中心波長がわずかに赤方偏移していることが最初に観察されます（R、G、およびBセルでそれぞれ625、520、および445 nmから633、528、および453 nmに）。さらに、ピーク反射もそれぞれ87.66％、82.52％、79.44％に増加します。 DBRの下にSCを含めると、システム構成が変更され、共振状況が変更されたため、これは合理的です。それにもかかわらず、上記の効果は、表示品質に影響を与えることなく比較的弱いです。ただし、実際には、色の純度を大幅に低下させる重要な要素があります。つまり、SCの界面での反射率の増加から生じる非常に強い副波です。図2dは、これらの組み合わされたSCシステムの国際照明委員会（CIE）1931色度座標を示しています。パターン表示アプリケーションの場合、色空間が大きいほど、含まれる色要素が多くなり、表示が向上します[27]。原色を舌状の境界に近づけると、最大の色空間が得られます。ただし、図2dは、達成されたRGBが境界から比較的離れていることを示しています。したがって、反射帯域幅をさらに減らし、側波をなくす必要があります。

RGBパフォーマンスを向上させるために、さらに2層ARC（MgF ₂ ）を導入します。 およびSnO ₂ ）バッファ層（TiO ₂ ）。 ARCはDBRの上に構成され、バッファ層は図1に示すようにDBRとa-Si：H SCで挟まれています。薄膜光学に基づいて、ARCの厚さは[28]によって制御できます。

ここで n ₀ 、 n _t 、 n _b 、および n _s それぞれ、空気、上層、下層、および基板の屈折率です。 d _t および d _b それぞれ上層と下層の厚さです。図2eにプロットされているのは、ARC、DBR、およびバッファ層を備えた、設計された色制御されたa-Si：HSCの反射スペクトルです。 （1）ピーク波長が625、515、および445 nmであり、スタンドアロンDBRのピーク波長に近いことは明らかです。 （2）RGBカラーのセルの共振帯域幅は大幅に減少します。 （3）図2aに示すDBRのみの結果と比較しても、側波は劇的に抑制されています。予想通り、ARCとバッファ層を導入した後、光路の違いが変化し、共振状態が変化しました。その結果、システムの中心波長、反射帯域幅、および側波が改善されます。したがって、高度なフォトニックデザインにより、図2fのCIE 1931色度座標で証明されているように、色品質が大幅に向上した目的の色が得られます。 sRGBと比較すると、設計されたRGBとsRGBの色の違いは次のとおりです。ΔE _R =赤の場合は16.8、ΔE _G =緑の場合は47.6、ΔE _B =青の場合は41.7。色の違いは、観察者が知覚する設計されたRGBとsRGBの間にわずかな変化を示していますが、私たちの設計の色空間はsRGBの色空間に匹敵します。たとえば、RGB色空間は、設計システムと標準システムのそれぞれについて、National Television System Commission（NTSC）の色空間の52.7％（72％）に相当します。

これまで、高度な薄膜光学戦略を用いてa-Si：HSCの設計に成功してきました。ただし、このような表示機能の場合、SCの電気的応答は必然的に影響を受けます。したがって、色制御されたa-Si：HSCの詳細な光電子応答を調べる必要があります。過去数年間、私たちは半導体ベースのSCのデバイスレベルのシミュレーションについて広範な研究を行ってきました。これには、電磁気およびキャリア輸送応答に対処するオプトエレクトロニクスシミュレーション[17、18]や、 SC [19]。 （1）さまざまな材料（Si、GaAs、a-Si：Hなど）および（2）さまざまなナノ構造（単一ナノワイヤ、ナノテクスチャ、二重接合など）に基づくSCを調査して、 SC内の固有のマルチフィジックス動作を制御し、光変換効率を向上させる方法[20、21、22]。したがって、この論文で紹介する特別に設計されたa-Si：H SCの光電子応答は、対応する光電子シミュレーションを実行することで簡単に取得できます。

図3a–cは、吸収を示しています（ A ）およびAM1.5照明下でのRGBSCのEQEスペクトル。まず、吸収スペクトルが、R、G、およびB色の反射ピークにそれぞれ対応する特定の波長で見かけのディップを示すことが示されています。これは、カラー表示機能が可視帯域での特定の光反射を必要とするためです。したがって、吸光度（ A ）およびSCの電気的応答（EQE）は必然的に影響を受け、EQEと A に大きな違いが生じます。 赤、緑、青のSC用。さらに、380 nm未満の波長帯域では、光がほぼ完全に最上部のITO層に吸収されていることがわかります。したがって、対応する吸収とEQEはゼロに近くなります。それにもかかわらず、デバイス全体の吸収は、ピークの A を示すのに十分です。 80％以上。第二に、この研究ではa-Si：H SCが考慮されているため、キャリア再結合効果は有効なスペクトル帯域のほぼ全体に存在し（活性層が非常に薄いため）、EQEは常に A 。対応する電流-電圧特性（ J - V 曲線）は図3dにプロットされており、挿入図は詳細な短絡電流密度（ J ）を示しています。 _SC ）、開回路電圧（ V _OC ）、RGBセルの曲線因子（FF）、および光変換効率（Eff）。比較のために、100 nmのSiO ₂ を備えた従来のa-Si：HSC 反射防止層が使用されており、効率は約7.59％であり、アンダーソンらの報告と同様です。 [16、29]。 RGBデザインは明らかに V に影響を与えないことがわかります ocとFF。 V _OC SCのFFは、主に材料の固有の特性（バンドギャップなど）、活性層のドーピング濃度、およびデバイス構成によって決まります。したがって、RGB設計は、 V ではなく、吸収に影響を与えます。 _OC とFF。予想通り、カラーSCは、カラー表示の目的のために効率の低下を示しています。より詳細には、青色のSCの最大効率は6.54％で、緑色のSCは5.58％、赤色のSCは4.88％です。反射した赤色光は最も強い太陽エネルギーを持っているため、赤血球は最大の効率低下を示します。これは、このような多機能SCにとって妥当な犠牲です。

a の色の色制御されたa-Si：HSCの吸収およびEQEスペクトル 赤、 b 緑、および c 青い。 d 設計されたa-Si：H SCのIV曲線。ここでは、RGB設計のない元のシステムが参照用に含まれています。挿入された表は J を示しています _SC 、 V _OC 、FF、およびEff

なお、エネルギー変換効率をさらに高めたい場合は、より複雑な構造を導入することができます。光学的には、たとえば、（1）光トラップ効果（たとえば、テクスチャ表面を備えたTCO）を使用できます。 （2）TCO表面をTiO ₂ で覆うことができます -ZnO反射防止層（たとえば、550 nmで量子効率を約10％向上させる）[30]。電気的には、（1）三極真空プラズマ強化化学蒸着（PECVD）技術を使用して、光による劣化効果を抑えることができます[31]。 （2）私たちのオプトエレクトロニクスシミュレーションは、キャリア輸送の動的挙動を最適化して、キャリア再結合をさらに抑制し、電力出力を向上させることができます[18]。さらに、この設計原理は、他の種類のSC（たとえば、ペロブスカイト、結晶性Si、有機、およびハイブリッドSC）にも適用できます[32]。したがって、設計されたカラフルなSCのエネルギー変換効率は、さまざまなフォトニックまたは電気的手段によって向上する可能性があります。

次に、パターン表示と美的アーキテクチャにおけるa-Si：HSCのアプリケーションを示します。図4は、蘇州大学のデザインされたロゴ（左上）、ロゴの拡大部分（中央上）、RGBデザインの詳細な構造情報（右）、およびロゴ内の7色の対応するRGB値（中央下）を示しています。 ）。 （1）ロゴには、プライマリRGB要素で構成される7つのカラー要素があります。 （2）4つの円は赤、外輪の下部の語彙は緑、外輪の上部の漢字は色制御されたSCから直接青です。 （3）背景は、同等のRGB寄与で構成される、灰色の紫色を示します。ロゴのRGB値は、赤、緑、青の3つのコンポーネントを表しています。たとえば、赤の場合、緑と青の値が小さいほど、彩度が高くなります[33]。したがって、赤と青の彩度は緑よりも高く、混合色のRとBの数がGの値よりも多くなり、紫になります[34]。 （4）RGB値が最大値の255に比べて十分に大きくないため、輝度が低く、灰色になります。図4の右上にある拡大図に示すように、中央の漢字は赤と青が等しいマゼンタです。（5）マゼンタの色収差は、比率が高いため、他の混合色よりも小さくなっています。 RGBコンポーネントの。 「SOOCHOW」（UNIVERSITY）はシアン（黄色）で、それぞれ緑と青（赤と緑）で構成されています。どちらもRGB比例不均衡と低輝度の問題があります。さらなる改善の余地はありますが、パターンは明確で、全体として区別できます。

RGB a-Si：HSCで構成されたピクセルを備えた蘇州大学のロゴ。挿入図は、微視的なピクセル構成、RGB a-Si：H SCの構造の詳細、および3原色で混合されたカラーマップのRGB値を示しています

実際のアプリケーションでは、ナノ構造のSCとは異なり、平面構成で提案されているRGB SCは、非常に成熟した商用製造プロセスで製造できます[35]。下部には、p-i-n構造の代表的なa-Si：H太陽電池があります。まず、PECVD、真性アモルファスシリコン（ia-Si：H）、およびp型アモルファスシリコン（ia-Si：H）によって、TCOコーティングされた基板（ガラスまたはプラスチック）上にn型アモルファスシリコン（na-Si：H）層が堆積されます。 pa-Si：H）層の後に同じ方法が続きます。次に、上部電極は通常TCO層であり、スパッタリングによって堆積されます[36]。次に、バッファ層が完全なa-Si：H SC上に堆積され、続いてマグネトロンスパッタリングを使用してDBRの交互層が堆積されます[37]。最終的に、RGB a-Si：H SCは、マグネトロンスパッタリングで最上部の2層ARCを堆積することによって完成します。準備プロセスでは、1〜5％の厚さのバリエーションが可能です。したがって、厚さの変化の影響を調査するために、各層の厚さのランダムな変化（たとえば、-5％から5％）を導入します。シミュレーション結果は、色の違い（ΔE）が赤で1.9〜11.2、緑で1.3〜15.7、青で0.5〜2.9の範囲であることを示しています。青色のSCが、厚さの変化の影響に対して最高の耐性を持っていることは明らかです。赤（緑）の色の違いは最大11.2（15.7）ですが、平均値は4.3（8）前後です。さらに、SCのEffの各層の厚さの変動（たとえば、-5％および5％）を調査します。対応するEffは、RGB SCの-0.1％から0.4％の範囲で小さな変動を示します。したがって、SCの効率は、実験におけるDBRとARCの一般的な厚さの偏差に対してロバストであると見なすことができます。

最後に、設計された色に対する入射角の影響を調査します。図5aは、入射角（θ）の増加に伴って設計されたRGBカラーがどのように変化するかを示しています。 ）。明らかに、青と緑のSCは、色が赤から変更された赤（θ）と比較して、傾斜した入射に対してより優れた耐性を持っています。 =0°）から緑（θ> 70°）。比較のために、図5bは、θが連続的に増加するCIE1931色度座標で設計されたRGBカラーの軌跡を示しています。 。 CIEダイアグラムによると、すべての色の彩度はθの増加とともに減少します。 、特に大きなθの下で =80°、ここで色はEポイント（最低飽和ポイント）に非常に近いです。図5cは、さまざまな入射角での蘇州大学のロゴを示しています。ターゲットロゴは7つの標準色で構成されており、各色には最も標準的な色相、彩度、明るさがあります。標準RGBは、標準の赤、緑、青の色と、それらの組み合わせから生成された他の色で構成されています。どちらも比較のために使用されます。大きな入射角でもロゴが読みやすいことは明らかです。ただし、入射角を大きくすることにより、パターンの色がある程度変化しています。これにより、将来さらに最適化する余地が残されます。

a 入射角のある設計されたa-Si：HSCによって示されるRGBカラーの変化。 b CIE 1931のRGB位置の変化は、入射角の増加に合わせて調整されます。 c さまざまな入射角（0°、30°、45°、および60°）でa-Si：HSCによって表示されるロゴパターン。 c で 、ターゲットロゴと標準RGBによるロゴが比較のために含まれています

結論

まとめると、新しいタイプのBIPVを検討するために、発電とディスプレイのアプリケーションに同時に使用する薄膜a-Si：HSCを提案しました。基本的なRGBディスプレイはDBRによって制御され、カラー制御されたa-Si：HSCのシステムパフォーマンスはARCおよびバッファ層を適用することによって最適化されます。高度な薄膜光学戦略により、a-Si：H SCは、sRGBに匹敵する色空間で、高純度の赤、緑、および青の色を示すことができます。さらに、色制御されたSCのオプトエレクトロニクスモデルに基づいて電気的性能を調べます。これは、電力変換効率がR、G、およびBセルでそれぞれ4.88％、5.58％、および6.54％になる可能性があることを示しています。 RGBセルは、非常に大きな入射角でも簡単に区別できる蘇州大学のロゴを正常に表示するように設計されています。ナノ構造のSCと比較して、平面構成で提案されたa-Si：H SCは、非常に成熟した商用製造プロセスで製造できます。カラー表示原理やカラー制御SCの電気的評価システムなど、a-Si：H SCのみが投資されていますが、他の種類のSCにも適用できます。さらに、このような色付きのパネルを現代の建物の壁や屋根に適用してパターンを表示し、美的建築を作ることができます。

略語

A ：

吸収

ARC：

反射防止コーティング

BIPV：

建物に統合された太陽光発電

CAL：

色調整レイヤー

CIE：

国際照明委員会

DBR：

分布ブラッグ反射鏡

Eff：

光変換効率

EQE：

外部量子効率

FF：

フィルファクター

F-P：

ファブリペロー

J sc：

短絡電流密度

J - V ：

電流-電圧

NTSC：

全国テレビシステム委員会

PECVD：

プラズマ化学気相成長法

R ：

反射率

RCWA：

厳密な結合波解析

RGB：

赤-緑-青

SC：

太陽電池

sRGB：

標準の赤-緑-青

STCPC：

選択的に透明で導電性のフォトニック結晶

TCO：

透明導電性酸化物

V oc：

開回路電圧