• obiecte
  • abstract
  • introducere
  • Rezultatul
  • discuţie
  • Sistem de divizare a spectrului
  • Capacitatea de a capta lumină și precizia tehnologiei
  • Electrod transparent
  • materiale
  • Fezabilitatea experimentelor
  • restricții
  • metode
  • Mai multe detalii
  • Informatii suplimentare
  • Documente Word
  • Informatii suplimentare
  • Comentarii

obiecte

  • Nanofotonică și plasmonică
  • Energia solară și tehnologia fotovoltaică

abstract

Absorbția luminoasă a unei celule fotovoltaice mono-strat grafen-molibden disulfură (GM-PV) într-o microcavitate de pană cu o structură de divizare a spectrului este investigată teoretic. Celula GM-PV, care este de trei ori mai subțire decât celulele fotovoltaice tradiționale, prezintă până la 98% absorbție a luminii pe o gamă largă de lungimi de undă. Această viteză depășește limita de bază a captării luminii nanofotonice în celulele solare. Sunt investigate efectele grosimii stratului de defecte, poziția celulelor GM-PV în microcavitate, unghiul de incidență și aberația lentilei asupra absorbției luminii a celulelor GM-PV. În ciuda acestui efect, celula GM-PV poate realiza cel puțin 90% absorbție a luminii folosind tehnologia actuală. Proiectarea noastră oferă diverse metode pentru proiectarea structurilor de captare a luminii și pentru aplicarea sistemelor de distribuție a spectrului.

perfectă

Structura de fisiune a spectrului este aplicată pe scară largă în celulele fotovoltaice de înaltă eficiență 31, 32, 33, 34, 35. Această structură poate reduce pierderile de căldură cauzate de nepotrivirea dintre energia fotonică și decalajul benzii semiconductoare prin focalizarea luminii de diferite lungimi de undă pe semiconductori cu diferențe de bandă 31, 32, 33, 34, 35. Pierderile de căldură pot fi reduse la aproximativ 10% utilizând 8-10 semiconductori cu diferențe diferite în banda care formează celula fotovoltaică 32. În studiile noastre anterioare, am combinat o structură de împărțire a spectrului și o structură de reflecție a luminii rezonante pentru a obține o absorbție perfectă în bandă largă într-un film semiconductor cu o grosime de aproximativ 100 nm 36. Cu toate acestea, localizarea luminii este slabă în structura rezonantă de retrodifuzare a captării luminii. Prin urmare, absorbția perfectă a luminii este dificil de realizat într-un strat de mediu de 1 nm grosime. Cerințele de mobilitate a materialelor pot fi reduse la minimum prin reducerea grosimii stratului de suport la

1 nm și structura benzii energetice și proprietățile optice ale unui film semiconductor cu dimensiunea

1 nm poate fi reglat prin ajustarea parametrilor structurali și fizici, cum ar fi stresul. Acest proces susține utilizarea ingineriei benzilor de energie în celulele fotovoltaice.

Mai multe studii recente au examinat absorbția crescută a luminii în materiale 2D, cum ar fi grafenul, folosind diverse microstructuri optice 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49. În studiul de față, am combinat microproducția asimetrică a cristalelor fotonice cu un strat cu pană defectă și o structură de divizare a spectrului. Folosind această structură, a fost creată o celulă GM-PV, care este de trei ori mai subțire decât o celulă fotovoltaică tradițională și care are o absorbție favorabilă a luminii de peste 98% pe o gamă largă de lungimi de undă. De asemenea, am determinat efectele grosimii stratului defect, poziția celulelor GM-PV în microcavitate, unghiul de incidență și aberația lentilei asupra ratei de absorbție a luminii a celulelor GM-PV pentru a compara rezultatele calculului și rezultatul real. În ciuda acestui efect, absorbția de lumină a celulelor GM-PV cu tehnologia actuală poate depăși 90%. Studiul oferă diverse metode pentru proiectarea structurilor de captare a luminii și pentru aplicarea sistemelor de partajare a spectrului.

Rezultatul

Efectul unui microbit comun asupra absorbției celulelor GM-PV este prezentat pentru a înțelege mecanismul fizic și pentru a arăta avantajele și dezavantajele i-LTS tradiționale. Figura 1 (a) prezintă structura unei microcavități convenționale. Stratul cian, stratul albastru și stratul roșu sunt un strat de SiO2, un strat ZnS și un strat de celule GM-PV. Stratul defect cu dielectric nc se află în mijlocul cavității, iar celula GM-PV se află în mijlocul stratului defect. Reflectoarele distribuite Bragg (DBR), în care sunt distribuite alternativ două materiale cu dielectrice diferite (n1 și n2), sunt pe ambele părți ale cavității cu periodicitate M1 și M2. În calcul, se utilizează n c = n 1 = 1, 55 (de exemplu, SiO2) și n2 = 2, 59 (de exemplu, ZnS). Grosimile stratului corespunzător sunt d1 = X DBR/4 n1 și d2 = X DBR/4 n 2, unde X DBR este lungimea de undă medie. Toate straturile sunt nemagnetice (μ = 1). Pentru comparație directă, au fost calculate absorbțiile luminoase ale celulelor monostrat grafen, MoS 2 și GM-PV. Indicele de refracție al grafenului poate fi exprimat ca

, Unde

( A ) Schema microturității comune a cristalelor fotonice. Stratul cian, stratul albastru și stratul roșu sunt un strat de SiO2, un strat ZnS și un strat de celule GM-PV. ( b ) absorbția de lumină a celulelor monostrat grafen, MoS 2 și GM-PV. c ) Absorbanță celulară GM-PV (A GM - PV) în funcție de periodicitatea reflectoarelor distribuite de Bragg pe ambele părți ale microcavităților la 470 nm și d ) 610 nm. e ) fluctuația absorbanței celulei GM-PV în microcavitate la diferite lungimi de undă (inserare: distribuția câmpului luminos). f ) Grafic de contur al absorbției celulei GM-PV la diferite lungimi de undă și grosimi defecte ale stratului. Variația variației celulelor GM-PV cu lungimi de undă variabile la diferite unghiuri de incidență: ( g ) Modul TE și ( h ) Mod TM.

Imagine la dimensiune completă

Starea de rezonanță din microcavitate este sensibilă la grosimea stratului defect și la unghiul de incidență. Rezultatele calculate sunt prezentate în Figura 1 (f - h). Lungimea de undă rezonantă a microcavității satisface m i λ c/2 = Lc cos θ ′, unde Lc = nc dc denotă calea optică a microcavității, nc și dc sunt indicele de refracție și grosimea stratului defect; m i este un număr întreg; și 9 '= arcsin 9 i/nc denotă unghiul de propagare a luminii în stratul defect, unde 9i este unghiul de incidență. Astfel, lungimea de undă rezonantă crește liniar cu creșterea grosimii stratului defect. Apoi lungimea de undă rezonantă se deplasează în direcția undei scurte cu un unghi de incidență crescând. Absorbția perfectă este distribuită în principal în intervalul de bandă fotonică (470 - 670 nm), deoarece grosimea cristalelor fotonice de pe ambele părți rămâne neschimbată. Lungimea de undă rezonantă se corelează și cu unghiul de propagare în stratul defect. Cu cât indicele de refracție al stratului defect este mai mare, cu atât unghiul de propagare este mai mic. Prin urmare, atunci când unghiul de incidență se schimbă, există modificări minime în vârful rezonant. În calcule, vârful rezonant este sensibil la unghiul de incidență atunci când indicele de refracție al stratului defect este de 1, 55. Vârful de absorbție rezonant se modifică ușor când unghiul de incidență este de 15 °. În contrast, vârful rezonant se schimbă cu distanța până la FWHM atunci când unghiul de incidență este de 30 °.

Diagrama de sistem ( A ) pentru partajarea spectrului și ( b ) cristal fotonic pană; c ) absorbanța celulei GM-PV în microcavitatea pană (inserare: schimbarea grosimii stratului defect cu coordonate de poziție variabile); d ) absorbanță a celulei GM-PV în microcavitatea despicată de pană (inserată: microcavitatea unghiilor în formă de umăr).

Imagine la dimensiune completă

Pentru a combina rezultatele calculului cu producția practică, sunt studiate în continuare efectele plasării celulei GM-PV în microcavitate, grosimea stratului defect, unghiul de incidență și aberația lentilei asupra absorbției celulelor GM-PV. Rezultatele calculului sunt prezentate în Figura 3. Alte efecte, cum ar fi efectul toleranțelor de fabricație a cristalelor fotonice (informații suplimentare S3), corecția stratului exterior (informații suplimentare S4) și toleranțele de poziție a celulei fotovoltaice (informații suplimentare S5) sunt date în materialele suplimentare.

Absorbanta celulelor GM-PV in A ) diferite poziții descentrate ale celulei GM-PV în microcavitate; b ) diferite grosimi ale stratului defect; c ) unghiuri diferite (corespunzătoare modului TE); d ) unghiuri diferite (corespunzătoare modului TM); e ) diferite diametre ale lentilei dacă unghiul de vârf al prismei α A = 45 °; f ) diferite diametre ale lentilelor dacă unghiul de vârf al prismei α A = 30 °; Introduceți în ( e, f ) prezintă un punct luminos focalizat cu lungimi de undă diferite pentru D = 15 și D = 7 cm.

Imagine la dimensiune completă

Amplasarea luminii este cea mai puternică în mijlocul cavității. Absorbția celulelor GM-PV scade atunci când este descentrată. Absorbanța descentrată este totuși ușor afectată, deoarece câmpul luminos este distribuit aproape uniform în cavitate. Absorbanța celulei GM-PV nu prezintă aproape nicio modificare la A Z = 10 nm, se modifică ușor la A Z = 20 nm și scade semnificativ la A Z ≥ 30 nm. Modificarea absorbanței crește la lungimi de undă scurte. Acest rezultat poate fi atribuit faptului că un strat defect mai subțire la lungimi de undă scurte duce la o abatere relativă mai mare. Schimbarea grosimii stratului defect afectează absorbția celulelor GM-PV. Frecvența de rezonanță a microcavității variază în funcție de grosimea diferită a stratului defect. Astfel, nu mai este posibil să se obțină absorbția perfectă a luminii incidente pe cavitate prin rezonanță, adică absorbanța este redusă. Absorbanța se schimbă ușor atunci când amplitudinea variației grosimii stratului defect este de 1 nm. Absorbția luminii la lungimi de undă> 500 nm scade semnificativ atunci când amplitudinea schimbării grosimii este de 2 nm. Cu toate acestea, poate depăși în continuare 90%. Absorbția luminii la lungimile de undă 52, unghiul de incidență poate fi ajustat la aproximativ 0,1 °.

Aberația provoacă un punct de lumină atunci când obiectivul este afișat. Lungimea de undă se potrivește perfect cu grosimea stratului defect în jurul centrului spotului luminos, în timp ce lungimea de undă din alte poziții nu poate fi reglată corect, ducând la o scădere a absorbanței. Figura 3 (e, f) prezintă efectele aberației asupra absorbției celulelor GM-PV. Un diametru mai mare al obiectivului înseamnă un punct de lumină mai mare. În consecință, apare o nepotrivire și absorbția celulelor GM-PV este redusă. Efectul aberației asupra absorbției celulelor GM-PV depinde în principal de valoarea Q și de capacitatea de a cliva structura spectrului de scindare a luminii. O valoare Q mai mică înseamnă localizare mai slabă a luminii și FWHM mai mare. Ca urmare, efectul aberației în aceste condiții este slab. Pentru lentilele cu diametru variabil, schimbarea absorbanței la lungimi de undă mai mici de 500 nm diferă semnificativ de absorbanțele la lungimi de undă mai mari de 500 nm. Figura 3 (e, f) arată că un unghi vertical mai mare al prismei înseamnă o capacitate mai puternică de divizare a luminii și un gradient mai mic de schimbare. Aceasta înseamnă că efectul de aberație este minim.

discuţie

Sistem de divizare a spectrului

Capacitatea de a capta lumină și precizia tehnologiei

Teoretic, capacitatea de a captura lumina în i-LTS nu este limitată în combinație cu structura de fisiune a spectrului. Cu toate acestea, capacitatea practică de a captura lumina este limitată de acuratețea tehnicii. Capacitatea structurii de interferență de a captura lumina poate fi măsurată folosind o valoare Q. O valoare Q mai mare înseamnă o capacitate mai puternică de captare a luminii. Deși valoarea Q a microstructurilor optice fără absorbție poate ajunge până la 108, capacitatea de a captura lumina este limitată de tehnica de procesare. Pe baza definiției valorii Q Q = ω 0/Γ putem afirma că valori mai mari ale Q înseamnă FWHM mai mic. Între timp, FWHM-urile mai mici indică cerințe mai mari privind precizia procesării. De exemplu, presupunând că lungimea de undă rezonantă a microturității este λ c = 2 L c = 2 ncdc, lungimea de undă rezonantă se schimbă cu Δ λc = 2 nc Δdc dacă dc se schimbă în dc + Δdc datorită erorilor de procesare și absorbanța este redusă cu 50% dacă ΔC atinge jumătate FMHM. Astfel, după luarea în considerare a preciziei procesării, capacitatea de captare a luminii bazată pe microcavitate poate fi mărită de cel mult două până la trei ori rezultatele studiului. În plus, este dificil să se obțină o absorbție perfectă în grafen monostrat cu o microcavitate, deoarece absorbția luminoasă a grafenului monostrat este doar de aproximativ 2,3% 40, 41 .

Electrod transparent

Datorită localizării puternice a luminii în i-LTS, absorbția de lumină a electrodului transparent poate fi mărită. Prin urmare, coeficientul de stingere al electrodului transparent ar trebui să fie scăzut. Principala problemă cu un electrod transparent într-o celulă fotovoltaică tradițională este că este necesar să se mențină un grad mic de absorbție a luminii în toată regiunea spectrală a soarelui. Cu toate acestea, diferiți electrozi transparenți pot fi utilizați pentru bateriile auxiliare prin adoptarea unui design sub-baterie după utilizarea structurii de distribuție a spectrului. Acești electrozi transparenți sunt necesari doar pentru a arăta o absorbție minimă a luminii într-un anumit interval de frecvență, adică dificultatea proiectării unui electrod transparent poate fi redusă semnificativ.

materiale

Acest studiu a examinat capacitatea de a captura lumina celei mai subțiri celule fotovoltaice (adică celula fotovoltaică grafen-MoS 2), care se caracterizează printr-o combinație între o structură de dispersie a spectrului și i-LTS. Cerințele de mobilitate a materialului pot fi reduse la minimum deoarece grosimea stratului de mediu de lucru este de numai 1 nm. Acest fenomen susține aplicarea de materiale cu mobilitate redusă, cum ar fi materiale necristaline și materiale organice, în celulele fotovoltaice. Atunci când se ia în considerare efectul unui tunel cuantic, un mediu izolant cu o înălțime mică a barierei poate fi utilizat pentru a pregăti mediul de absorbție. În special, atunci când grosimea mediului de lucru este redusă la câțiva nanometri, structura benzii de energie și proprietățile optice pot fi ajustate prin modificarea parametrilor fizici și structurali, cum ar fi stresul. În plus, eficiența cuantică externă estimată poate fi mărită la peste 80% prin utilizarea celulelor una lângă alta, care constau din diferite materiale cu goluri în bandă (informații suplimentare S6). Acest pas poate sprijini foarte mult aplicarea ingineriei benzilor de energie în celulele fotovoltaice.

Fezabilitatea experimentelor

Structurile pot realiza o absorbție ridicată a luminii după luarea în considerare a preciziei tehnicii actuale. Utilizarea combinată a microcavităților și microstructurilor tradiționale semiconductoare, cum ar fi puțurile cuantice, este avansată. Utilizarea combinată a microcavităților și a materialelor 2D rămâne o provocare, dar o microcavitate a cristalului de grafen care conține grafen a fost realizată 40, 41, 42, 43. Problema principală în fabricarea acestui produs este integrarea i-LTS cu o structură de despicare a spectrului pentru a forma un strat mijlociu în formă de pană. Prineas și colab. a promovat creșterea a 210 straturi semiconductoare în formă de pană prin MBE pentru a reduce viteza luminii 54. Microcavitățile cu pană sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă în studiile experimentale ale interacțiunilor substanței ușoare, cum ar fi interacțiunile laser-plasmă, polaritonii în cavități și efectul Purcell 55, 56, 57 .

restricții

La fel ca celulele fotovoltaice tradiționale de partajare a spectrului, celula fotovoltaică propusă se aplică numai în lumina directă a soarelui. În lumina soarelui indirectă, eficiența conversiei este redusă semnificativ, iar rata de utilizare a razelor solare împrăștiate este scăzută. Ar trebui să se utilizeze un tracker solar și un sistem de feedback mecanic. În regiunile cu o perioadă scurtă de radiație solară directă, celula GM-PV trebuie utilizată împreună cu celulele fotovoltaice tradiționale.

În concluzie, absorbția perfectă a legăturii în bandă largă poate fi realizată într-o celulă GM-PV cu grosimea de 1 nm printr-o combinație între o structură de decupare a spectrului și un i-LTS. Absorbția luminii realizată depășește limita de bază pentru captarea luminii nanofotonice în celulele solare. Absorbția de lumină a celulei GM-PV produsă de tehnologia actuală poate depăși în continuare 90% indiferent de erorile de grosime a stratului, abaterea poziției celulei GM-PV în microcavitate, abaterea unghiului de incidență și aberația lentilei. Acest studiu oferă nu numai o modalitate diferită de a proiecta structuri de captare a luminii și de a aplica sisteme de partajare a spectrului, dar are și aplicații semnificative în dezvoltarea dispozitivelor optoelectronice, cum ar fi detectoarele fotoelectrice.

metode

Metoda modificată a matricei de transfer este utilizată pentru a modela absorbția unei celule GM-PV într-o microcavitate a unui cristal fotonic. Pentru lentilele convexe adevărate cu aberații, fiecare refracție a luminii printr-o prismă și o lentilă este rezolvată numeric folosind legea lui Snell.

Mai multe detalii

Cum se citează acest articol: Wu, Y.-B. și colab. Captură de lumină perfectă în bandă largă în cea mai subțire celulă fotovoltaică monostrat Graphene-MoS 2: o nouă aplicație a structurii de distribuție a spectrului. Știință. reprezentant. 6, 20955; doi: 10, 1038/srep20955 (2016).

Informatii suplimentare

Documente Word

Informatii suplimentare

Comentarii

Prin trimiterea unui comentariu, sunteți de acord să respectați Termenii și condițiile și Regulile comunității. Dacă găsiți ceva jignitor sau nu respectați termenii sau liniile directoare, marcați-l ca fiind nepotrivit.