最適化光吸収によるGaAsピン接合ナノコーンアレイ太陽電池の高効率化

概要

軸方向および放射方向ピン接合GaAsナノコーンアレイ太陽電池の光電変換性能を調査。円柱ナノワイヤアレイと比較して、ナノコーンアレイは全体光吸収向上のみならず、より重要なことに、実効吸収（空乏層内吸収）を強化する。実効吸収向上は、先端部縮小による吸収領域の下方シフトと拡張に起因し、高ドープ上部領域での吸収損失を大幅に抑制し、空乏層での吸収を増大させる。軸方向および放射方向GaAsナノコーン太陽電池の最高変換効率は、それぞれ傾斜角5°と6°で20.1%と17.4%を達成、いずれも円柱ナノワイヤ対応物を大きく上回る。ナノコーン構造は高効率太陽電池の有望候補である。

背景

量子ドット（QD）、ナノワイヤ（NW）、二次元層状材料など低次元材料は独自特性で光起電力応用に有望（文献1–5）。平面対応物比較で、III-Vナノワイヤ（NW）アレイは反射防止と光トラッピング等優れた光学特性、高性能太陽電池への潜在性（文献6–8）。さらにNWの超微小フットプリント面積は材料消費削減と格子ミスマッチ耐性向上、少ない材料と安価基板での低コスト太陽電池実現を可能にする（文献9–13）。ピン接合はNW太陽電池の核心部で、光吸収と光子-電子正孔対変換を担う。ピン接合幾何学により、NWアレイ太陽電池は軸方向と放射方向（コア-シェル）ピン太陽電池に分類、両者広く研究。しかし現状、軸方向と放射方向III-V NWアレイ太陽電池の最高効率はそれぞれ15.3%と7.43%、平面対応物より大幅に低い（文献14, 15）。

これまでNWアレイ太陽電池性能向上に多くの努力、主に直径/周期（D/P）比、直径、長さ最適化でNWアレイ全体光吸収改善目指す（文献16–20）。しかし、全体吸収向上が必ずしも最終変換効率増加に直結せず。実用NWピンアレイでは、p（またはn）領域で生成した光キャリアが内蔵電界欠如で速やかに再結合。したがって、空乏層内吸収、すなわち実効光吸収がある程度最終効率を直接決定。典型的円柱NWアレイでは、大部分光がNW上部で吸収（文献16）、空乏層（通常中央）吸収は不十分。特に軸方向ピンNWアレイでは、入射光がp(n)領域通過後に空乏層吸収、大幅な光損失生じる。

NWアレイ実効光吸収向上の一手法はNW幾何学変調。例えば軸方向ピン傾斜NWアレイ太陽電池で上部p(n)領域吸収低減し空乏層吸収向上報告（文献21）。しかし実践では隣接NWクロスオーバー回避でD/P比が垂直NWアレイより大幅低下必須、変換効率制限。テーパードNW、すなわちナノコーンは、入射光が上部領域通過せず直接空乏層吸収可能で実効吸収向上期待。これまで異なる傾斜角とアスペクト比ナノコーンがAu触媒気液固相法と自己組織化触媒フリー法で作製（文献22–25）、光吸収特性もシミュレーション（文献26, 27）。実用太陽電池ではドーピング影響と輸送・光学特性、輻射、オーゲ、ショックリー-リード-ホール（SRH）再結合も光電変換に重要役割。しかし知る限り、これら因子考慮したナノコーンp(i)n太陽電池光電性能詳細研究未報告。

本稿では、結合三次元（3D）光電シミュレーションで軸方向・放射方向ピン接合GaAsナノコーン太陽電池光電性能を調査。光吸収特性を有限差分時間領域法（FDTD）で解析。光発生プロファイルを電気シミュレーションに組込み、有限要素法（FEM）で電流密度-電圧（J-V）特性計算。ドーピング依存移動度、バンドギャップ狭小化、輻射、オーゲ、SRH再結合全て電気シミュレーション考慮。軸方向・放射方向ピン接合ナノコーン太陽電池最高効率それぞれ20.1%、17.4%、円柱NW対応物より大幅高。効率向上メカニズムを議論。

実験方法

軸方向ピンGaAsナノコーンアレイモデルを図1に示す：周期的軸方向ピンGaAsナノコーン、直径D = 180 nm、周期P = 360 nm、長さL = 2 µm。p-とn-領域長とも200 nm、一様ドープ各3×10¹⁸ cm⁻³と1×10¹⁷ cm⁻³。GaAs基板はnドープ、キャリア濃度1×10¹⁷ cm⁻³。ナコーン直径は天底平均径。傾斜角（θ）は側壁と底面法線角度、シミュレーションでは平均径一定で天底径変化させ0–5°変更。

軸方向ピン接合GaAsナノコーンアレイの模式図

構造光学特性をSentaurus Electromagnetic Wave (EMW) Solverモジュールパッケージ（文献28–30）で調査。FDTDメッシュ最小セルサイズ5 nm、全方向波長あたりノード数20。周期境界条件で単位セルシミュレーションで周期アレイモデル化。計算リソース/時間節約でGaAs基板厚0.4 µm制限（文献21）だが、GaAs基板隣接完全整合層（PML）で透過光完全吸収、半無限大GaAs基板モデル化可能（文献31）。波長依存複素屈折率でGaAs材料分散特性記述、Levinshteinら研究（文献32）から取得。図1示す通りNW軸平行に上部から入射光。離散化AM 1.5G太陽スペクトル（波長290–900 nm、GaAs典型吸収域）のパワー強度と波長値で定義した平面波で太陽光モデル化（文献33）。AM 1.5G照射下総光学発生率はパワー重み付け単一波長光学発生率重ね合わせでモデル化（文献20）。光学発生率G_phはポインティングベクトルSから：

$$ {G}_{ph}=\frac{\left|\overrightarrow{\nabla}\cdot \overrightarrow{S}\right|}{2\mathrm{\hslash}\omega }=\frac{\varepsilon^{{\prime\prime} }{\left|\overrightarrow{E}\right|}^2}{2\mathrm{\hslash}} $$ (1)

ħは換算プランク定数、ω入射光角周波数、E各グリッド点電界強度、ε″誘電率虚部。反射モニタはNWA上面上、透過モニタ基板底面に配置し吸収光計算。各波長で電力モニタ透過電力を光源電力で正規化。反射率R(λ)と透過率T(λ)：

$$ R\left(\lambda \right),T\left(\lambda \right)=0.5\int \mathrm{real}\left\{p{\left(\lambda \right)}_{\mathrm{monitor}}\right\} dS/{P}_{\mathrm{in}}\left(\lambda \right) $$ (2)

P(λ)ポインティングベクトル、dS面法線、P_in(λ)各波長入射光源電力。GaAs NWA吸収スペクトルA(λ)：

$$ A\left(\lambda \right)=1-R\left(\lambda \right)-T\left(\lambda \right) $$ (3)

電気モデリングでは、3D光学発生プロファイルを電気ツールのNW有限要素メッシュに組込み、キャリア連続式とポアソン方程式を3Dで自己整合的解く。ドーピング依存移動度、バンドギャップ狭小化、輻射、オーゲ、SRH再結合をデバイス電気シミュレーション考慮。デバイスシミュレーション重要材料パラメータは主にLevinshteinモデル（文献32）から取得、表1示す。

結果と考察

軸方向ピン接合GaAsナノコーンアレイ太陽電池

図2a–cに異なる傾斜角軸方向GaAsナノコーンアレイの波長依存吸収率、反射率、透過率示す。円柱NWアレイ（θ=0°）比較で、ナノコーンアレイは全波長域で低反射率、傾斜角増加で顕著化。NWアレイ反射防止能力は低充填率由来、実効屈折率低下でGaAsと空気良好インピーダンスマッチング（文献7）。大傾斜角ナノコーンアレイでは天端充填率極小、空気とほぼ完全インピーダンスマッチング、反射ほぼゼロ。短波長域300–700 nmで吸収率傾斜角増加で上昇、反射抑制起因。しかしGaAsバンドギャップ近傍長波長光吸収率は大傾斜で減少、極薄ナノコーン天端が長波長モード支持不能ため。図2dに異なる傾斜角AM 1.5G重み付け積分吸収率、反射率、透過率スペクトル示す。小角度で吸収率傾斜角増加で上昇、反射減少起因。傾斜角3°超えると吸収率わずか減少、極薄天端で長波長モード支持不能で吸収パス減少起因と推測。それでも異なる傾斜角（1–5°）ナノコーン全吸収率差僅か（92–93.5%範囲）、傾斜角は全吸収率影響小さい。一方、傾斜角は空乏層吸収、すなわち光電変換効率支配的実効光吸収に強い影響与えると考えられる。詳細後述。

a 吸収率, b 反射率, c 透過率：軸方向ピン接合GaAsナノコーンアレイ、D/P=0.5、D=0.18 µm. d 異なる傾斜角軸方向ナノコーンアレイのAM1.5G重み付け積分吸収率、反射率、透過率

AM 1.5G照射下軸方向GaAsナノコーンアレイ総光学発生プロファイルを図3a示す。θ=0°では吸収光子多くが円柱NW天端集中。高ドープ濃度と電子正孔対分離内蔵電界欠如（文献34–37）で、天端p領域光キャリア再結合極大、入射光大幅損失。ナノコーンアレイでは傾斜角増加で光子吸収位置下方シフト、i領域吸収強化。報告通りNW光吸収は共振モード支配、NW直径密接関連（文献37）。ナノコーン固有幾何学で、小径天端では長波長モードほぼ支持不能。図3b–gでθ=0–5°ナノコーン波長依存光学発生プロファイル支持。円柱NWで全波長天端領域吸収集中。傾斜角増加で光学モード、特に長波長モードが厚い領域へ下方シフト。したがって傾斜角増加は天端p領域吸収損失抑制と中央i領域吸収強化両方導く。このことが、中間傾斜角3°ナノコーンアレイで図3e示す高全吸収率説明、天端p領域と中央i領域吸収両方比較的強いため。吸収下方シフトがデバイス性能改善に重要役割果たすと考えられる：天端p領域吸収損失抑制と中央i領域吸収強化双方達成。

a 軸方向ピンナノコーン総光学発生プロファイル. b–g θ=0–5°ナノコーンアレイ波長依存光学発生プロファイル

i領域吸収スペクトルを図4aプロット。短波長域で傾斜角増加に伴いp領域径縮小、p領域体積とナノコーン閉じ込め光パワー両方減少、p領域吸収不十分でi領域高吸収率。長波長域で大傾斜角ナコーンでは吸収領域底部n領域へ拡張、i領域吸収率低下。図4bでi領域吸収スペクトル積分（AM 1.5G重み付け）。i領域吸収が傾斜角増加で劇的増大、実効吸収強化確認、変換効率向上期待。

a i領域波長依存吸収スペクトル. b aのi領域吸収スペクトルAM1.5G重み付け積分

光発生プロファイルを電気ツール（文献35）組込み、軸方向ピン接合ナノコーンアレイ太陽電池光電性能調査。図5aに異なる傾斜角電流-電圧特性示す。円柱NWアレイ比較で、ナノコーンアレイ太陽電池で大幅高短絡電流密度（J_sc）獲得。θ=5°でJ_sc 30.1 mA/cm²（円柱比7.3 mA/cm²高）、V_oc 0.885 V、高光電変換効率（η）20.1%（円柱比4.8%高）達成。図5bで変換効率傾斜角依存プロット。傾斜角0–5°増加で変換効率単調増加15.3–20.1%。前述通り全ナノコーンアレイ吸収飽和θ=2°、大傾斜角効率向上は全アレイ吸収向上起因せず。代わりに変換効率トレンドが図4b i領域吸収と高度整合、変換効率がi領域実効光吸収支配的実証。

a 異なる傾斜角軸方向p(i)n接合ナノコーンアレイ太陽電池電流-電圧曲線. b 異なる傾斜角軸方向p(i)n接合ナノコーンアレイ太陽電池光電変換効率

放射方向ピン接合GaAsナノコーンアレイ太陽電池

放射方向ピン接合GaAsナノコーンアレイモデルを図6示す：周期的放射方向ピンGaAsナノコーン、直径D=360 nm、周期P=720 nm、長さL=2 µm。i領域厚さ10 nm、コア半径=シェル厚さ。n型コアとp型シェルドーピング濃度は軸方向ナノコーン同一。平均径一定で天底径変化させ傾斜角0–10°変更。

放射方向ピン接合GaAsナノコーンアレイ模式図

異なる傾斜角放射方向GaAsナノコーンアレイ波長依存吸収率、反射率、透過率を図7a–c示す。軸方向構造同様、放射方向ナノコーンも放射方向円柱NW（θ=0°）比較で全波長域低反射率、傾斜角増加で顕著化。図7aで短波長域300–700 nm吸収率傾斜角増加で上昇、反射抑制起因。大傾斜角でナノコーン天端薄く長波長モード支持不能、吸収率減少。図7dでAM 1.5G重み付け積分吸収率、反射率、透過率スペクトル。傾斜角増加で吸収率全体的上昇傾向、わずかな変動、ナノコーン構造優れた吸収特性示唆。

a 吸収率, b 反射率, c 透過率：放射方向ピン接合GaAsナノコーンアレイ、D/P=0.5、D=0.36 µm. d 異なる傾斜角放射方向ナノコーンアレイAM1.5G重み付け積分吸収率、反射率、透過率

AM 1.5G照射下放射方向GaAsナノコーンアレイ総光学発生プロファイルを図8示す。軸方向アレイ同様、円柱NW天端に光子集中。傾斜角漸増で吸収下方シフト。放射接合ではi領域チューブがNW全長貫通、吸収下方シフトが直接吸収強化に繋がらない軸方向と異なる。しかし吸収下方シフトと共に吸収長も拡張、光吸収とi領域重なり強化、実効吸収向上も期待。

異なる傾斜角放射方向ピンナノコーンアレイ光学発生プロファイル

放射方向ナノコーン太陽電池電流-電圧特性を図9a示す。円柱NWアレイ太陽電池比較で、ナノコーンアレイ太陽電池で大幅高J_sc達成。θ≥6°で全J_sc 25 mA/cm²超、対照的にθ=0°で17.4 mA/cm²。図9(b)で変換効率傾斜角依存。小傾斜角で効率単調増加、θ=6°で最大17.4%、円柱対応物比6.4%高。角度更増加で効率飽和・微減、天端と中央i領域吸収競合起因と推測。大傾斜角でナノコーン天端極薄、長波長モード支持不能。中央i領域吸収増加も天端i領域吸収減少相殺。

a 異なる傾斜角放射方向ピン接合ナノコーンアレイ太陽電池電流-電圧曲線. b 変換効率傾斜角依存性

結論

結合3D光電シミュレーションで軸方向・放射方向ピン接合GaAsナノコーンアレイ太陽電池光電性能調査。ナノコーンアレイ吸収が天端径縮小で下方シフト、高ドープ天端領域吸収損失大幅抑制と空乏層吸収強化実現。軸方向・放射方向GaAsナノコーン太陽電池最高変換効率それぞれ20.1%と17.4%、傾斜角5°と6°で達成、いずれも円柱NW対応物大幅上回る。ナノコーン構造は高効率太陽電池有望候補。

略語

3D

三次元

D/P

直径/周期

EMW

Sentaurus Electromagnetic Wave

FDTD

有限差分時間領域法

FEM

有限要素法

NW

ナノワイヤ

PML

完全整合層

SRH

ショックリー-リード-ホール