Perovskite-based solar cell in tamm plasmon-polariton structure

全文:

Фотонными кристаллами (ФК) [1] называют среды, в которых показатель преломления изменяется в пространстве с периодом, сопоставимым с длиной волны света. В результате в спектральном составе прошедших через кристалл световых волн образуются пробелы, которые называют запрещенными зонами (ЗЗ). Их появление означает, что в этом спектральном диапазоне свет не может войти в фотонный кристалл или выйти из него в заданном направлении. Фотонные кристаллы легли в основу нанофотонных устройств, таких как миниатюрные лазеры [2], фотодетекторы [3], сенсоры [4]. Кроме этого, фотонные кристаллы активно используются для увеличения эффективности солнечных элементов (СЭ). Это обеспечивается за счет того, что ФК выступает в качестве отражающей подложки. Благодаря высокому коэффициенту отражения в пределах ЗЗ практически 100% излучения, падающего на ФК, отражается и проходит через фоточувствительный слой (ФЧС) повторно, увеличивая эффективность СЭ. В этом случае открывается возможность использования более тонких металлических пленок в качестве контактов и, как следствие, уменьшения нежелательных потерь в СЭ.

Использование перовскитов в качестве ФЧС позволяет увеличить эффективность СЭ за счет их высокой поглощательной способности. Так, с 2009 г. эффективность СЭ на основе перовскитов возросла с 3.8% [5] до 25% [6], что делает СЭ на основе перовскитов более перспективными в использовании.

Дополнительное увеличение поглощения в ФЧС возможно за счет возбуждения таммовского плазмон-поляритона (ТПП) [7], локализованного на границе раздела ФЧС–ФК. Возбуждение ТПП в СЭ приводит к возникновению дополнительной полосы поглощения падающего на структуру излучения и, как следствие, увеличению эффективности СЭ [8]. Принципиально новой была идея использования допированного плазмонными наночастицами ФЧС в формировании ТПП [9]. Авторами было показано, что при конструировании таких солнечных элементов можно полностью отказаться от использования металлических контактов, что позволяет избежать нежелательных потерь в системе. Однако в литературе не исследованы структуры, в которых планарная металлическая пленка в СЭ на основе ФК была бы заменена на двумерную решетку нанополос. В связи с этим в данной работе исследовано влияние параметров двумерной решетки на энергетические характеристики СЭ на основе пленки перовскита в структуре с ТПП.

ОПИСАНИЕ ИССЛЕДУЕМОЙ СТРУКТУРЫ

Схематическое изображение исследуемого солнечного элемента представлено на рис. 1.

 

Рис. 1. Схематическое изображение солнечного элемента на основе пленки перовскита с фотоннокристаллической подложкой.

 

Слой перовскита CH₃NH₃PbI₃ (MAPbI₃) толщиной 200 нм размещен между слоями с электронной (SnO₂) и дырочной (Spiro-OMeTAD) проводимостью толщинами 20 нм. Ширина h_str и толщина d_str нанополосы в золотой решетке варьировалась при постоянном значении периода p = 300 нм. Элементарная ячейка ФК сформирована из диоксида кремния SiO₂ и диоксида титана TiO₂ с показателями преломления n_SiO2 = 1.45, n_TiO2 = 2.5 и толщинами d_SiO2 = 120 нм, d_TiO2 = 80 нм соответственно. Количество слоев ФК N = 10.

Зависимость действительной и мнимой части комплексного показателя преломления слоя перовскита изображена на рис. 2.

 

Рис. 2. Зависимости действительной и мнимой части комплексного показателя преломления перовскита MAPbI3 от длины волны (а); спектры отражения и пропускания исходного ФК (б).

 

Из рис. 2 видно, что в интервале длин волн от 600 до 800 нм мнимая часть комплексного показателя преломления принимает значения близкие к 0.1, в результате чего поглощение в этом спектральном диапазоне минимально. Эти данные были использованы для расчета спектров поглощения исследуемых структур и соответствующих им интегральных поглощений. Следует отметить, что под интегральным поглощением подразумевается поглощение в слое перовскита, нормированное на спектр солнечного излучения. Энергетические спектры структуры были рассчитаны методом конечных разностей во временной области (Finite-Difference Time-Domain – FDTD [10]). Расчетная область показана на рис. 1. Структура освещается сверху плоской волной с вектором E, направленным вдоль оси x. Коэффициент отражения R и пропускания T рассчитываются в верхней и нижней части расчетной области соответственно. Периодические граничные условия были применены к боковым границам, в то время как на верхней и нижней границах расчетной области было обеспечено идеальное поглощение (идеально поглощающий слой, Perfectly Matched Layer – PML). Поглощение A в ФЧС рассчитывалось с помощью дополнительного монитора. Спектры отражения и пропускания исходного фотонного кристалла представлены на рис. 2б. Запрещенная зона ФК находится в интервале длин волн от 600 до 850 нм.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА

Зависимости коэффициента отражения структуры от длины волны, ширины и толщины нанополосы изображены на рис. 3.

 

Рис. 3. Зависимости коэффициента отражения структуры от длины волны и ширины при толщинах нанополос: a – 15 нм, б – 20 нм, в – 25 нм, г – 30 нм, где b – десятичный логарифм от коэффициента отражения.

 

Уменьшение ширины и толщины нанополосы приводит к уменьшению коэффициента отражения внутри запрещенной зоны фотонного кристалла. Видно, что коэффициент отражения минимален при h_str = 90 нм и d_str = 10 нм (cм. рис. 3б). Это объясняется тем, что при данных параметрах нанополос обеспечивается выполнение условия критической связи [11] падающего поля с ТПП, локализованным на границе ФЧС–ФК. В точке критической связи 85% падающего на структуру излучения поглощается в ФЧС (см. рис. 4). Расчеты показали, что возбуждение ТПП приводит к увеличению интегрального поглощения на 33.7% в сравнении со структурой на основе алюминия.

 

Рис. 4. Зависимость коэффициента отражения структуры на основе ФК (1) и поглощения в ФЧС в структурах на основе ФК (2) и на основе алюминия (3) от длины волны падающего света.

 

Для расчета эффективности СЭ было использовано уравнение энергетического баланса [12]:

 (1)

здесь V – напряжение на элементе; J – поверхностная плотность тока; q – заряд электрона; F_s – излучательная генерация электронно-дырочных пар под действием падающего солнечного света; F_c(V) – излучательная рекомбинация электронно-дырочных пар.

Эффективность солнечного элемента может быть рассчитана по следующей формуле:

 (2)

где FF – коэффициент заполнения солнечного элемента, а P_inc – мощность падающего света. Коэффициент заполнения – это параметр, который в сочетании с V_oc и J_sc определяет максимальную мощность солнечного элемента. FF определяется как отношение максимальной мощности солнечного элемента к произведению V_oc и J_sc:

 (3)

Результаты расчетов представлены в табл. 1.

 

Таблица 1. Сравнение поверхностной плотности тока и эффективности для СЭ на основе Al и ФК

Структура	Jsc, А/м2	η, %
СЭ на основе Al	51.33	24.19
СЭ на основе ФК	69.98	33.06

 

Замена алюминиевой подложки на ФК приводит к увеличению поверхностной плотности тока на 36.3%, а эффективности на 36.6% в исследуемом интервале длин волн.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе исследованы зависимости интегрального поглощения пленки перовскита, расположенной на границе фотонного кристалла и решетки золотых нанополос. Показано, что в такой структуре возбуждается таммовский плазмон-поляритон, который приводит к формированию дополнительной полосы поглощения внутри запрещенной зоны фотонного кристалла. Показано, что возбуждение локализованного состояния приводит к увеличению эффективности устройства на 36.6% в сравнении с солнечным элементом на основе пленки алюминия.

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ

Работа выполнена в рамках научной тематики Госзадания Института физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

作者简介

D. Pykhtin

L.V. Kirensky Institute of Physics, FRS KSC SB RAS; Siberian Federal University

编辑信件的主要联系方式.
Email: dmitry_pykhtin@iph.krasn.ru
俄罗斯联邦, Krasnoyarsk; Krasnoyarsk

R. Bikbaev

L.V. Kirensky Institute of Physics, FRS KSC SB RAS; Siberian Federal University

Email: bikbaev@iph.krasn.ru
俄罗斯联邦, Krasnoyarsk; Krasnoyarsk

I. Timofeev

L.V. Kirensky Institute of Physics, FRS KSC SB RAS; Siberian Federal University

Email: tiv@iph.krasn.ru
俄罗斯联邦, Krasnoyarsk; Krasnoyarsk

S. Vetrov

L.V. Kirensky Institute of Physics, FRS KSC SB RAS; Siberian Federal University

Email: svetrov@sfu-kras.ru
俄罗斯联邦, Krasnoyarsk; Krasnoyarsk

V. Shabanov

L.V. Kirensky Institute of Physics, FRS KSC SB RAS

Email: shabanov@ksc.krasn.ru

Academician of the RAS

俄罗斯联邦, Krasnoyarsk

参考

补充文件