Проектирование и анализ мульти | Циндао BrightTrailblazer Group Co., Ltd.

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 13259 (2022) Цитировать эту статью

Доступы 1905 г.

2 цитаты

16 Альтметрика

Подробности о метриках

Мы исследуем концепцию солнечных элементов на основе наночастиц, состоящих из стопки кремниевых наночастиц, в качестве поглотителя света для ультратонких фотоэлектрических элементов. Мы изучаем потенциал использования этих нанотекстурированных структур для улучшения поглощения света. Для этого проводится детальный оптический анализ зависимости реакции клетки от таких параметров, как количество слоев частиц, структура решетки и угол падения; Оптический отклик этих ячеек затем сравнивается с результатами обычных кремниевых солнечных элементов. Более того, мы предлагаем различные конфигурации для применения этих субмикронных частиц в качестве солнечного элемента с ap – n-переходом. Мы также рассчитываем электрические характеристики выбранных конфигураций. При этом решаются ключевые вопросы, включая влияние точек контакта между наночастицами и влияние потерь. В конце мы покажем, как наночастицы \(\mathrm{SiO}_2\) поверх клеточной структуры могут усилить фототок. Соответствующий диапазон размера частиц \(\mathrm{SiO}_2\) также получен для типичных клеточных структур.

Ультратонкие солнечные элементы относятся к группе фотоэлектрических структур, обладающих поглотителями света толщиной как минимум на порядок меньшей, чем у обычных солнечных элементов1. Эти элементы привлекли внимание благодаря снижению требований к сырью, их гибкости и сгибаемости2,3. Несмотря на уменьшенную толщину, длина оптического пути увеличивается за счет разработки структуры ячеек, компенсирующей их низкое поглощение. Ожидается, что ультратонкие солнечные элементы будут производиться с использованием недорогих технологий за счет увеличения производительности производства4; например, они могут быть реализованы без защитных стеклянных слоев3 или их активный слой может быть нанесен с помощью более простых методов нанесения1. Эти клетки могут демонстрировать надежные характеристики при клеточных дислокациях и деградации, вызванной слабым освещением5,6. Кроме того, механизмы объемной рекомбинации, такие как оже-рекомбинация, ограничены, что приводит к более высоким напряжениям холостого хода, а сбор носителей на контактах облегчается1. Благодаря этим особенностям концепция ультратонких фотоэлектрических элементов получила впечатляющий рост за последнее десятилетие и нашла применение в космических кораблях3 благодаря короткой длине диффузии носителей, что обеспечивает устойчивость к радиационным повреждениям. Кроме того, благодаря своей гибкости эти элементы являются кандидатами для обеспечения энергией портативных устройств в отдаленных районах.

Попытки создания и реализации сверхтонких солнечных элементов были сосредоточены на изучении как электрических, так и оптических аспектов; С электрической стороны общий анализ включает оптимизацию запрещенной зоны клеточных поглотителей7,8, а также изучение дрейфа, диффузии, генерации и рекомбинации фотоносителей с использованием уравнений переноса носителей9,10. С оптической стороны, поведение ячейки при поглощении является ключевым параметром, определяющим, насколько эффективна архитектура ячейки в производстве более высокого фототока. Основным недостатком высокой эффективности ячеек является недостаточное поглощение света в ультратонких структурах. В связи с этим исследования этих ячеек часто направлены на поиск архитектур управления светом, имеющих практическую ценность6,11,12,13,14. Например, использование соответствующих просветляющих покрытий и встраивание задних зеркал15,16, использование периодических нанорешеток на передней части17,18,19 или случайных пирамид на передней и задней части ультратонких слоев кремния для достижения всенаправленной отражательной способности20. Оптическое ограничение также исследовалось посредством возбуждения краевых состояний вокруг фотонного топологического изолятора21. Учитывая это, попытка была сосредоточена на конфигурировании структуры как оптически, так и электрически, чтобы сохранить высокие токи короткого замыкания при одновременном уменьшении толщины.

BCC > SC. The reflection from these structures are compared for \(R = 100\,\mathrm{nm}\) in Fig. 3d. As can be seen, the reflection from the first and third arrangements have very similar behavior at shorter wavelengths; at higher wavelengths, the HCP structure has an improved absorption due to its new resonances. The reflection corresponding to the BCC lattice presents a fairly fluctuating behavior; while the reflection is reduced in several wavelength intervals, between 680 and 780 nm, it is increased. The total reflection from these structures is also shown in the figure. Moreover, the photocurrent produced by each one is obtained via29/p> 600\, \mathrm{nm}\). In contrast, at shorter wavelengths, \(\mathcal {A}\) experiences a noticeable reduction, particularly at \(\theta = 45^\circ\) and \(60^\circ\). This can be explained using the ray-optic point of view; as the incident beam hits obliquely on the top particles, only a little portion of top the surface belonging to the upper particles has this chance to interact with light. This is in contrast to the normal incidence, where the whole surface receives light. In a similar way, one can argue about the negligible angle-dependence of the flat structure through the whole spectrum. However, by computing the photocurrent due to the absorption in both structures, it reveals that at the angle \(\theta = 60^\circ\) the SNP structure still provides higher \(J_\mathrm{ph}\) (\(27.8 \,\mathrm{mA} \,\mathrm{cm}^-2\)) than the flat absorber (\(21.6\, \mathrm{mA}\,\mathrm{cm}^-2\)). This again indicates that despite the reduction in the absorption efficiency, a SNP absorber is optically preferred to a flat one./p>