ナノホールアレイを備えたペロブスカイト/ Siタンデム太陽電池の光吸収の向上

はじめに

太陽エネルギーは一種の再生可能でクリーンなエネルギーであり、人間の持続可能な開発にとって非常に重要です。光電変換の効率と準備のコストは、光エネルギーを直接電気に変換する太陽電池の産業用途を決定する重要な比率です。現在、シリコンベースの太陽電池が太陽電池の主流であり、世界の太陽光発電市場の90％を占めています。シリコンベースの太陽電池の効率は25.6％に達し、Shockley–Queisserの限界効率（33.7％）に近づいていますが、製造コストは依然として高いです[1、2]。シリコンベースの太陽電池の開発には、製造コストを削減し、セル効率を向上させる必要があります。

太陽スペクトルのエネルギー分布が広いため、どの半導体材料も、エネルギー値がバンドギャップ幅よりも広い光子しか吸収できません。したがって、太陽スペクトルをより有効に活用するための実証済みのアプローチは、二重接合タンデム太陽電池を形成することです[3、4]。原則として、Siタンデム太陽電池は、太陽スペクトルのさまざまな部分を選択的に吸収し、単一接合のShockley–Queisserを超えることができます。理想的な2接合シリコンタンデム太陽電池の理論上の限界効率は46％と報告されています[5,6,7]。

ペロブスカイト太陽電池は太陽光発電の可能性が高く、その性能はわずか数年で大幅に向上しました。 2009年の光電変換効率は3.7％であり、これまでの効率は最大25.2％でした[8,9,10]。ペロブスカイトは、次世代の低コスト太陽電池にとって最も有望な光吸収材料でもあると考えられています。ペロブスカイトのバンドギャップ幅が1.55eVの場合、波長800 nm未満の光子を吸収できますが、バンドギャップ1.12 eVのシリコンは、太陽光スペクトルで波長800nmを超える光子を吸収できます。 2つが上から下にタンデムセルを形成するとき、それらの吸収スペクトルは互いに補完し合い、太陽スペクトルの利用を大幅に改善し、準備コストを削減します[11、12、13、14]。

あらゆる種類のペロブスカイト/シリコンタンデム太陽電池の中で、2端子モノリシックタンデムは、ペロブスカイト膜をシリコンボトムセルに直接堆積させて一体型にすることで製造できるため、最大の可能性を秘めています。ブッシュ等。 E を備えたp-i-nペロブスカイトトップセルを備えたリアエミッターSHJボトムセルで23.6％の効率を達成しました _g =1.63ev。これは、フロント電子選択層での寄生吸収が減少するためです。さらに、オックスフォードPVは2018年に28％の電力変換効率に達し、ペロブスカイト/シリコンタンデムが太陽電池技術に革命を起こす大きな可能性を秘めていることをさらに検証しました[15、16、17]。ただし、限界効率の85％に達する可能性があるシリコンベースの太陽電池と比較すると、ペロブスカイト/シリコンベースのタンデムセルには、効率を改善する余地がまだたくさんあります。ペロブスカイト/シリコンタンデムセルに関するほとんどの研究は、上部セルとトンネリングジャンクションの設計に焦点を当てていますが、下部セルは主にテクスチャ表面またはSiN _x を採用しています。 光吸収を改善するための層[18、19]。選択的吸収を強化する効果的な方法は、入射光を導波モードに組み込むことであることに注意してください[20]。上記の目的のために、下部のサブセル設計にナノホールアレイを導入します。同時に、通常のテクスチャの表面と比較して、シリコンナノホールアレイの表面はより滑らかであり、これは上部セルと下部セルの間の電流マッチングをより助長します[21、22]。

メソッド

この手紙では、有限差分時間領域（FDTD）法を使用して、ボトムセルとしてシリコンナノホールアレイを備えたペロブスカイト/シリコンタンデムデバイスの光吸収特性を数値的に研究します。図1と図2は、提案されたナノホール構造のペロブスカイト/シリコンタンデムセルの概略図と個々の周期の側面図をそれぞれ示しています。

モデルで使用されるナノホール構造のペロブスカイト/シリコンタンデムセルの概略図

a モデルで使用されるナノホールアレイの概略図。 b 個々の期間の2D側面図

私たちのモデルでは、ナノホールアレイはTiO ₂ で満たされています 2つの接合部間のトンネリング層として。ナノ構造サブセルの光学特性に焦点を当てるために、ITO、Spiro-OMeTAD、CH ₃ の厚さ NH ₃ PbI ₃ 、SiO ₂ およびTiO ₂ それぞれ50nm、10 nm、300 nm、20 nm、40nmに固定されています。図2に示すように、配列は周期性（ P ）によって特徴付けることができます。 ）、ナノホールの直径（ D ）、ナノホールの高さ（ h ）およびシリコン基板の全高（ H ）。充填率は\（\ eta =D / P \）として定義されます。シリコン基板の全高 H 1μmに固定されています。さらに、セルの設計に使用されるシリコンやその他の材料の光学定数は、FMihaの研究[23]によるものです。周期境界条件はx方向とy方向に採用され、z方向に完全に一致する層境界条件が適用されます。光源は、 z に沿ったナノホールアレイに垂直な、300〜1100nmの範囲の平面波源と見なされます。 方向。

反射率（ R ）を記録するために、トップセルの表面の上の平面モニターが適用されます ）、シリコン基板の下部にある2番目のモニターが透過率（ T ）を記録します。 ）;吸収（ A ）ペロブスカイト/シリコンタンデムの）は、\（A（\ lambda）=1-R（\ lambda）-T（\ lambda）\）によって決定されます。吸収性能は、[14]：

ここで、\（\ Phi（\ lambda）\）はAM1.5Gの太陽エネルギー密度スペクトルです。 e は電気素量、 h プランク定数であり、 c は真空中の光速です。 CH ₃ では少数キャリアの拡散長が十分に長いため、すべての光生成キャリアが電極によって収集されると計算されます。 NH ₃ PbI ₃ と結晶シリコン。

結果と考察

ナノホールアレイがタンデム太陽電池の光吸収に果たす役割を明らかにする目的で、また光学特性の設計を適切にガイドするために、さまざまな充填率でのナノホールアレイの吸収曲線を計算しました。実験のプロセスをシミュレートする場合、300 nm CH ₃ NH ₃ PbI ₃ 層と1μmのシリコン基板を適用して、光子を捕捉しました。図3a、bに示すように、下部のナノホールの高さは、さまざまな期間に対してそれぞれ600nmの数字のままでした。充填率の値が0.1から0.9に増加すると、吸収曲線は3つの部分に分割できます。当初、吸収は300〜600nmの短波長範囲で性能の低下を示しました。次に、ペロブスカイト層の吸収が600〜850 nmの範囲で減少するのが観察されましたが、逆に、共鳴は600nmの開始点でピークに達します。 3番目の部分は850〜1100 nmの範囲にあり、合計で3つの吸収共鳴ピークが含まれています。波長の吸収に対するペロブスカイト層の優位性の制限が最大850nmに達する可能性があることを考慮すると、その値はCH ₃ のしきい値波長と見なすこともできます。 NH ₃ PbI ₃ 私たちのモデルで。

ナノホールアレイを備えたタンデム太陽電池の光学的特性評価。 a 固定された P での吸収スペクトルと充填率の関係 =400nmおよび h =600nm。 b 固定された P での吸収スペクトルと充填率の関係 =500nmおよび h =600nm。 c 異なる期間での光電流密度と充填率の関係。 d P の条件下での光電流密度と充填率の増加 =500 nm

図3cから、光電流密度とηは正の相関を示していることがわかります。これは、ηの増加とともに増加することを意味します。固定周期パラメータに関しては、電流密度の増加は最初は急速に成長する段階にあるように見え、\（J_ {i} \）は徐々に飽和範囲に入り、充填率が0.5を超えるためにAM1.5Gの長波長と短波長の不均一な分布。充填率の値が大きくなると、それに応じてシリコン基板の吸収効率も向上しました。ただし、シリコン材料は単一の期間で減少しているように見えます。したがって、シリコンナノホールアレイの充填率は最適値である必要があります。共鳴吸収のピークはスペクトルで1000nm近くの値に達し、他の2つの条件と比較して周期が500nmのときにピークが最大に達すると見なすことができます。図3dは、 P の条件下で、充填率の増加に伴って光電流密度が増加する曲線を示しています。 =500nm。さらに、赤い線は多項式フィッティングによって取得できます。充填率が正確に0.5に達すると、光電流密度の増加に変曲点が現れると結論付けることができます。

上記の分析によれば、ナノホールアレイに基づいてタンデムセルの最適化された吸収パラメータが500 nmの周期で検出され、充填率は正確に0.5の数値になります。光吸収の発光メカニズムをさらに明確にするために、異なるナノホールの高さに対する吸収スペクトルを、上記の条件で比較して比較しています。図3a、bは、それぞれナノホールの高さの増加に伴うスペクトル吸収と光電流密度の変動傾向の変化を示しています。 1000 nmの波長での吸収ピークは、ナノホールの高さに対して高い依存​​性を示しますが、図4bに示す他の2つの吸収ピークのナノホールの高さへの依存性は非常に弱いと要約できます。このような結果は、三重共鳴が励起を支配していることを示しています。図4c、dから、電流密度の大幅な増加が14.53から15.68 mA / cm ² に上昇していることがわかります。 深さが300nm未満の場合、およびh値が300 nmを超える場合、値はほぼ飽和状態の数値に達します。ナノホールの高さへのこのような弱い依存性は、実際のナノホールアレイの設計および製造の観点から役立つ可能性があります。

ナノホールアレイを備えたタンデム太陽電池の光学的特性評価。 a 固定された P での吸収スペクトルと高さの関係 =500nmおよびη =0.5。 b 吸収スペクトルの拡大図は、800〜1100nmの範囲です。 c 固定された P での電流密度と高さの関係 =500nmおよびη =0.5

一般的な原理として、光波がタンデム太陽電池の界面構造に入ると、散乱および放出効果が現れます。ナノホールアレイ構造によって引き起こされる光波の散乱は、光子の伝播経路を長くします。ナノホールアレイを備えたペロブスカイト/ Siタンデムソーラーセルの光吸収をさらに分析するために、シミュレートされた実験では、500 nm、600 nmでの断面電界強度分布\（（| E | ^ {2}）\）を選択します。 、700 nm、800 nm、900 nm、および1000 nmの波長で、hの値が900 nmのままであるため、高さは固定されるように設計されています。これは、図5にも示されています。単位体積あたりの吸光度の空間プロファイル x で – z 平面は、ペロブスカイト、ナノホールアレイ、シリコン基板の3つの部分に分けることができます。ナノホールアレイの一部では、構造化シ​​リコンはTiO ₂ と間隔を置いて配置されています。 図5aで破線でマークされている塗りつぶされたナノホール。

固定高さ900nmでのタンデム太陽電池の電界強度分布 a 500 nmでの波長、 b 600 nmでの波長、 c 700 nmでの波長、 d 800 nmでの波長、 e 900 nmでの波長、および f 1000nmでの波長

図5a、bは、一番上のセルが短波長（<600 nm）の吸収を支配する可能性があることを示しています。ただし、600 nmの波長でナノホールアレイによって生成される反射防止効果は、500nmの波長でよりも優れているように見えます。ただし、シリコンの吸収係数が低いため、中波長（500〜600 nm）での吸収は平面構造の吸収よりも低くなります。また、周期的なナノホールの存在のおかげで、上部のペロブスカイト層で明らかな干渉効果も観察できます。つまり、700nmと800nmの光の反射が上部のセルに戻り、その吸収を高めることができます。

図5e、fに示すように、ペロブスカイトの吸収端が850 nmで鋭い場合、900nmと1000nmの波長は下部のセルに透過し、主に下部のセルに吸収されます。 TiO ₂ の充填あり シリコンナノホールアレイでは、屈折率の周期的な分布の違いが下部セルにつながり、タンデムの近くの電磁界に位置する導電モードをサポートすることを目的としています。これらの導電モードとの入射光の結合により、吸収。このアプローチの実現可能性を説明するために、4つの異なるケースをシミュレートして、異なるナノホールアレイの高さで分析を行いました。これらの吸収はすべて、η=0.5およびP =500 nmと同じナノホールアレイパラメータを持ち、それらの入射波長光は、図6に示すように、900 nmに固定されています。サポートされているガイドモードの相互作用の相互作用は、ナノホールの高さが増すにつれて。

高さ a に対するナノホールアレイを備えたタンデム太陽電池の900nmでの電界強度分布 h =100 nm、 b h =300 nm、 c h =600 nm、 d h =900 nm

結論

要約すると、この記事では、デバイスが高効率のタンデムデバイスを実現するための実用的な方法として、ペロブスカイト/シリコンタンデム太陽電池とナノホールアレイの組み合わせを研究しました。ナノホールの最適化されたセットが配列ηの場合、 =0.5および P =500nmは14.53mA / cm ² の値から増加します 〜15.68 mA / cm ² アレイの深さが300nm未満の場合、そのようなデバイスは高効率の前提として機能します。次に、TiO ₂ で満たされたナノホールアレイの導入を通じて 、さらに、タンデムセルの光吸収モードがさまざまな光吸収モードとの混合モードに変わることを証明しました。短波長の選択的減少は、短波長光子吸収の減少につながります。ただし、上部セルでの光トラップと下部セルでの屈折率誘導光トラップを生成した干渉は、タンデムの選択的吸収を大幅に強化するように機能する可能性があります。上記の実験結果は、ペロブスカイト/シリコンタンデム太陽電池の吸収を改善するための有望な方法であることを証明しました。

データと資料の可用性

この原稿でなされた結論は、この論文で提示され示されているデータ（本文と図）に基づいています。

略語

FDTD：

有限差分時間領域