薄膜シリコン太陽電池用の両面ピラミッド格子を使用した効果的な光吸収

背景

微細加工技術の進歩に伴い、ナノメートルの表面形態と構造設計がより一般的になり、非常に重要になっています[1、2]。パラメータの最適化設計は、特に結晶シリコン（CS）薄膜太陽電池の場合、より緊急かつ必要になっています[3,4,5,6]。 CS薄膜太陽電池に適用された両面格子設計に関するいくつかの報告があり、それらのすべては、そのような構造がヤブロノビッチ限界に達することができる広帯域光吸収増強を達成できるという同様の意見を表明しました[7,8 、9,10]。両面グレーティング設計がCS太陽電池の全体的な光トラップ能力を向上させることができることは間違いありません。結局のところ、電子正孔対の生成と分離はCS内で発生し、バンドギャップよりも大きいエネルギーを持つ吸収された各光子を考慮すると、1つだけの電子正孔対が生成されるため、光子吸収がさまざまな部分にどのように分散されるかCS太陽電池の焦点はこの記事の焦点です。さらに、パラメータを調整することにより、CS自体の光子吸収を最大にすることが私たちの目標です。

本論文では、フロントピラミッドグレーティング（FPG）、リアピラミッドグレーティング（RPG）、および両面ピラミッドグレーティング（DSPG）の光子吸収分布を研究した。全光子吸収 A 図1に示すように、さらに3つの異なる部分に分割され、前面の格子、CS部分、および背面の格子の光子吸収であり、 A とラベル付けされています。 _F 、 A _Si 、および A _R 、 それぞれ。光の反射 R 、送信 T 、および全吸収 A R を満たす + T + A =1. A _Si 異なる構造モデルに対して同じ方法で計算されるわけではありません。

ピラミッド格子の有無にかかわらず、結晶シリコン（CS）薄膜太陽電池のさまざまな構造。 a ベアクリスタルシリコン（BCS）。 b フロントピラミッドグレーティング（FPG）。 c リアピラミッドグレーティング（RPG）。 d 両面ピラミッド格子（DSPG）。 （ A _F 、 A _Si 、および A _R は、それぞれ前面グレーティング、CS部分、および背面グレーティングの光吸収を表します。 H CS層の厚さです。 P ₁ 、 D ₁ 、 H ₁ および P ₂ 、 D ₂ 、 H ₂ 前面または背面のシリコンピラミッドの周期、底面の直径、および高さをそれぞれ表します）

メソッド

私たちの理論計算では、シミュレーションと実験結果がよく一致しているため、正味放射法と有効媒質近似が一緒に使用されます[4、11]。図2に示すように、 N の多層媒体システム レイヤー、 N _i i の複素屈折率です メディアとインターフェースには i というラベルが付いています =1、…、 N − 1、ここで i インターフェイスの総数です。下付き文字 a 、 d および b 、 c それぞれ、入ってくる電磁放射と出ていく電磁放射を表します。出て行くエネルギーフラックスと入ってくるエネルギーフラックスの関係（ Q ）各インターフェースでの反射は、インターフェースでの反射と媒体を通過する透過で表すことができます。すべてのインターフェースについて i 、4つの方程式があります

シリコンピラミッド格子の概略多層媒体構造、インターフェースの番号付け規則（1、…、 i 、…、 N − 1）、複素屈折率（ N ₁ 、…、 N _i 、…、 N _N ）、および電磁放射フラックス（ Q _{i 、 a} 、 Q _{i 、 b} 、 Q _{i + 1、 c 、} Q _{i + 1、 d} 、…）

r _{i 、 i + 1} および t _{i 、 i + 1} （ r _{i 、 i + 1} + t _{i 、 i + 1} =1）はそれぞれ反射率と透過率であり、各インターフェースでフレネルの法則を使用して決定されます。下付き文字は、レイヤー i から移動するエネルギーフラックスを示します レイヤー i +1およびその逆。 τ _i は層 i の吸収減衰率です 、によって定義される

ここでα _i =4π k _i / λ は層 i の吸収係数です および d _i / cos（φ _i ）は、厚さ d の層を通過した距離です。 _i 伝播角度φ _i 。 k _i は、複素屈折率 N の虚数部です。 _i = n _i − ik _i 。両方の実際の屈折率 n _i および吸光係数 k _i λの関数です 。垂直入射エネルギーフラックス Q を想定 _{1、 a} =1および Q _{N 、 d} =0、次に、各レイヤーに対して i 、エネルギー吸収係数 A _i = Q _{i 、 a} − Q _{i 、 c} + Q _{i 、 d} − Q _{i、 b} 解決することができます。

シリコンピラミッドの有効な多層構造も図2に示されています。さまざまな層の複素屈折率は、有効媒質近似式によって解くことができます。

ここで f ₁ および f ₂ は、それぞれシリコンピラミッド格子と空気の体積充填率、および f ₁ + f ₂ =1. N _Si 、 N _空気 、および N _効果 は、それぞれCS、空気、シリコンピラミッド格子の中間層の複素屈折率です。

上記の式を組み合わせると、各層の吸収光子束は次の式で計算できます。

A _i 各層のエネルギー吸収係数です。 F （λ ）は、AM1.5スペクトルの下での地球表面の日射スペクトル強度の分布です。 λ は入射光の波長、 h ₀ および c ₀ はプランク定数と真空中の光速です。吸収された光子の総数は、Φで表すことができます。 =∑ Φ _i 。

結果と考察

さまざまなピラミッド格子構造の場合、および比較のために、関連するパラメータを次のように選択します。まず、CS層の厚さ H =10μm;シリコンピラミッドの高さと底の直径は H に設定されています ₁ = H ₂ =200nmおよび D ₁ = D ₂ =それぞれ100nm。 FPGの場合、周期と底の直径の比率は P に設定されます。 ₁ / D ₁ =1、RPGの場合は2つの比率 P ₂ / D ₂ =1および P ₂ / D ₂ =10が考慮されます。最後に、DSPGの場合、上記のパラメーターのさまざまな組み合わせが比較されます。

与えられたパラメータの下でのさまざまなピラミッド格子構造の光学性能を図3に示します。図3（a）および（b）からわかるように、前面格子はバンド全体の光反射を大幅に低減でき、特に領域IとIIで、総光吸収を改善します。一方、領域IIでは、適切な比率パラメータ（ P ）の下で背面格子によって赤外光の吸収を改善できます。 ₂ / D ₂ =10）。したがって、これらを一緒に使用して、DSPGの場合、適切なパラメータを調整することで、ヤブロノビッチの限界まで光吸収を最大化できるだけでなく[7]、バンド全体の光反射をゼロにして、真のブラックシリコンを作成できます。さらに、背面ピラミッド格子は、図3（c）から見た可視光と近赤外光の透過率を高めることができます。これは、近赤外光検出器やその他の分野で使用するのに役立ちます[9、10]。

同じ厚さのBCS（BCS（ H ）と比較した、特定のパラメータの下でのさまざまなシリコンピラミッド格子構造の光学特性 =10μm）、FPG（ P ₁ / D ₁ =1、 H ₁ =200 nm）、RPG（ P ₂ / D ₂ =1または P ₂ / D ₂ =10、 H ₂ =200 nm）、DSPG（ P ₁ / D ₁ =1、 P ₂ / D ₂ =1または P ₂ / D ₂ =10、 H ₁ = H ₂ =200 nm））。 （ a ）、（ b ）、および（ c ）は、それぞれ総光反射率、吸収率、透過率です

CS太陽電池の場合、特にCS本体の光吸収を大幅に向上させることが究極の目標です。したがって、さまざまな部分の間で吸収された光子の分布をさらに研究する必要があります。 FPG構造とRPG構造について、各部分の光子吸収の3次元等高線図をそれぞれ図4と図5に示します。

FPG構造のさまざまな部分の光子吸収分布の等高線図。 （ a ）全光子吸収 A 。 （ b ）前面グレーティングの光子吸収 A _F 。 （ c ）CS部分の光子吸収 A _Si 。 （図の点線はBCSの吸収を表しています）

RPG構造のさまざまな部分の光子吸収分布の等高線図。 （ a ）全光子吸収 A 。 （ b ）CS部分の光子吸収 A _Si 。 （ c ）背面格子の光子吸収 A _R 。 （図の点線はBCSの吸収を表しています）

FPG構造について、ピラミッドアレイの幾何学的パラメータを変更して、各部分の光子吸収分布と比較した全体的な光子吸収分布を図4に示します。図4（a）から、吸収された光子の合計がわかります。ピラミッドの高さが高くなると増加しますが、周期と直径の比率が大きくなると、光子の吸収には効果がありません。つまり、高さが高く、ギャップが小さいほど、より多くの高周波光子が収集されることを意味します。これは、図4（b）に示すFPG吸収にも当てはまるようです。ただし、FPGの高さが増加し続けると、図4（c）に示すように、下にあるCSの光子吸収が減少します。明らかに、 P の最適なパラメータ構成があります。 ₁ / D ₁ =1.05、 H ₁ =53nm。さらに、シリコンピラミッドによって吸収された光子がCSの電子正孔対の変換に関与していないと仮定すると、これらの計算に基づいて、FPG幾何学的パラメータの適切な範囲も取得され、ベアと比較されます。図4（c）に示すシリコン。つまり、FPGの高さが高いほど反射率は低くなりますが、これはより効果的な光吸収があることを意味するわけではありません。

同様に、RPG構造については、全体と各部分の光子吸収分布を図5に示します。図5（a）に示す全吸収については、FPG構造と比較して有意な値を示しています。その光子吸収の違いは、底の直径に対する周期の比率が大きく、ピラミッドの高さが低いほど大きくなります。これは、一方で、 P の比率が大きいことを意味します ₂ / D ₂ 小さい H ₂ 低周波の光子の透過を減らし、光子が元に戻ることで、反射が増加します。しかし、その一方で、光子はその過程で吸収されるように促進されます。明らかに、吸収が最小になるパラメータ構成は P です。 ₂ / D ₂ =1.01、 H ₂ =168 nmであり、図5（a）に示すベアシリコンと比較して、RPGの幾何学的パラメータの適切な範囲も取得されます。ただし、図5（b）に示すCS部では、多数の光子が反射するため、実効光吸収に明らかな改善は見られません。図5（c）は、背面グレーティングによって吸収された光子がCSによって吸収された光子よりも2桁低いことを示しており、図5（a）に示した全吸収と同様の傾向が見られます。ここでも、パラメータ構成は P です。 ₂ / D ₂ =1.03および H ₂ =170nmで上記とほぼ同じです。

FPGとRPGの吸収分布からわかるように、前者は明らかに図4（c）に示す光子吸収の改善に重要な役割を果たしていますが、後者はCS部分の光子吸収が図5（b）に示す背面格子の存在。上記の結果を組み合わせて、DSPGを表す4セットの異なるパラメータの光学特性を調べて図6に示します。

DSPG（ P ）の4セットの異なるパラメータの光学特性 ₁ / D ₁ =10、 H ₁ =10nmおよび P ₂ / D ₂ =1.03、 H ₂ =170nmまたは P ₂ / D ₂ =10、 H ₂ =10 nm; P ₁ / D ₁ =1.05、 H ₁ =53nmおよび P ₂ / D ₂ =1.03、 H ₂ =170nmまたは P ₂ / D ₂ =10、 H ₂ =10 nm）とBCS（ H =10μm）およびFPG（ P ₁ / D ₁ =1.05、 H ₁ =53nmおよび P ₁ / D ₁ =10、 H ₁ =10 nm）。 （ a ）、（ b ）、（ c ）、および（ d ）は、それぞれCS部分の全光反射率、透過率、吸収率、および吸収率です。

図6（b）に示す高周波光子の透過能力が弱いため、周期と底径の比率が適切でない場合（ P ₁ / D ₁ =10および H ₁ =10 nm）、反射率を低下させるだけでなく、図6に示すように、反射を増加させ、吸収を減少させます。適切なパラメータ（ P のみ） ₁ / D ₁ =1.05および H ₁ =53 nm）は、光吸収を大幅に向上させることができます。 CSの場合、領域IIIに示すように、それ自体が低周波数の光子を吸収できないため、前面と背面の格子の変調は、反射と透過の間の光の分布にのみ影響します。後部格子が領域IIと領域IIIで主要な役割を果たしており、前面の格子パラメータ（ P ）が適切に一致していることが明らかになります。 ₁ / D ₁ =1.05、 H ₁ =53 nm、および P ₂ / D ₂ =1.03、 H ₂ =170 nm）、全波帯のほぼゼロの反射を実現できます。同じパラメータのFPGと比較して、図6（c）に示す総吸収については、領域IIで、適切なパラメータを持つ背面格子の存在により、実際に赤外光の吸収を改善できます（ P ₂ / D ₂ =10、 H ₂ =10 nm）。これは、不一致のダブルグレーティング設計がデバイスのパフォーマンスを大幅に向上させる可能性があるという以前の結論を裏付けています[10]。ただし、図6（d）に示すCS部の吸収については、背面格子の設計を使用しても、CSの光吸収を改善する効果はほとんどありません。したがって、この意味で、RPGは光を反射して太陽電池の光活性領域に向けて戻すことができますが[12]、効果的な光吸収に追加の利点はありません。最適化された積分のために吸収スペクトルを調整するためのいくつかの新しい設計を開発する必要があります[1,13]。

結論

シリコン太陽電池の全体的な光吸収を促進するために両面ピラミッド格子構造の設計が採用されており、パラメータを調整することでゼロ反射を実現することもできます。ただし、CS部の有効光吸収は、全体の光吸収が向上しても増加しません。前面ピラミッド格子の場合、 P の推奨比率 ₁ / D ₁ 1.4未満で H ₁ は10〜600 nmであり、背面ピラミッド格子の場合、効果的な光吸収の向上にはほとんど影響がないため、背面格子は必要ありません。したがって、前面テクスチャの革新と最適化された設計は、太陽電池の効率をさらに向上させるための大きなトレンドです。

略語

CS：

結晶シリコン

DSPG：

両面ピラミッド格子

FPG：

フロントピラミッドグレーティング

RPG：

リアピラミッドグレーティング