具有增强有效光吸收的针结纳米锥阵列太阳能电池的光伏性能

背景

低维材料，包括量子点 (QD)、纳米线 (NW) 和二维层状材料，由于其独特的特性，在光伏应用中很有前景 [1,2,3,4,5]。与其平面对应物相比，III-V 族纳米线 (NW) 阵列具有出色的光学特性，例如抗反射和光捕获，在高性能太阳能电池中显示出巨大的潜力 [6,7,8]。此外，NW 的超小足迹面积充分降低了材料消耗并增加了晶格失配的容差，从而能够以更少的材料和更便宜的基板实现低成本太阳能电池 [9,10,11,12,13]。 pin结是NW太阳能电池的关键部分，它吸收光并将光子转化为电子-空穴对。根据pin结的几何形状，NW阵列太阳能电池可分为轴向和径向（或核壳）pin太阳能电池，两者都已被广泛研究。然而，迄今为止，轴向和径向 III-V NW 阵列太阳能电池的最佳效率分别为 15.3% 和 7.43%，仍远低于其平面对应物 [14, 15]。

迄今为止，人们为提高 NW 阵列太阳能电池的性能做了很多努力，主要包括优化直径/周期 (D /P ) 比率、直径和长度，以获得更好的整个 NW 阵列的光吸收 [16,17,18,19,20]。然而，整个 NW 阵列的吸收增强并不一定会导致最终转换效率的增加。对于实际的 NW pin 阵列，由于缺乏内置电场，在 p（或 n）区域产生的光载流子会迅速复合。因此，在某种程度上，耗尽区的吸收或有效光吸收直接决定了最终效率。然而，对于典型的圆柱 NW 阵列，大部分光被 NW 的上部吸收 [16]，而通常位于中间的耗尽区的吸收是不够的。特别是对于轴向pin NW阵列，入射光在被耗尽区吸收之前必须通过p(n)区，导致光损失很大。

增强 NW 阵列有效光吸收的一种可能方法是调制 NW 的几何形状。例如，据报道，轴向针倾斜 NW 阵列太阳能电池通过减少顶部 p（或 n）区域的吸收来增强耗尽区的吸收 [21]。然而，在实践中，D /P 比应远低于垂直 NW 阵列，以避免相邻 NW 交叉，从而限制转换效率。锥形 NW 或纳米锥有望增强有效光吸收，因为入射光可以直接被耗尽区吸收而无需穿过顶部区域。迄今为止，已经通过金催化的气-液-固和自组装无催化剂方法制备了具有不同倾斜角和纵横比的纳米锥[22,23,24,25]，并且其光吸收特性也得到了验证。模拟 [26, 27]。在实际太阳能电池中，掺杂对传输和光学特性的影响不容忽视，辐射、俄歇和肖克利-雷德-霍尔 (SRH) 复合在光电转换中也起着重要作用。然而，据我们所知，考虑到上述因素的纳米锥p(i)n太阳能电池的光伏性能尚未得到详细研究。

在本文中，提出了耦合三维 (3D) 光电模拟来研究轴向和径向 pin 结 GaAs 纳米锥太阳能电池的光伏性能。通过使用有限差分时域 (FDTD) 研究了光吸收特性。然后将光生成曲线纳入电气模拟，以使用有限元方法 (FEM) 计算电流密度与电压 (J-V) 特性。在电模拟中都考虑了掺杂相关的迁移率、带隙变窄以及辐射、俄歇和 SRH 复合。轴向和径向 pin 结纳米锥太阳能电池的最高效率分别为 20.1% 和 17.4%，远高于圆柱形 NW 对应物。讨论了效率提升的机制。

方法

轴向针状 GaAs 纳米锥阵列模型如图 1 所示，它由直径 D 的周期性轴向针状 GaAs 纳米锥组成 =180 纳米，周期 P =360 纳米，长度 L =2μm。 p 区和 n 区的长度均为 200 nm，并且均匀掺杂为 3 × 10 ¹⁸ 厘米 ⁻³ 和 1 × 10 ¹⁷ 厘米 ⁻³ ， 分别。 GaAs衬底n掺杂载流子浓度为1 × 10 ¹⁷ 厘米 ⁻³ .纳米锥直径定义为顶部和底部直径的平均值。倾斜角（θ ) 是侧壁与底面（基板）法线方向之间的夹角。在模拟中，在保持平均直径不变的情况下，通过改变底部和顶部直径，将倾斜角从 0° 改变为 5°。

轴向pin结GaAs纳米锥阵列示意图

通过 Sentaurus 电磁波 (EMW) 求解器模块包 [28,29,30] 研究了该结构的光学特性。 FDTD 网格的最小单元大小设置为 5 nm，每个波长的节点数在所有方向上均为 20。通过设置周期性边界条件，可以在单个晶胞中进行模拟以模拟周期性阵列结构。为了节省计算所需的资源和时间，GaAs 衬底的厚度限制为 0.4 μm [21]。然而，通过使用与 GaAs 衬底相邻的完美匹配层 (PML)，透射光被完全吸收，这使我们能够模拟半无限的 GaAs 衬底 [31]。用于描述 GaAs 材料色散特性的波长相关复折射率可以从 Levinshtein 等人的研究中获得。 [32]。顶部的入射光设置为平行于 NW 轴，如图 1 所示。我们使用由功率强度和波长值定义的平面波，这些值来自离散化的 AM 1.5G 太阳光谱，波长范围为 290 到 900 nm （GaAs 的典型吸收区域）来模拟太阳光 [33]。 AM 1.5G 照明下的总光产生可以通过叠加功率加权单波长光产生率来建模 [20]。光发生率G ph 由坡印廷向量 S 得到：

其中 ħ 是约化的普朗克常数，ω 是入射光的角频率，E 是每个网格点的电场强度，ε ″是介电常数的虚部。反射监视器位于 NWA 的顶面上方，透射监视器位于基板的底面，以计算吸收的光。通过功率监视器传输的功率量被归一化为每个波长的源功率。反射率 R (λ ) 和传输 T (λ ) 由下式计算：

其中 P (λ ) 是坡印廷向量，dS 是表面法线，P 在（λ ) 是每个波长的入射源功率。吸收光谱A (λ ) GaAs NWAs 由以下等式给出：

对于电气建模，将 3D 光学生成剖面合并到电气工具中 NW 的有限元网格中，从而在 3D 中自洽地求解载流子连续性方程和泊松方程。在器件电气模拟中考虑了掺杂相关的迁移率、带隙变窄以及辐射、俄歇和 SRH 复合。器件模拟的关键材料参数主要来自 Levinshtein 模型 [32]，如表 1 所示。

结果与讨论

轴向引脚结 GaAs 纳米锥阵列太阳能电池

图 2a-c 显示了具有不同倾斜角的轴向 GaAs 纳米锥阵列的波长相关吸收率、反射率和透射率。与圆柱 NW 阵列相比 (θ =0°），纳米锥阵列在整个波长范围内表现出较低的反射率，并且随着倾斜角的增加，这种现象变得更加明显。 NW 阵列的抗反射能力可归因于低填充率，这降低了有效折射率并在 GaAs 和空气之间提供了良好的阻抗匹配 [7]。对于具有大倾斜角的纳米锥阵列，阵列顶部的填充率极低，导致与空气几乎完美的阻抗匹配和几乎为零的反射。在 300-700 nm 的短波长范围内，由于反射受到抑制，吸收率随着倾斜角的增加而增加。然而，由于无法支持光学模式的非常薄的纳米锥顶部，GaAs 带隙附近的长波长光的吸收率以大斜率下降。图 2d 显示了不同倾斜角的吸收率、反射率和透射率光谱的 AM 1.5G 加权积分。在小角度，由于反射率降低，吸收率随着倾斜角的增加而增加。当倾斜角超过 3° 时，吸收率略有下降。这可能归因于吸收路径减少，因为非常薄的纳米锥顶部不能支持长波长模式。尽管如此，不同倾斜角（1~5°）的纳米锥的总吸收差异很小（在92~ 93.5％的范围内），表明倾斜角对纳米锥的总吸收影响很小。或者，倾斜角被认为对本征区中的吸收有很强的影响，本征区决定了光电转换效率。这将在以下部分详细讨论。

一 吸收率，b 反射率和 c 具有 D 的轴向 pin 结 GaAs 纳米锥阵列的透射率 /P =0.5 和 D =0.18μm。 d 不同倾斜角轴向纳米锥阵列的吸收率、反射率和透射率的AM1.5G加权积分

轴向 GaAs 纳米锥阵列在 AM 1.5G 照明下的总光学生成分布如图 3a 所示。可以看出，在θ =0°，大部分吸收的光子集中在圆柱体 NW 的顶部。由于高掺杂浓度和缺乏用于分离电子-空穴对的内置电场 [34,35,36,37]，顶部 p 区的光载流子复合非常高，导致大的损耗的入射光。对于纳米锥阵列，光子吸收位置随着倾斜角的增加而向下移动，导致 i 区域的吸收增强。正如已经报道的那样，NW 的光吸收由共振模式主导，共振模式与 NW 直径密切相关 [37]。由于纳米锥的独特几何形状，在具有小直径的顶部区域中可以支持很少的长波长模式。这得到图 3b-g 的支持，该图展示了倾斜角为 0~ 5° 的纳米锥的波长相关光学生成曲线。可以看出，在圆柱体 NW 中，大部分吸收集中在所有波长的顶部区域。然而，随着倾斜角的增加，光学模式，尤其是较长波长的模式，向下移动到更厚的区域。因此，倾斜角的增加不仅会导致中间 i 区域的吸收增强，还会导致顶部区域的吸收减少。这可以解释为什么具有 3° 中间倾斜角的纳米锥阵列具有高总吸收，如图 3e 所示，因为顶部 p 区和中间本征区的吸收在该角度相对较强。认为吸收的向下偏移对器件的性能提高起着至关重要的作用，因为它不仅抑制了顶部 p 区的吸收损失，而且增强了中间 i 区的吸收。

一 轴向针状纳米锥的总光学生成曲线。 b –g 纳米锥阵列在 θ 处的波长相关光学生成分布 =0~ 5°

i 区域的吸收光谱绘制在图 4a 中。在短波长区，随着 p 区的直径随着倾斜角的增加而缩小，p 区体积和可以被限制在纳米锥中的光功率都减少，导致 p 区吸收不足和高吸收率在 i 区域。在长波长区，吸收区以大的倾斜角延伸到纳米锥的底部 n 区，导致 i 区的吸收率降低。图 4b 显示了 i 区吸收光谱的积分。每个波长的吸收率由 AM 1.5G 光谱加权。可以看出，随着倾斜角的增加，i区的吸收显着增加，表明有效吸收增强，有望提高转换效率。

一 i 区域的波长相关吸收光谱。 b a中i区吸收光谱的AM1.5G加权积分

然后将光生成曲线结合到电动工具 [35] 中，以研究轴向 pin 结纳米锥阵列太阳能电池的光伏性能。图 5a 显示了不同倾斜角下的电流-电压特性。与圆柱体 NW 阵列相比，具有更高的短路电流密度 (J sc) 在纳米锥阵列太阳能电池中获得。在 θ =5°，器件产生 J sc 为 30.1 mA/cm ² (7.3 mA/cm ² 高于汽缸一）和 V oc 为 0.885 V，导致高光电转换效率 (η ) 的 20.1%（比汽缸高 4.8%）。图 5b 绘制了转换效率对倾斜角的依赖性。随着倾斜角从 0°增加到 5°，转换效率从 15.3% 单调增加到 20.1%。如前所述，整个纳米锥阵列的吸收在 θ 处饱和 =2°，表明大倾斜角下的效率增强不是由整个纳米锥阵列的吸收增强引起的。相反，转换效率的趋势与图 4b 所示的 i 区的吸收高度一致，表明转换效率受 i 区的有效光吸收支配。

一 不同倾斜角的轴向p(i)n结纳米锥阵列太阳能电池的电流-电压曲线。 b 不同倾斜角轴向p(i)n结纳米锥阵列太阳能电池的光电转换效率

径向引脚结 GaAs 纳米锥阵列太阳能电池

径向pin结GaAs纳米锥阵列模型如图6所示，它由直径D的周期性径向pin GaAs纳米锥组成 =360 纳米，周期 P =720 nm，长度L =2μm。 i 区的厚度为 10 纳米，核的半径等于壳的厚度。 n 型核和 p 型壳的掺杂浓度设置为与轴向纳米锥的掺杂浓度相同。在保持平均直径不变的情况下，通过改变底部和顶部直径，使倾斜角从0°变为10°。

径向pin结GaAs纳米锥阵列示意图

具有不同倾斜角的径向 GaAs 纳米锥阵列的波长相关吸收率、反射率和透射率如图 7a-c 所示。与轴向结构类似，径向纳米锥在整个波长范围内的反射率低于径向圆柱 NW（θ =0°)，且随着倾斜角的增大，这种现象更加明显。在图 7a 中，可以看出在 300-700 nm 的短波长范围内，由于反射率的抑制，吸收率随着倾斜角的增加而增加。而在大倾斜角下，纳米锥顶部太薄而无法支持长波长模式，导致吸收率降低。图 7d 显示了不同倾斜角的吸收率、反射率和透射率光谱的 AM 1.5G 加权积分。可以看出，随着倾斜角的增加，吸收呈现整体上升趋势，略有波动，表明纳米锥结构具有优异的吸收性能。

一 吸收率，b 反射率和 c 具有D的径向pin结GaAs纳米锥阵列的透射率 /P =0.5 和 D =0.36μm。 d 不同倾斜角径向纳米锥阵列的吸收率、反射率和透射率的AM1.5G加权积分

图 8 显示了在 AM 1.5G 照明下径向 GaAs 纳米锥阵列的总光学生成曲线。与轴向阵列类似，大部分光子集中在圆柱 NW 的顶部。随着倾斜角逐渐增加，吸收向下移动。由于径向结中的 i 区管穿透整个 NW，吸收的向下移动不能像轴向 pin 结那样直接导致吸收增强。然而，随着吸收的向下移动，吸收长度也延长，导致光吸收和 i 区域之间的重叠增加。因此，也认为有效吸收得到增强。

不同倾斜角径向针状纳米锥阵列的光发生分布

径向纳米锥太阳能电池的电流-电压特性如图 9a 所示。与圆柱NW阵列太阳能电池相比，J高得多 sc 是在纳米锥阵列太阳能电池中实现的。在 θ ≥ 6°，所有J sc 超过 25 mA/cm ² ，相比之下，J sc 为 17.4 mA/cm ² 在 θ =0°。图 9(b) 显示了转换效率对倾斜角的依赖性。在小倾斜角下，效率随倾斜角单调增加，在 θ 处达到最大值 17.4% =6°，比圆柱体高 6.4%。当角度进一步增大时，效率饱和，甚至略有下降。这可能归因于顶部和中间 i 区域的吸收之间的竞争。在大倾斜角下，纳米锥顶部太薄而无法支持长波长模式。尽管由于吸收向下移动，中间i区部分的吸收增加，但顶部i区部分的吸收减少，抵消了中间i区的吸收增量。

一 不同倾斜角径向pin结纳米锥阵列太阳能电池的电流-电压曲线。 b 转换效率对倾斜角的依赖性

结论

总之，我们通过耦合 3D 光电模拟研究了轴向和径向 pin 结 GaAs 纳米锥阵列太阳能电池的光伏性能。结果表明，纳米锥阵列中的吸收由于顶部直径的缩小而向下移动，这显着抑制了高掺杂顶部区域的吸收损失并增强了耗尽区域的吸收。轴向和径向 GaAs 纳米锥太阳能电池的最高转换效率分别为 20.1% 和 17.4%，分别在 5° 和 6° 的倾斜角下获得，这两者都远高于其圆柱 NW 对应物。纳米锥结构是高效太阳能电池的有希望的候选者。

缩写

3D：

三维

D /P ：

直径/周期

EMW：

Sentaurus 电磁波

FDTD：

有限差分时域

有限元：

有限元法

西北：

纳米线

PML：

完美匹配层

SRH：

肖克利-雷德-霍尔