1.3. Pin mặt trời plasmonics
1.3.2. Cấu trúc nano kim loại trên bề mặt sau hoặc trước của lớp hoạt động
Cấu trúc nano có thể được sử dụng ở bề mặt phía trước của pin mặt trời, tạo ra một con đường hiệu quả để kết hợp ánh sáng tới vào lớp hấp thụ và do đó giảm phản
xạ. Ví dụ, S. Pillai và cộng sự đã khảo sát sự tăng cường hấp thụ của một màng Silic trên một lớp cách điện (Silicon on isulator) và thấy rằng có sự tăng cường hấp thụ lên tới 16 lần tại bước sóng 1050 nm khi lắng đọng các đảo nano Ag có kích thước từ 12 – 16 nm trên bề mặt lớp Si có chiều dày 1.25 µm [40] (Hình 1.11). Brendan Brady và cộng sự khi tích hợp các hạt nano Ag vào lớp đệm SiO2 của pin mặt trời vô cơ dựa trên vật liệu a-Ge:H đã làm tăng hiệu suất của Pin từ 1.44 lên 1.77 % (tăng 22.9 %) [41] (Hình 1.12).
Hình 1.11. Cấu trúc pin Silic với các đảo Ag trên bề mặt của lớp Si trên một lớp
cách điện (a) và trên một phiến Si phẳng (b) [40].
Các cấu trúc nano cũng có thể được sử dụng ở bề mặt sau của lớp hấp thụ làm vật phản xạ ánh sáng hiệu suất cao. Một cách tiếp cận đầy hứa hẹn là sử dụng một dãy phản xạ ngược có cấu trúc nano tuần hồn (tinh thể quang tử) để kết hợp ánh sáng tới thành các chế độ dẫn, lan truyền trong mặt phẳng hấp thụ [42]–[45]. Việc điều chỉnh cẩn thận hình dạng và tính tuần hồn của các cấu trúc nano mang lại một mức độ kiểm soát mới đối với sự phân cực và phân bố góc của ánh sáng tán xạ. Chiến lược này có khả năng cải thiện đáng kể chiều dài đường dẫn quang học trong lớp hấp thụ. Một loạt các hình dạng, kích thước và chu kỳ cấu trúc nano đã được nghiên cứu để tối ưu hóa khả năng bẫy ánh sáng trong pin mặt trời màng mỏng [46]–[48]. Ví dụ, phân tích các sóng liên kết có hệ thống (rigorous coupled wave analysis) đã được thực hiện để khảo sát ưu điểm của cách tử nanocone hai mặt có cấu trúc nano của pin mặt trời c-Si siêu mỏng. Như thể hiện trong Hình 1.12 [46] (a) biểu diễn giản đồ của lớp pin mặt trời cho thấy ba cơ chế bẫy ánh sáng trong các linh kiện, đó là (1) sóng đứng trong các hốc quang, (2) sự kích thích ống dẫn sóng theo phương ngang và (3) hiệu ứng tán xạ plasmonic. (b) Cấu hình mảng hạt nano trong các ngăn xếp lớp pin mặt trời và cấu trúc chung của các hạt nano plasmonic. Ảnh SEM từ trên xuống của
mảng NPs trước (c) và sau (d) sự lắng đọng của μc-Si: H pha tạp loại p. (e) Hình ảnh STEM mặt cắt của pin [41].
Hình 1.12. Mơ hình và thực nghiệm chế tạo PMT sử dụng hạt Ag để bẫy ánh sáng
[41].
Các hạt Ag với kích thước khoảng từ 100 – 200 nm được chế tạo bằng quá trình khử ướt trạng thái rắn (solid state dewetting process) ở phía sau của PMT a-Si đã được S. Morawiec và cộng sự thực hiện và làm tăng hiệu suất của pin 22,3 % [49] (Hình 1.13). Những tính tốn từ mơ phỏng sai phân hữu hạn trong miền thời gian (Finite Difference Time Domain – FDTD) cho thấy tỉ lệ sinh hạt tải của cấu trúc bảo giác (conformal structure) với các hạt nano Ag thiết kế phía sau của lớp hấp thụ thì lớn hơn nhiều so với cấu trúc phẳng và khơng có các hạt Ag phía sau (Hình 1.13). Kết quả là có thể làm tăng cường hiệu suất cho PMT a-Si:H từ 4,94 đến 7,25 % (tăng cường 46,7 %) [50]. Ngồi ra, một số cơng trình khác báo cáo về sự tăng cường hiệu suất khi PMT được tích hợp thêm cấu trúc plasmonics vào mặt trước hoặc mặt sau được liệt kê trong Bảng 1.1.
Hình 1.13. (bên trái) Lược đồ quy trình chế tạo và tích hợp các hạt nano Ag trong
pin mặt trời Si màng mỏng n-i-p [49]. (bên phải) Đường cong I-V cho pin mặt trời với (a) lớp a-Si: H - 200 nm/Ag - 5nm, (b) lớp a-Si: H - 360 nm/ Ag - 5 nm, (c) lớp
a-Si: H - 200 nm/ Ag - 20nm và (d) cấu trúc tối ưu với a-Si: H - 290 nm/ Ag - 10 nm [50].
Bảng 1.1. Sự tăng cường hiệu suất của một số pin mặt trời khi được tích hợp cấu
trúc plasmon ở mặt trước hoặc mặt sau của pin.
Vật liệu và phương pháp chế tạo
PMT được tích hợp
Vị trí
tích hợp Hiệu quả tăng cường TLTK
Lưới Al, Au, Ag, Cu,
thiết kế theo lí thuyết a- Si Mặt sau
Tỉ lệ bẫy ánh sáng đạt được là: 2,73 – 3,47 [51] Hạt nano Ag (200nm), Bốc bay Si Mặt trước
Hiệu suất lượng tử ngoài
tăng 14 % [52] Hỗn hợp hạt nano Au, Ag (40 -50 nm) PTB7:PC70B M Mặt trước
Hiệu suất chuyển đổi (PCE) tăng 20 % (HS tối
đa là 8,67 %)
[53]
Nano Ag, thiết kế lí
thuyết a-Si Mặt sau
Hiệu suất tăng cường 46,7
% (HS tối đa 7,25 %) [50] Nano Ag (50-100 nm),
Drop-coating Si
Mặt trước
Dòng quang hồi đáp tăng
Vật liệu và phương pháp chế tạo
PMT được tích hợp
Vị trí
tích hợp Hiệu quả tăng cường TLTK
Nano Al (50-150 nm),
In lưới c-Si
Mặt trước
Hiệu suất tăng cường 6,1
% (HS đạt được 19,36 %) [55] Nano Ag (lumpy)
a-Si Mặt sau HS tăng cường 11,57 %
(HS đạt được 10,6 %) [56]
Nano Au (100 nm),
Nhúng phủ a-Si
Mặt trước
Công suất tăng cường 8,3 % (Công suất đạt được 3
mW/cm2 [57] Nano Ag (10 nm), Bốc bay Si Mặt trước HS tăng cường 6,46 % (HS đạt được 9,06 %) [58] Lưới Ag kết hợp với lớp chống phản xạ, Thiết kế lí thuyết Si Mặt trước
Dòng quang điện tăng 30 –
50 % [59]
Nano Ag (RMS- roughness 16,5 nm),
Bốc bay
c-Si:H Mặt sau
Dòng quang điện tăng 7 % (dòng đạt được 22,2 mA/cm2 [60] Hạt Al (150 nm), thiết kế lí thuyết Si Mặt trước Hấp thụ tăng 28,7 % [61] Hạt Au (7 – 14 nm),
Bốc bay a-Si Trước HS tăng 33 % [62] Hạt Ag (200 – 310
nm), Thiết kế lí thuyết a-Si Sau
HS tăng 49 % (HS đạt
được 9,44 %) [63] Hạt Ag (13 nm), Điện
phân P3HT:PCBM Trước HS tăng 20,96 % (HS đạt
được 3,69 %) [64] Hạt Ag, Thiết kế lí
thuyết Si Sau
Dịng quang điện tăng
cường 92 % [65]
Hạt Ag a-Ge:H Trước HS tăng 22,9 % (HS đạt
được 1,77 %) [41]
Hạt Ag (110 nm), Bốc
bay GaAs Trước
Mật độ dòng tăng 8 % (dòng đạt được 11,9
mA/cm2)
Vật liệu và phương pháp chế tạo
PMT được tích hợp
Vị trí
tích hợp Hiệu quả tăng cường TLTK
Hạt Ag (100 – 200
nm), Phún xạ a-Si Sau
Dòng quang điện tăng 22,3 % (dòng đạt được 15,75
mA/cm2)
[49]
Hạt Ag, Al, Thiết kế lí
thuyết a-Si Trước Hấp thụ tăng cường 10 –
23,5 % [67] Hạt Ag (21 – 61,5 %),
Lí thuyết Si Trước HS tăng cường19,7- 35,2
% (HS đạt được 15,2 %) [68] Hạt Ag (150 – 250
nm) a-Si Sau
Dòng quang điện tăng 8,3
% [69]
Hạt Ag (12 – 16 nm),
Bốc bay Si Trước Tăng cường hấp thụ 16 lần
tại bước sóng 1050 nm [40] Hạt Au tích hợp vào lớp đệm P3HT:PCBN Trước HS tăng 18,77 % (HS đạt được 4,24 % [70] Hạt Ag, Bốc bay màng 14 nm Si Sau
HS lượng tử ngồi tăng 2,3
lần tại bước sóng 1100 nm [71] Hạt Ag, Thiết kế lí thuyết P3HT:PCBM Trước Mật độ dòng ngắn mạch tăng 67 % [72]
Lưới Ag, Thiết kế lí
thuyết Si Trước Mật độ dòng đạt được lớn nhất tăng gần 90 % (lớn nhất đạt được 59,3 % mA/cm2) [73] Hạt Ag (250 nm),
Thiết kế và chế tạo a-Si:H Sau
Mật độ dòng ngắn mạch
cải thiện 50 % [74]
Hạt Ag (100 nm), Bốc bay qua AAO mask
InGaN
quantum well Trước
Dòng ngắn mạch tăng 6 % (đạt được 0,237 mA với
emitter dày 200 nm)
[75]