• елементи
  • абстрактно
  • Въведение
  • резултатът
  • дискусия
  • Система за разделяне на спектъра
  • Способността да улавя светлина и точността на технологията
  • Прозрачен електрод
  • материали
  • Възможност за експерименти
  • ограничения
  • методи
  • Повече информация
  • Допълнителна информация
  • Word документи
  • Допълнителна информация
  • Коментари

елементи

  • Нанофотоника и плазмоника
  • Слънчева енергия и фотоволтаични технологии

абстрактно

Теоретично е изследвано поглъщането на светлина от еднослойна графен-молибденова дисулфидна фотоволтаична клетка (GM-PV) в клиновидна микрокухина със структура за разделяне на спектъра. GM-PV клетката, която е три пъти по-тънка от традиционните фотоволтаични клетки, показва до 98% поглъщане на светлина в широк диапазон от дължини на вълните. Тази скорост надвишава основната граница на улавяне на нанофотонната светлина в слънчевите клетки. Изследват се ефектите от дебелината на дефектния слой, положението на GM-PV клетките в микрокухината, ъгъла на падане и аберацията на лещата върху поглъщането на светлина на GM-PV клетките. Въпреки този ефект, GM-PV клетката може да постигне поне 90% поглъщане на светлина, използвайки съвременната технология. Нашият дизайн осигурява различни методи за проектиране на структури за улавяне на светлина и за прилагане на системи за разпределение на спектъра.

широколентово

Структурата на делене на спектъра се прилага широко във високоефективни фотоволтаични клетки 31, 32, 33, 34, 35. Тази структура може да намали топлинните загуби, причинени от несъответствието между енергията на фотоните и междинната междина на полупроводника, като фокусира светлината с различни дължини на вълните върху полупроводници с различни лентови междини 31, 32, 33, 34, 35. Загубите на топлина могат да бъдат намалени до около 10%, като се използват 8-10 полупроводници с различни пролуки в лентата, които образуват фотоволтаичната клетка 32. В предишните си проучвания сме комбинирали структура за разделяне на спектъра и резонансна светлоотразителна структура, за да постигнем широколентова перфектна абсорбция в полупроводников филм с дебелина приблизително 100 nm 36. Местоположението на светлината обаче е слабо в резонансната структура на обратното разсейване на улавянето на светлината. Поради това е трудно да се постигне перфектно поглъщане на светлина в дебел 1 нм слой среда. Изискванията за подвижност на материала могат да бъдат сведени до минимум чрез намаляване на дебелината на медийния слой до

1 nm и енергийна лентова структура и оптични свойства на полупроводников филм с размер

1 nm може да се регулира чрез коригиране на структурни и физични параметри като напрежение. Този процес подкрепя използването на инженерна енергийна лента във фотоволтаични клетки.

Няколко скорошни проучвания изследват повишеното поглъщане на светлина в 2D материали, като графен, като се използват различни оптични микроструктури 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49. В настоящото изследване комбинирахме асиметрично микропродуциране на фотонни кристали с деформиран клинови слой и структура за разделяне на спектъра. Използвайки тази структура, е създадена GM-PV клетка, която е три пъти по-тънка от традиционната фотоволтаична клетка и която има благоприятно поглъщане на светлина от повече от 98% в широк диапазон от дължини на вълната. Също така определихме ефектите от дебелината на дефектния слой, положението на GM-PV клетките в микрокухината, ъгъла на падане и аберацията на лещата върху скоростта на поглъщане на светлина на GM-PV клетките, за да сравним резултатите от изчислението и действителния резултат. Въпреки този ефект, поглъщането на светлина от GM-PV клетки с настоящата технология може да надхвърли 90%. Изследването предоставя различни методи за проектиране на улавящи светлина структури и за прилагане на системи за споделяне на спектъра.

резултатът

Представен е ефектът от общия микробит върху усвояването на GM-PV клетки, за да се разбере физическият механизъм и да се покажат предимствата и недостатъците на традиционния i-LTS. Фигура 1 (а) показва структурата на конвенционална микрокухина. Цианният слой, синият слой и червеният слой са SiO 2 слой, ZnS слой и GM-PV клетъчен слой. Дефектният слой с nc диелектрик е в средата на кухината, а GM-PV клетката е в средата на дефектния слой. Разпределените рефлектори на Bragg (DBR), при които два материала с различни диелектрици (n1 и n2) са разпределени последователно, са от двете страни на кухината с периодичност M1 и M2. При изчислението се използват n c = n 1 = 1, 55 (напр. Si02) и n2 = 2, 59 (напр. ZnS). Съответните дебелини на слоя са d1 = X DBR/4 n1 и d2 = X DBR/4 n 2, където X DBR е средната дължина на вълната. Всички слоеве са немагнитни (μ = 1). За директно сравнение бяха изчислени поглъщанията на светлина от монослоен графен, MoS 2 и GM-PV клетки. Индексът на пречупване на графен може да бъде изразен като

, където

( а ) Схема на обща микрочестота на фотонните кристали. Цианният слой, синият слой и червеният слой са SiO 2 слой, ZnS слой и GM-PV клетъчен слой. ( б ) поглъщане на светлина от монослоен графен, MoS 2 и GM-PV клетки. ° С ) GM-PV клетъчна абсорбция (A GM - PV) като функция от периодичността на разпределените Bragg отражатели от двете страни на микрокухините при 470 nm и д ) 610 nm. д ) колебания на абсорбцията на GM-PV клетки в микрокухината при различни дължини на вълните (вмъкнете: разпределение на светлинното поле). е ) Контурен график на GM-PV клетъчна абсорбция при различни дължини на вълната и дебелина на дефектния слой. Вариация на абсорбцията на GM-PV клетка с различна дължина на вълната при различни ъгли на падане: ( ж ) TE режим и ( з ) TM режим.

Изображение в пълен размер

Резонансното състояние в микрокухината е чувствително към дебелината на дефектния слой и към ъгъла на падане. Изчислените резултати са показани на Фигура 1 (f - h). Резонансната дължина на вълната на микрокухината удовлетворява m i λ c/2 = Lc cos θ ′, където Lc = nc dc обозначава оптичния път на микрокухината, nc и dc са показателят на пречупване и дебелината на дефектния слой; m i е цяло число; и 9 '= arcsin 9 i/nc означава ъгъла на разпространение на светлината в дефектния слой, където 9i е ъгълът на падане. По този начин резонансната дължина на вълната се увеличава линейно с увеличаване на дебелината на дефектния слой. Тогава резонансната дължина на вълната се движи по посока на късата вълна с нарастващ ъгъл на падане. Перфектното поглъщане се разпределя главно в фотонната междина (470 - 670 nm), тъй като дебелината на фотонните кристали от двете страни остава непроменена. Резонансната дължина на вълната също корелира с ъгъла на разпространение в дефектния слой. Колкото по-висок е коефициентът на пречупване на дефектния слой, толкова по-малък е ъгълът на разпространение. Следователно, когато ъгълът на падане се промени, има минимални промени в резонансния пик. При изчисленията резонансният пик е чувствителен към ъгъла на падане, когато коефициентът на пречупване на дефектния слой е 1, 55. Резонансният пик на абсорбция се променя леко, когато ъгълът на падане е 15 °. За разлика от това резонансният пик се измества с разстояние до FWHM, когато ъгълът на падане е 30 °.

Диаграма на системата ( а ) за споделяне на спектъра и ( б ) клин фотонен кристал; ° С ) абсорбция на GM-PV клетката в клиновидната микрокухина (вмъкнете: промяна в дебелината на дефектния слой с променливи координати на позицията); д ) абсорбция на GM-PV клетка в клиновидна микрокухина (вмъкната: микрокухина с форма на нокти по протежение на рамото).

Изображение в пълен размер

За да се комбинират резултатите от изчислението с практическо производство, допълнително се изследват ефектите от поставянето на GM-PV клетки в микрокухината, дебелината на дефектния слой, ъгъла на падане и аберацията на лещата върху усвояването на GM-PV клетки. Резултатите от изчислението са показани на Фигура 3. Други ефекти, като ефекта на производствените допуски на фотонен кристал (допълнителна информация S3), корекция на външния слой (допълнителна информация S4) и допустимите отклонения на позицията на фотоволтаичните клетки (допълнителна информация S5) са дадени в допълнителните материали.

Абсорбция на GM-PV клетки в а ) различни позиции извън центъра на GM-PV клетката в микрокухината; б ) различна дебелина на дефектния слой; ° С ) различни ъгли (съответстващи на TE режим); д ) различни ъгли (съответстващи на режим ТМ); д ) различни диаметри на лещата, ако ъгълът на върха на призмата α A = 45 °; е ) различни диаметри на лещата, ако ъгълът на върха на призмата α A = 30 °; Поставете в ( д, е ) показва фокусирано светлинно петно ​​с различни дължини на вълната за D = 15 и D = 7 cm.

Изображение в пълен размер

Местоположението на светлината е най-силно в средата на кухината. Поглъщането на GM-PV клетки намалява, когато е извън центъра. Въпреки това абсорбцията извън центъра е леко засегната, тъй като светлинното поле е почти равномерно разпределено в кухината. Абсорбцията на GM-PV клетката не показва почти никаква промяна при A Z = 10 nm, леко се променя при A Z = 20 nm и намалява значително при A Z ≥ 30 nm. Промяната в абсорбцията се увеличава при къси дължини на вълната. Този резултат може да се отдаде на факта, че по-тънкият дефектен слой при къси дължини на вълната води до по-голямо относително отклонение. Промяната в дебелината на дефектния слой влияе върху абсорбцията на GM-PV клетки. Резонансната честота на микрокухината варира с различна дебелина на дефектния слой. По този начин вече не е възможно да се постигне перфектно поглъщане на светлината, падаща върху кухината чрез резонанс, т.е. абсорбцията е намалена. Абсорбцията се променя леко, когато амплитудата на вариация на дебелината на дефектния слой е 1 nm. Поглъщането на светлина при дължини на вълните> 500 nm намалява значително, когато амплитудата на промяната на дебелината е 2 nm. Въпреки това, той все още може да надвишава 90%. Поглъщане на светлина при дължини на вълните 52, ъгълът на падане може да се регулира на приблизително 0,1 °.

Аберацията причинява светлинна точка, когато обективът се показва. Дължината на вълната съвпада идеално с дебелината на дефектния слой около центъра на светлинното петно, докато дължината на вълната в други позиции не може да се регулира правилно, което води до намаляване на абсорбцията. Фигура 3 (e, f) показва ефектите на аберацията върху усвояването на GM-PV клетки. По-големият диаметър на лещата означава по-голямо светлинно петно. Съответно възниква несъответствие и абсорбцията на GM-PV клетки намалява. Ефектът на аберацията върху поглъщането на GM-PV клетки зависи главно от стойността на Q и способността да се разцепва структурата на спектъра на светлинно разцепване. По-малка Q стойност означава по-слаба локализация на светлината и по-голяма FWHM. В резултат на това ефектът на аберация при тези условия е слаб. При лещите с променлив диаметър промяната в абсорбцията при дължини на вълните по-малки от 500 nm се различава значително от абсорбциите при дължини на вълните по-големи от 500 nm. Фигура 3 (e, f) показва, че по-големият вертикален ъгъл на призмата означава по-силна способност за разцепване на светлината и по-малък градиент на промяна. Това означава, че ефектът на отклонение е минимален.

дискусия

Система за разделяне на спектъра

Способността да улавя светлина и точността на технологията

Теоретично способността за улавяне на светлина в i-LTS не е ограничена в комбинация със структурата за разделяне на спектъра. Практическата способност за улавяне на светлината обаче е ограничена от точността на техниката. Способността на интерференционната структура да улавя светлина може да бъде измерена чрез стойност Q.По-високата стойност Q означава по-силна способност за улавяне на светлината. Въпреки че Q стойността на оптичните микроструктури без абсорбция може да достигне до 108, способността за улавяне на светлина е ограничена от техниката на обработка. Въз основа на дефиницията на Q-стойност Q = ω 0/Γ можем да заявим, че по-високите стойности на Q означават по-малка FWHM. Междувременно по-малките FWHM показват по-високи изисквания за точност на обработката. Например, ако приемем, че резонансната дължина на вълната на микроточността е λ c = 2 L c = 2 ncdc, резонансната дължина на вълната се променя с Δ λc = 2 nc Δdc, ако dc се промени на dc + Δdc поради грешки в обработката и абсорбцията се намали с 50%, ако ΔC достигне половината FMHM. По този начин, след като се прецени точността на обработката, капацитетът за улавяне на светлината въз основа на микрокухината може да бъде увеличен с не повече от два до три пъти резултатите от изследването. Освен това е трудно да се получи перфектна абсорбция в монослоен графен с микрокухина, тъй като абсорбцията на светлина от еднослойния графен е само около 2,3% 40, 41 .

Прозрачен електрод

Поради силната локализация на светлината в i-LTS, поглъщането на светлина от прозрачния електрод може да бъде увеличено. Следователно коефициентът на екстинкция на прозрачния електрод трябва да бъде нисък. Основният проблем с прозрачния електрод в традиционна фотоволтаична клетка е, че е необходимо да се поддържа малка степен на поглъщане на светлина в целия спектър на слънчевата светлина. Въпреки това, различни прозрачни електроди могат да се използват за спомагателни батерии чрез възприемане на дизайн на подбатерията след използване на структурата на разпределение на спектъра. Тези прозрачни електроди са необходими само за минимално поглъщане на светлина в определен честотен диапазон, т.е. трудността при проектирането на прозрачен електрод може да бъде значително намалена.

материали

Това изследване изследва способността да улавя светлината на най-тънката фотоволтаична клетка (т.е. фотоволтаичната клетка graphene-MoS 2), която се характеризира с комбинация от структура на разсейване на спектъра и i-LTS. Изискванията за подвижност на материала могат да бъдат сведени до минимум, тъй като дебелината на работния среден слой е само 1 nm. Това явление подкрепя прилагането на материали с ниска подвижност, като некристални материали и органични материали, във фотоволтаични клетки. Когато се разглежда ефектът от квантовия тунел, за подготовка на абсорбиращата среда може да се използва изолационна среда с ниска височина на бариера. По-специално, когато дебелината на работната среда се намали до няколко нанометра, структурата на енергийната лента и оптичните свойства могат да се регулират чрез промяна на физическите и структурни параметри като напрежение. В допълнение, очакваната външна квантова ефективност може да бъде увеличена до над 80% чрез използване на клетки една до друга, които се състоят от различни материали с пролуки в лентата (допълнителна информация S6). Тази стъпка може значително да подпомогне прилагането на инженерна енергийна лента във фотоволтаични клетки.

Възможност за експерименти

Структурите могат да постигнат високо поглъщане на светлина, след като вземат предвид точността на настоящата техника. Напреднало е комбинираното използване на микрокухини и традиционни полупроводникови микроструктури, като квантови ямки. Комбинираното използване на микрокухини и 2D материали остава предизвикателство, но е направена микрокухина с графенов кристал, съдържаща графен 40, 41, 42, 43. Основен проблем при производството на този продукт е интегрирането на i-LTS със структура за разцепване на спектъра, за да се образува клиновиден среден слой. Prineas et al. насърчи растежа на 210 клиновидни полупроводникови слоя чрез MBE, за да намали скоростта на светлината 54. Клинните кухини също се използват широко в експериментални изследвания на взаимодействията на леките вещества, като лазерно-плазмени взаимодействия, поляритони в кухините и ефектът на Пърсел 55, 56, 57 .

ограничения

Подобно на традиционните фотоволтаични клетки, които разпределят спектъра, предложената фотоволтаична клетка е приложима само при пряка слънчева светлина. При непряка слънчева светлина ефективността на преобразуване е значително намалена и степента на използване на разсеяната слънчева светлина е ниска. Трябва да се използват слънчев тракер и механична система за обратна връзка. В региони с кратък период на пряко слънчево лъчение, GM-PV клетката трябва да се използва заедно с традиционните фотоволтаични клетки.

В заключение, перфектната абсорбция на широколентовата връзка може да бъде постигната в 1 nm дебела GM-PV клетка чрез комбинация от структура на разцепване на спектъра и i-LTS. Постигнатото поглъщане на светлина надвишава основната граница на улавяне на нанофотонната светлина в слънчевите клетки. Поглъщането на светлина от GM-PV клетката, произведена по настоящата технология, все още може да надвишава 90%, независимо от грешките в дебелината на слоя, отклонението на положението на GM-PV клетката в микрокухината, отклонението на ъгъла на падане и аберация на лещата. Това проучване не само предоставя различен начин за проектиране на улавящи светлина структури и прилагане на системи за споделяне на спектъра, но също така има значителни приложения при разработването на оптоелектронни устройства като фотоелектрични детектори.

методи

Методът на модифицираната трансферна матрица се използва за моделиране на абсорбцията на GM-PV клетка в микро кухина на фотонен кристал. За истински изпъкнали лещи с аберации всяко пречупване на светлината от призма и леща се решава числено, използвайки закона на Снел.

Повече информация

Как да цитирам тази статия: Wu, Y.-B. и др. Широколентово перфектно улавяне на светлината в най-тънката еднослойна фотоволтаична клетка Graphene-MoS 2: ново приложение на структурата за разпределение на спектъра. Sci. Представител. 6, 20955; doi: 10, 1038/srep20955 (2016).

Допълнителна информация

Word документи

Допълнителна информация

Коментари

Изпращайки коментар, вие се съгласявате да спазвате нашите Общи условия и насоки на общността. Ако откриете нещо обидно или несъвместимо с нашите условия или насоки, означете го като неподходящо.