Optical absorption characteristics of nanometer and submicron a-Si:H solar cells with two kinds of nano textures

• DOI: 10.1364/oe.21.018043
• Publication Date: 2013-07-19T18:32:23Z
• Authors: Xie Ziang; Wang Wei; Qin Laixiang; Xu Wanjin; G. G. Qin
• Keywords: Composite material; Silicon; Artificial intelligence; Surface Properties; Materials Science; Biomedical Engineering; Finite-difference time-domain method; Nanoparticle Enhanced Absorption; 02 engineering and technology; FOS: Medical engineering; 7. Clean energy; Absorption; Nanopores; Electric Power Supplies; Engineering; Plasmonics for Photovoltaic Devices; Solar Energy; FOS: Electrical engineering, electronic engineering, information engineering; Materials Chemistry; Nano-; Image (mathematics); Nanotechnology; Computer Simulation; Thin film; Electrical and Electronic Engineering; Nanowire Nanosensors for Biomedical and Energy Applications; Optoelectronics; Optical Properties; FOS: Nanotechnology; Physics; Porous Silicon Nanoparticles and Nanostructures; Texture (cosmology); Optics; Equipment Design; Models, Theoretical; Computer science; Materials science; Equipment Failure Analysis; Refractometry; Absorption (acoustics); Nanometre; Physical Sciences; Computer-Aided Design; Nanoparticles; Attenuation coefficient; 0210 nano-technology; Hydrogen

Las propiedades de absorción óptica de a-Si:H han adquirido mucha atención en la investigación de células solares (SC). En este artículo, estudiamos la mejora de la absorción de luz en los SC a-Si:H(10%H) con espesores de 31.25nm a 2μm y con nanotexturas de la matriz de nanoorificios en forma de columna (CLNH) y de la matriz de nanoorificios en forma de cono (CNNH), a través de la simulación de dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD). Para un tipo dado de nanotextura y espesor de película, d, la eficiencia máxima, la eficiencia ideal sin considerar las combinaciones de portadores, se optimiza durante el período de matriz, p, y la fracción de llenado, f, y se define como la eficiencia máxima optimizada, η(0). Los resultados de la simulación demostraron que: incluso para los CLNH texturizados a-Si:H(10%H) SC tan delgados como 62.5 nm,η(0) es 19.7%. Cuando el SC a-Si:H(10%H) es más delgado que una profundidad crítica de aproximadamente 250 nm, la textura CLNH es más eficiente que la textura CNNH, y viceversa. Cuando los espesores de los SC son muy delgados, especialmente menores de 100 nm, las eficiencias de los SC de a-Si:H(10% de H) son evidentemente mayores que las de los SC de c-Si. Por ejemplo, en los arreglos CLNH, cuando d = 62.5nm, η(0)para los SC a-Si:H(10%H) es mayor que los SC c-Si en un factor de aproximadamente 2.3.<br/>اكتسبت خصائص الامتصاص البصري لـ a - Si:H الكثير من الاهتمام في أبحاث الخلايا الشمسية (SC). في هذه الورقة، درسنا تعزيز امتصاص الضوء في a - Si:H(10 ٪H) SCs بسماكات من 31.25نانومتر إلى 2 ميكرومتر وبقوام نانوي لمصفوفة الثقوب النانوية على شكل عمود (CLNH) ومصفوفة الثقوب النانوية على شكل مخروطي (CNNH)، عبر محاكاة النطاق الزمني للاختلاف المحدود (FDTD). بالنسبة لنوع معين من نسيج النانو وسمك الغشاء، د، يتم تحسين الكفاءة النهائية، والكفاءة المثالية دون النظر في تركيبات الناقل، على مدار فترة المصفوفة، ع، وكسر التعبئة، و، ويتم تعريفها على أنها الكفاءة النهائية المثلى، η(0). أظهرت نتائج المحاكاة أنه: حتى بالنسبة لـ CLNH الملمس a - Si:H(10 ٪H) SCs رقيقة مثل 62.5 نانومتر،η(0) هي 19.7 ٪. عندما يكون a - Si:H(10 ٪H) SC أرق من عمق حرج يبلغ حوالي 250 نانومتر، يكون نسيج CLNH أكثر كفاءة من نسيج CNNH، والعكس صحيح. عندما تكون سماكات الكتل الخرسانية رقيقة جدًا، خاصةً أصغر من 100 نانومتر، فمن الواضح أن كفاءات الكتل الخرسانية a - Si:H(10 ٪H) أعلى من تلك الموجودة في الكتل الخرسانية c - Si. على سبيل المثال، في مصفوفات CLNH، عندما يكون d = 62.5nm، فإن η(0)لـ a - Si:H(10 ٪H) SCs أعلى من c - Si SCs بعامل تقريبي 2.3.<br/>The optical absorption properties of a-Si:H have acquired much attention in solar cell(SC) research. In this paper, we studied enhancement of light absorption in the a-Si:H(10%H) SCs with thicknesses from 31.25nm to 2μm and with nano textures of the column-shaped nanohole (CLNH) array and of the cone-shaped nanohole (CNNH) array, via the Finite Difference Time Domain (FDTD) simulation. For a given type of nano texture and film thickness, d, the ultimate efficiency, the ideal efficiency without considering carrier combinations, is optimized over array period, p, and filling fraction, f, and is defined as the optimized ultimate efficiency, η(0). The simulation results demonstrated that: even for the CLNH textured a-Si:H(10%H) SCs as thin as 62.5 nm,η(0) is 19.7%. When the a-Si:H(10%H) SC is thinner than a critical depth of about 250nm, the CLNH texture is more efficient than the CNNH texture, and vice versa. When the thicknesses of SCs are very thin, especially smaller than 100nm, the efficiencies of the a-Si:H(10%H) SCs are evidently higher than those of the c-Si SCs. For example, in the CLNH arrays, when d = 62.5nm, η(0)for the a-Si:H(10%H) SCs is higher than the c-Si SCs by a factor of approximate 2.3.<br/>Les propriétés d'absorption optique de a-Si :H ont acquis beaucoup d'attention dans la recherche sur les cellules solaires (SC). Dans cet article, nous avons étudié l'amélioration de l'absorption de la lumière dans les SC a-Si :H(10%H) avec des épaisseurs de 31,25nm à 2 μm et avec des nano textures du réseau de nano-trous en forme de colonne (CLNH) et du réseau de nano-trous en forme de cône (CNNH), via la simulation du domaine temporel de différence finie (FDTD). Pour un type donné de nano texture et d'épaisseur de film, d, l'efficacité ultime, l'efficacité idéale sans tenir compte des combinaisons de porteurs, est optimisée sur la période de matrice, p, et la fraction de remplissage, f, et est définie comme l'efficacité ultime optimisée, η(0). Les résultats de la simulation ont démontré que : même pour les SC a-Si :H(10%H) texturés CLNH aussi minces que 62,5 nm,η(0) est de 19,7%. Lorsque le SC a-Si :H(10%H) est plus mince qu'une profondeur critique d'environ 250 nm, la texture CLNH est plus efficace que la texture CNNH, et vice versa. Lorsque les épaisseurs des SC sont très minces, en particulier inférieures à 100 nm, les rendements des SC a-Si :H(10%H) sont évidemment plus élevés que ceux des SC c-Si. Par exemple, dans les réseaux CLNH, lorsque d = 62,5 nm, η(0)pour les SC a-Si :H(10%H) est supérieur aux SC c-Si d'un facteur d'environ 2,3.<br/>