Coupled Plasmonic-Waveguide Resonance Geometry for Enhanced Infrared Absorption in Semiconductor Solar Cells

Probleemstelling

Er bestaat een fundamenteel compromis in de ontwikkeling van silicium (Si) zonnecellen:

• Dunne lagen: Gewenst om de kosten te verlagen, het materiaalgebruik te minimaliseren en de elektron-gat recombinatie te verminderen (wat de efficiëntie ten goede komt).
• Dikke lagen: Noodzakelijk voor een sterke lichtabsorptie, vooral in het infrarode deel van het spectrum (energieën onder de bandkloof).

Silicium is een indirecte halfgeleider met een bandkloof van ongeveer 1,12 eV. De absorptie van Si daalt scherp bij golflengten langer dan ~1100 nm. Conventionele commerciële Si-zonnecellen hebben daarom een dikte van 130–180 µm om voldoende licht te absorberen. Bestaande oplossingen, zoals lichtverstrooiing of resonante structuren (bijv. Fabry-Pérot-caviteiten, plasmonische nanodeeltjes), hebben vaak beperkingen: ze werken vaak slechts in een smal spectrale bereik, vereisen complexe fabricageprocessen of zijn gevoelig voor de invalshoek en polarisatie. Er is behoefte aan een methode die brede spectrale en hoekafhankelijkheid biedt voor zowel TE- als TM-polarisatie, zonder de dikte van de actieve laag te hoeven vergroten.

Methodologie

De auteur stelt een nieuwe geometrie voor op basis van Gekoppelde Plasmon-Waveguide Resonantie (CPWR).

• Structuur: Een planaire gelaagde structuur bestaande uit:
  1. Een prisma met een hoge brekingsindex (in de simulaties eerst SF11-glas, later ook BK7).
  2. Een dunne zilverlaag (Ag) met een vaste dikte van 45 nm.
  3. Een golfgeleiderlaag van silicium (Si) met variabele dikte (van 50 nm tot 10 µm).
• Principe: Door licht onder een specifieke hoek (boven de kritische hoek) op het prisma te laten vallen, worden oppervlakteplasmonen (SP) in de metaallaag en geleide modes in de Si-laag gekoppeld. Dit creëert CPWR's die het licht efficiënt in de Si-laag opsluiten.
• Simulatie: De reflectie en veldverdeling werden gesimuleerd met de Shalabney-Abdulhalim-algoritme (gebaseerd op Abeles-matrices) in MATLAB, gebruikmakend van diëlektrische functies uit de Sopra-database.
• Optimalisatie (SMS-structuur): Om het probleem van verminderde absorptie bij korte golflengten (door reflectie aan de zilverinterface) op te lossen, wordt een aangepaste Semiconductor-Metal-Semiconductor (SMS) structuur voorgesteld. Hierbij wordt een extra Si-laag (1 µm) tussen het prisma en de Ag-laag geplaatst.

Belangrijkste Bijdragen

1. Brede Bandbreedte en Hoekonafhankelijkheid: De CPWR-geometrie genereert een groot aantal resonanties over een breed spectrum (ca. 600–2500 nm) en werkt effectief voor een breed scala aan invalshoeken (vanaf de kritische hoek tot 85°) voor zowel TE- als TM-polarisatie.
2. Dikke-laag vervanging: De methode maakt het mogelijk de benodigde dikte van de Si-laag te reduceren van 130–180 µm naar slechts enkele microns (bijv. 10 µm), terwijl de absorptie in het infrarode gebied behouden of zelfs verbeterd blijft.
3. Eenvoudige Fabricage: In tegenstelling tot complexe nanofabricage (zoals gepatroneerde gratings of 3D-structuren), kan deze structuur worden vervaardigd met standaard depositietechnieken voor vlakke films.
4. SMS-uitbreiding: De introductie van de SMS-geometrie lost het nadeel van lage absorptie bij korte golflengten op, waardoor bijna het volledige zonnespectrum (400–2500 nm) efficiënt wordt benut.

Resultaten

• Infrarode Absorptie: Zonder de Ag-laag daalt de absorptie van Si scherp na 1100 nm. Met de CPWR-configuratie (Ag + Si) worden talloze resonanties geïnduceerd die de absorptie in het infrarode gebied (tot 2500 nm) drastisch verhogen.
• Veldconfinement: Berekeningen van het elektromagnetische veld tonen aan dat het licht bij resonantiegolflengten sterk geconcentreerd is binnen de Si-laag en niet in de metalen laag. De verhouding van geabsorbeerde energie in Si ten opzichte van Ag ($R$) is bij resonanties hoog (bijv. 9,28 bij 1310 nm), wat bevestigt dat de verbeterde absorptie plaatsvindt in de halfgeleider.
• Hoekafhankelijkheid: De resonantie blijft stabiel voor invalshoeken tussen 35° en 85°, mits de hoek boven de kritische hoek ligt (ong. 34,5° voor SF11).
• Materiaal-onafhankelijkheid: De werking werd ook getest met goedkopere prisma's (BK7-glas) met succes, waarbij de kritische hoek verschuift naar ca. 41,5°.
• SMS-structuur: De toevoeging van de extra Si-laag (1 µm) tussen prisma en metaal herstelt de absorptie bij korte golflengten (<1100 nm) zonder de infrarode verbetering te verliezen.

Significantie en Toekomstperspectief

De voorgestelde CPWR- en SMS-geometrieën bieden een veelbelovende route om de efficiëntie van dunne-film zonnecellen te verhogen en de productiekosten te verlagen door het gebruik van minder siliciummateriaal.

• Toepasbaarheid: De methode is niet beperkt tot silicium en kan worden toegepast op andere halfgeleiders met lage infrarode-absorptie, zoals perovskieten.
• Implementatie: Voor grootschalige toepassing wordt voorgesteld om in plaats van een enkel prisma een microprisma-array te gebruiken of een grating-koppeling toe te passen om de CPWR-effecten op grote oppervlakken te realiseren.
• Impact: Deze technologie kan bijdragen aan de ontwikkeling van goedkopere, lichtere en efficiëntere zonne-energieoplossingen, evenals toepassingen in fotocatalyse en waterontzilting.