• elemeket
  • absztrakt
  • bevezetés
  • az eredmény
  • vita
  • Spektrumosztó rendszer
  • A fény megragadásának képessége és a technológia pontossága
  • Átlátszó elektróda
  • anyagok
  • A kísérletek megvalósíthatósága
  • korlátozások
  • mód
  • További részletek
  • További információ
  • Word dokumentumok
  • További információ
  • Hozzászólások

elemeket

  • Nanfotonika és plazmonika
  • Napenergia és fotovoltaikus technológia

absztrakt

Elméletileg egy monorétegű grafén-molibdén-diszulfid fotovoltaikus cella (GM-PV) fényelnyelését vizsgálják spektrumfelosztó szerkezetű ék mikrocavitában. A hagyományos fotovoltaikus celláknál háromszor vékonyabb GM-PV elem akár 98% -os fényelnyelést mutat a hullámhosszak széles tartományában. Ez a sebesség meghaladja a nanofoton fény befogásának alapvető határát a napelemekben. Vizsgáljuk a hibaréteg vastagságának, a GM-PV-sejtek mikrocavitális helyzetének, a beesési szög és a lencse-aberráció hatását a GM-PV-sejtek fényelnyelésére. E hatás ellenére a GM-PV cella a jelenlegi technológia alkalmazásával legalább 90% -os fényelnyelésre képes. Tervezésünk különféle módszereket kínál a fénycsapdázó szerkezetek tervezéséhez és a spektrumelosztó rendszerek alkalmazásához.

tökéletes

A spektrumhasadás-struktúrát széles körben alkalmazzák a nagy hatásfokú fotovoltaikus cellákban 31, 32, 33, 34, 35. Ez a szerkezet csökkentheti a fotonenergia és a félvezetősáv-rés közötti eltérés okozta hőveszteséget azáltal, hogy a különböző hullámhosszúságú fényeket a különböző 31, 32, 33, 34, 35 sávú félvezetőkre fókuszálja. A hőveszteséget körülbelül 10% -ra csökkenthetjük, ha 8-10 félvezetőt használunk, a sávban különböző résekkel, amelyek a fotovoltaikus cellát képezik 32. Korábbi vizsgálataink során egy spektrumfelosztó szerkezetet és egy rezonáns fényvisszaverő struktúrát ötvöztünk, hogy elérjük a szélessávú tökéletes abszorpciót egy körülbelül 100 nm vastag félvezető filmben 36. A fény elhelyezkedése azonban gyenge a fény befogásának rezonáns visszaszórási struktúrájában. 1 nm vastag közegrétegben ezért nehéz elérni a tökéletes fényelnyelést. Az anyagmozgatási követelmények minimalizálhatók a közegréteg vastagságának csökkentésével

1 nm nagyságú félvezető film energiasávjának felépítése és optikai tulajdonságai

1 nm-t a szerkezeti és fizikai paraméterek, például a stressz beállításával lehet szabályozni. Ez a folyamat támogatja az energiasáv-tervezés alkalmazását a fotovoltaikus cellákban.

Számos friss tanulmány vizsgálta a megnövekedett fényelnyelődést a 2D-s anyagokban, például a grafénben, különféle optikai mikrostruktúrák 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49 felhasználásával. Jelen tanulmányban a fotonikus kristályok aszimmetrikus mikrotermelését kombináltuk egy ékhibás réteggel és egy spektrumfelosztó szerkezettel. Ennek a szerkezetnek a felhasználásával létrehoztak egy GM-PV cellát, amely háromszor vékonyabb, mint egy hagyományos fotovoltaikus cella, és amelynek kedvező fényelnyelése több mint 98% a hullámhosszak széles tartományában. Meghatároztuk a hibás rétegvastagság, a GM-PV-sejtek mikrokavitúrában való elhelyezkedésének, a beesési szög és a lencse aberráció hatását a GM-PV-sejtek fényelnyelési sebességére is, hogy összehasonlítsuk a számítás eredményeit és a tényleges eredményt. E hatás ellenére a GM-PV cellák fényelnyelése a jelenlegi technológiával meghaladhatja a 90% -ot. A tanulmány különféle módszereket kínál a fényrögzítő struktúrák tervezéséhez és a spektrummegosztó rendszerek alkalmazásához.

az eredmény

A fizikai mikrobiális mechanizmus megértése és a hagyományos i-LTS előnyeinek és hátrányainak bemutatása céljából bemutatjuk a közös mikrobák hatását a GM-PV sejtek felvételére. Az 1. a) ábra egy hagyományos mikrotérfogat szerkezetét mutatja. A cián, a kék és a piros réteg SiO 2, ZnS és GM-PV sejtréteg. A hibás réteg az nc dielektrikummal az üreg közepén van, a GM-PV sejt pedig a hibás réteg közepén. Elosztott Bragg-reflektorok (DBR), amelyekben két különböző dielektrikájú anyag (n1 és n2) váltakozva oszlik el, az üreg mindkét oldalán M1 és M2 periodicitással rendelkeznek. A számítás során n c = n 1 = 1, 55 (pl. Si02) és n2 = 2, 59 (pl. ZnS). A megfelelő rétegvastagságok d1 = X DBR/4 n1 és d2 = X DBR/4 n 2, ahol X DBR az átlagos hullámhossz. Minden réteg nem mágneses (μ = 1). Közvetlen összehasonlítás céljából kiszámolták az egyrétegű grafén, az MoS 2 és a GM-PV sejtek fényelnyelését. A grafén törésmutatója kifejezhető

, hol

( a ) A fotonikus kristályok közös mikrotisztaságának sémája. A cián, a kék és a piros réteg SiO 2, ZnS és GM-PV sejtréteg. ( b ) egyrétegű grafén, MoS 2 és GM-PV sejtek fényelnyelése. c ) GM-PV-sejt abszorbancia (A GM - PV) az elosztott Bragg-reflektorok periodicitásának függvényében a mikrotérek mindkét oldalán 470 nm-en és d ) 610 nm. e ) a GM-PV-sejt abszorbancájának ingadozása a mikrohullámban különböző hullámhosszakon (betét: fénymező eloszlás). f ) A GM-PV sejtek abszorpciójának kontúrdiagramja különböző hullámhosszakon és hibás rétegvastagságokon. A változó hullámhosszúságú GM-PV sejtek variációs variációja különböző beesési szögekben: ( g ) TE mód és ( h ) TM mód.

Teljes méretű kép

A mikrotérben lévő rezonáns állapot érzékeny a hibás réteg vastagságára és a beesési szögre. A számított eredményeket az 1. ábra mutatja (f - h). A mikrohullám rezonáns hullámhossza kielégíti m i λ c/2 = Lc cos θ ′, ahol Lc = nc dc a mikrotér optikai útját jelöli, nc és dc a törésmutató és a hibás réteg vastagsága; m i egész szám; és 9 '= arcsin 9 i/nc a fény terjedési szögét jelöli a hibás rétegben, ahol 9i a beesési szög. Így a rezonáns hullámhossz lineárisan növekszik a hibás réteg vastagságának növekedésével. Ezután a rezonáns hullámhossz a rövid hullám irányába mozog növekvő beesési szöggel. A tökéletes abszorpció főleg a fotonikus sávban (470 - 670 nm) oszlik el, mivel a fotonikus kristályok vastagsága mindkét oldalon változatlan marad. A rezonáns hullámhossz korrelál a hibás réteg terjedési szögével is. Minél nagyobb a hibás réteg törésmutatója, annál kisebb a terjedési szög. Ezért amikor az incidencia szöge megváltozik, minimális változások vannak a rezonáns csúcsban. A számítások során a rezonáns csúcs érzékeny a beesési szögre, amikor a hibás réteg törésmutatója 1, 55. A rezonáns abszorpciós csúcs kissé változik, ha a beesési szög 15 °. Ezzel szemben a rezonáns csúcs elmozdul az FWHM-ig terjedő távolsággal, amikor a beesési szög 30 °.

Rendszerdiagram ( a ) a spektrum megosztására és ( b ) ék fotonikus kristály; c ) a GM-PV cella abszorbanciája az ék mikrotérben (betét: a hibás réteg vastagságának változása változó helyzetkoordinátákkal); d ) a GM-PV sejtek abszorbanciája ékkel hasított mikrocavitúrában (beillesztve: köröm alakú mikrokavitáció a váll mentén).

Teljes méretű kép

A számítás eredményeinek a gyakorlati előállítással való összekapcsolása érdekében tovább vizsgáljuk a GM-PV sejt mikrocavitációban való elhelyezkedésének, a hibaréteg vastagságának, a beesési szögnek és a lencse aberrációjának a GM-PV sejt felvételére gyakorolt ​​hatását. A számítás eredményeit a 3. ábra mutatja. Egyéb hatásokat, például a fotonkristály gyártási tűréseinek hatását (S3 kiegészítő információ), a külső réteg korrekcióját (S4 kiegészítő információ) és a fotovoltaikus cellák helyzetének tűréseit (S5 kiegészítő információk) a a kiegészítő anyagok.

A GM-PV sejtek abszorbanciája a ) a GM-PV sejt különböző középponton kívüli helyzete a mikrocavitában; b ) a hibás réteg különböző vastagságai; c ) különböző szögek (megfelelnek a TE módnak); d ) különböző szögek (megfelelnek a TM módnak); e ) különböző lencseátmérők, ha a prizma csúcsszöge α A = 45 °; f ) különböző lencseátmérők, ha a prizma csúcsszöge α A = 30 °; Helyezze be ( e, f ) fókuszált fényfoltot mutat, különböző hullámhosszúsággal, D = 15 és D = 7 cm esetén.

Teljes méretű kép

A fény helye az üreg közepén a legerősebb. A GM-PV sejtek felvétele csökken, ha azok nincsenek központban. A középponton kívüli abszorbancia ennek ellenére kissé megváltozik, mivel a fénymező szinte egyenletesen oszlik el az üregben. A GM-PV sejt abszorbanciája szinte semmilyen változást nem mutat A Z = 10 nm-nél, kissé megváltozik A Z = 20 nm-nél, és szignifikánsan csökken AZ ≥ 30 nm-nél. Az abszorbancia változása rövid hullámhosszakon növekszik. Ez az eredmény annak tulajdonítható, hogy egy vékonyabb hibás réteg rövid hullámhosszakon nagyobb relatív eltéréshez vezet. A hibás réteg vastagságának változása befolyásolja a GM-PV sejtek felszívódását. A mikroház rezonáns frekvenciája a hibás réteg változó vastagságával változik. Így már nem lehet rezonanciával elérni az üregbe beeső fény tökéletes elnyelését, vagyis az abszorbancia csökken. Az abszorbancia kissé megváltozik, ha a hibás rétegvastagság variációs amplitúdója 1 nm. A fény abszorpciója 500 nm-nél nagyobb hullámhosszon jelentősen csökken, ha a vastagságváltozás amplitúdója 2 nm. Ugyanakkor még mindig meghaladhatja a 90% -ot. A fényelnyelés az 52 hullámhosszú hullámhosszakon, a beesési szög körülbelül 0,1 ° -ra állítható.

Az aberráció fénypontot okoz, amikor a lencse megjelenik. A hullámhossz tökéletesen egybeesik a fényfolt közepe körüli hibás réteg vastagságával, míg a többi helyzetben a hullámhossz nem állítható be helyesen, ami az abszorbancia csökkenéséhez vezet. A 3. (e, f) ábra mutatja az aberráció GM-PV sejtfelvételre gyakorolt ​​hatását. A nagyobb lencseátmérő nagyobb fényfoltot jelent. Ennek megfelelően eltérés következik be, és a GM-PV sejtek abszorpciója csökken. Az aberráció hatása a GM-PV sejtfelvételre elsősorban a Q értéktől és a fényhasítási spektrum szerkezetének hasításának képességétől függ. A kisebb Q érték gyengébb fény lokalizációt és nagyobb FWHM-et jelent. Ennek eredményeként az aberráció hatása ilyen körülmények között gyenge. Változó átmérőjű lencséknél az abszorbanciaváltozás 500 nm-nél kisebb hullámhosszon jelentősen különbözik az 500 nm-nél nagyobb hullámhosszúságú abszorbanciától. A 3. (e, f) ábra azt mutatja, hogy a prizma nagyobb függőleges szöge erősebb fényhasító képességet és kisebb változás gradienset jelent. Ez azt jelenti, hogy az aberrációs hatás minimális.

vita

Spektrumosztó rendszer

A fény megragadásának képessége és a technológia pontossága

Elméletileg a fény befogásának képessége az i-LTS-ben nem korlátozott a spektrumhasadás-struktúrával kombinálva. A fény befogásának gyakorlati képességét azonban korlátozza a technika pontossága. Az interferencia-szerkezet fény befogásának képessége Q-értékkel mérhető, a magasabb Q-érték erősebb fény-befogási képességet jelent. Noha az optikai mikrostruktúrák abszorpció nélküli Q-értéke elérheti a 108-at, a fény befogásának képességét a feldolgozási technika korlátozza. A Q érték meghatározása alapján Q = ω 0/Γ kijelenthetjük, hogy a magasabb Q értékek kisebb FWHM értéket jelentenek. Eközben a kisebb FWHM-ek magasabb igényeket támasztanak a feldolgozási pontossággal szemben. Például feltételezve, hogy a mikroturancia rezonáns hullámhossza λ c = 2 L c = 2 ncdc, a rezonáns hullámhossz Δ λc = 2 nc Δdc-vel változik, ha dc a feldolgozási hibák miatt dc + Δdc-re változik, és az abszorbancia 50%, ha a ΔC eléri az FMHM felét. Így a feldolgozás pontosságának figyelembevétele után a mikrokavarton alapuló fénymegfogó képesség a vizsgálat eredményeinek legfeljebb 2-3-szorosával növelhető. Ezenkívül nehéz elérni a tökéletes abszorpciót egyrétegű grafénben mikrotérfogattal, mivel az egyrétegű grafén fényabszorpciója csak körülbelül 2,3% 40, 41 .

Átlátszó elektróda

Az i-LTS fényének erős lokalizációja miatt az átlátszó elektróda fényelnyelése növelhető. Az átlátszó elektróda extinkciós együtthatójának ezért alacsonynak kell lennie. A hagyományos fotovoltaikus cellák átlátszó elektródáinak fő problémája az, hogy a napfény spektrális tartományában kis mértékű fényelnyelés szükséges. Különböző átlátszó elektródák azonban felhasználhatók a kiegészítő akkumulátorokhoz azáltal, hogy a spektrumelosztási struktúra használata után egy részelemet terveznek. Ezekre az átlátszó elektródákra csak azért van szükség, hogy minimális fényelnyeléssel rendelkezzenek egy meghatározott frekvenciatartományban, vagyis jelentősen csökkenthető az átlátszó elektróda tervezésének nehézsége.

anyagok

Ez a tanulmány megvizsgálta a legvékonyabb fotovoltaikus cella (azaz a grafén-MoS 2 fotovoltaikus cella) fényének megfogási képességét, amelyet egy spektrum-szóró szerkezet és az i-LTS kombinációja jellemez. Az anyag mobilitási követelményei minimalizálhatók, mivel a munkaközeg réteg vastagsága csak 1 nm. Ez a jelenség támogatja a kis mozgékonyságú anyagok, például a nem kristályos anyagok és a szerves anyagok alkalmazását a fotovoltaikus cellákban. A kvantumalagút hatásának mérlegelésekor az alacsony elzáró magasságú szigetelő közeg használható az abszorpciós közeg előkészítésére. Különösen, ha a munkaközeg vastagsága néhány nanométerre csökken, az energia sáv szerkezete és az optikai tulajdonságok a fizikai és szerkezeti paraméterek, például a stressz megváltoztatásával állíthatók be. Ezenkívül a becsült külső kvantumhatékonyság több mint 80% -ra növelhető, ha egymás melletti cellákat használnak, amelyek különböző anyagokból állnak, sávban vannak rések (S6 kiegészítő információ). Ez a lépés nagymértékben támogatja az energiasáv-tervezés alkalmazását a fotovoltaikus cellákban.

A kísérletek megvalósíthatósága

A szerkezetek az aktuális technika pontosságának mérlegelése után nagy fényelnyelésre képesek. A mikrotérek és a hagyományos félvezető mikrostruktúrák, például a kvantumkutak együttes használata előrehaladott. A mikrotérek és a 2D-anyagok együttes alkalmazása továbbra is kihívást jelent, de grafént tartalmazó grafén kristályos mikrokavart készítettek 40, 41, 42, 43. A termék gyártásának elsődleges problémája az i-LTS integrálása spektrumhasító szerkezettel, hogy ék alakú középső réteget képezzen. Prineas és mtsai. az MBE-n keresztül elősegítette 210 ék alakú félvezető réteg növekedését az 54 fénysebességének csökkentése érdekében. Az ék mikrotéreket széles körben alkalmazzák a könnyű anyag kölcsönhatások kísérleti tanulmányaiban is, mint például a lézer-plazma kölcsönhatások, az üregekben lévő polaritonok és a Purcell-effektus 55, 56, 57 .

korlátozások

A hagyományos spektrummegosztó fotovoltaikus cellákhoz hasonlóan a javasolt fotovoltaikus cellák is csak közvetlen napfényben alkalmazhatók. Közvetett napfényben az átalakítás hatékonysága jelentősen csökken, és a szétszórt napfény kihasználtsága alacsony. Szolárkövetőt és mechanikus visszacsatolási rendszert kell használni. Rövid közvetlen napsugárzású régiókban a GM-PV cellát a hagyományos fotovoltaikus cellákkal együtt kell használni.

Összefoglalva, a széles sávú kapcsolat tökéletes abszorpciója elérhető egy 1 nm vastag GM-PV cellában egy spektrumhasító szerkezet és egy i-LTS kombinációjával. Az elért fényelnyelés meghaladja a nanofotonikus fény befogásának alapvető határát a napelemekben. A jelenlegi technológiával előállított GM-PV cellák fényelnyelése még mindig meghaladhatja a 90% -ot, függetlenül a rétegvastagsági hibáktól, a GM-PV-cellák mikrocavitúrában való eltérésétől, a beesési szög eltérésétől és a a lencse aberrációja. Ez a tanulmány nemcsak a fényrögzítő struktúrák tervezésének és a spektrummegosztó rendszerek alkalmazásának más módját kínálja, hanem jelentős alkalmazási lehetőségekkel is rendelkezik az optoelektronikai eszközök, például a fotoelektromos detektorok fejlesztése terén.

mód

A módosított transzfer mátrix módszerrel modellezhető egy GM-PV sejt abszorpciója egy fotonikus kristály mikroüregében. Aberrációval rendelkező, valódi domború lencséknél a fény minden egyes fénytörését egy prizmával és egy lencsével Snell törvénye alapján numerikusan oldják meg.

További részletek

Hogyan lehet idézni ezt a cikket: Wu, Y.-B. et al. Szélessávú tökéletes fényrögzítés a legvékonyabb egyrétegű fotovoltaikus cellában Graphene-MoS 2: a spektrumeloszlási szerkezet új alkalmazása. Sci. ismétlés. 6., 20955; doi: 10, 1038/srep20955 (2016).

További információ

Word dokumentumok

További információ

Hozzászólások

Megjegyzés benyújtásával elfogadja az Általános Szerződési Feltételeinket és a közösségi irányelveket. Ha bármi sértőnek vagy összeegyeztethetetlennek tűnik a feltételeinkkel vagy irányelveinkkel, jelölje meg nem megfelelőként.