矽納米線在太陽能電池結構中的集成應用

英文刊Materiomic

由印度魯爾克拉國際技術學院的Mihir Kumar Sahoo, Paresh Kale教授團隊發表了這篇關於矽納米線在太陽能電池結構中的集成應用的綜述：矽納米線(SiNWS)是種一維半導體。在光催化、鋰離子電池、氣體傳感器、醫學診斷、藥物傳遞和太陽能電池等領域有著廣闊的應用前景。從應用的角度，SiNWS是用自上而下或自下而上的方法來生產製造。SiNWS在光學和電子等應用領域至今十分的活躍。通過調整SiNWS的物理尺寸來控制較優的電子、光學和物理特性，從而提高了太陽能電池的效率。SiNWS具有在徑向或同軸p-n結太陽能電池中使用的特有能力，可以對正交光子吸收、抗反射和增強載流子收集等方面優秀推廣。這篇綜述列舉了矽納米線的性能控制，以及它在太陽能電池中的各種摻入類型，並揭示了提高其效率的原因。相關研究成果發表在Journal of Materiomics第5卷第1期，題目為Integration of silicon nanowires in solar cell structure for efficiency enhancement: A review.

Mihir Kumar Sahoo, Paresh Kale, Intergration of silicon nanowires in solar cell structure for efficiency enhancement: A review. Journal of Materiomics 2019; 5 (1): 34-48.

• 內容梗概

人類依靠自然能源來滿足日益增長的物質需求。從化石燃料到可持續和可再生能源資源的思想轉變發生在21世紀。本世紀太陽能電池，將太陽能轉化為電能發揮著重要作用。為了降低成本以和尺寸，同時提高功率轉換效率(PCE)，太陽能電池的大力發展是勢在必行的。單結構的太陽能電池PCE極限為1肖克利-奎瑟，為33.7%。然而，半導體材料（即納米結構材料）的內部工程發展，大大增強了太陽能電池的PCE。半導體納米線結構在增強PCE方面引起了廣泛的關注，特別是相對於光學厚度擴散長度較小的材料。較高的縱橫比（例如表面與體積比）和較小的NWS結構尺寸使它們在太陽能電池的應用廣泛開來。通過優化NWS太陽能電池的結構和尺寸，預期可以將性能向平面對應器和Shockley-Queisser的極限方向推動。第三代光伏的出現，特別是減少材料使用，降低成本，將使太陽能電池比現有的設備更便宜，更有效。

平面太陽能電池的主要問題，即高反射損耗可以通過使用基於NWS的太陽能電池來減輕，其中陽光進入NWS表面並向相鄰的NWS散射。基於NWS的太陽能電池具有較高的光電流和光電壓，使其優於平面太陽能電池。在太陽能電池中，半導體中可實現的最大載流子壽命取決於輻射複合係數。此外，最小可實現的複合電流取決於黑體複合電流。因此，載流的壽命和複合電流都取決於輻射量。當外部輻射複合速率等於太陽產生的速率時，可以實現最大開路電壓(Voc）。太陽能電池的特性取決於短路電流(Jsc)、開路電壓(Voc)和填充因子(FF)。納米結構太陽能電池的Jsc取決於光子吸收、載流子收集和分離。這些量的特點是內部量子效率(IQE)將吸收的光子轉化為電流，外部量子效率(EQE)表徵入射太陽光子轉化為電流的效率。在AM1.5G條件下的Shockley-Queisser極限效率下，VOC等於輻射極限，而Jsc和FF也應最優化。

Si納米線陣列在高效太陽能電池製造商的應用中較為推崇。基於SiNWS陣列的太陽能電池，具有潛在的成本效益，有效的太陽能收集效率，具有獨特的一維幾何排列。製備Si的一維結構，即SiNWS可以是多孔的，也可以是非多孔的，這取決於母體Si襯底的電阻率或摻雜(即高摻雜Si形成多孔SiNWS，輕摻雜Si給出非多孔SiNWS)。SiNWS的太陽能電池與其他太陽能電池具有相同的工作機制，三個重要步驟釋：光子吸收、電荷分離和電荷收集。典型的徑向結SiNWS基太陽能電池在軸向吸收光，在徑向分離和收集電荷，如圖1所示。 由於帶隙調諧特性，該電池利用了廣泛的太陽光譜。在SiNWS太陽能電池中，電荷可以通過控制納米材料中的形貌來分離，其中光激發載流子的熱化將電子和空穴驅動到不同的空間位置，而不是在典型的p-n結二極體中。 據報導，由於電荷分離和收集僅發生在p-n結的空間電荷區，SiNWS的直徑應小於空間電荷區的寬度。另一種電荷分離的方法是通過摻雜或與其他材料共混。 用鉑(Pt)納米粒子(NPs)包覆SiNWS的側壁，發生徑向電荷分離，PCE約8.14%。

通過改變NWS的形狀（即漏鬥或錐形），可以改善SiNWS基太陽能電池的光學吸光度以及PCE。漏鬥形由圓錐單元上的圓柱體組成，其中NWS吸收大量的共振波長，因為錐形部分沿軸向有一個半徑的變化，從而增加了共振波長。NWS形狀的變化比常規圓柱NWS具有更高的PCE。 研究模擬計算表明錐形NWS的模擬PCE為17.21%，高於Abdel-Latif報導的漏鬥狀NWS。同時研究了NWS形狀的表面粗糙度也影響了太陽能電池的PCE，即粗糙的表面具有更高的吸收能力，從而比光滑NWS具有更高的PCE。

本文綜述目前SiNWS研究的進展，在SiNWS太陽能電池中的應用於電子、物理和光學性質。此外，在太陽能電池中使用SiNWS陣列作為抗反射塗層，使SiNWS成為太陽能電池應用的另一種有前途的材料。由於SiNWS基太陽能電池的光損耗降低，整個器件性能也大大增強了。

Fig. 1. Schematics of SiNWs solar cell operating principles, *(d: diameter, l: length, EHP: an electron-hole pair, TCO: Transparent Conductive Oxide).

Fig. 2. Energy band gap calculated using (a) LDA method (b) GW method and plotted versus diameter for various orientation of SiNWs.

Fig. 3. EQE versus wavelength of samples with (a) different SiNWs length (increases with etching time), (b) thicker Bi-catalysed SiNWs, (c) different SiNWs density, and (d) different deposition temperature of SiNWs.

Fig. 4. Comparison of performance parameters of SiNWs based solar cell for change in SiNWs length.

Fig. 5. Classification of SiNWs based solar cell according to the type of junction, combination of inorganic and organic material.

Fig. 6. Schematic of Radial (left) and Axial (right) junction SiNWs solar cell.

Fig. 7. Images of (a) radial p-i-n structure, where the cross-section of a SiNW is described with proper dimension after ITO coating, and (b) axial p-n structure, where contrast in the SiNWs shows the change in doping profile of SiNWs based solar cell.

Fig. 8. Comparison of J-V characteristics obtained from various structured SiNWs based solar cell.

Fig. 9. Cross-section schematic of Heterojunction (left), and Homojunction (right) SiNWs solar cell.

Fig. 10. Cross-sectional SEM images of a-Si: H/SiNWs with the varied average length of SiNWs and different thickness of a-Si: H thin films for heterojunction structure.

Fig. 11. Fabrication process for SiNWs/PEDOT: PSS hybrid solar cell with a surface treatment.

Fig. 12. Cross-sectional SEM images of (a) SiNWs array, and (b) corresponding SiNWs array with PEDOT: PSS coating to form hybrid structure.

Fig. 13. Schematics of the energy level of the devices using as-synthesized SiNWs based solar cell.

Fig. 14. SiNWs fabrication and carbon shell deposition for the dye-sensitized solar cell.

Fig. 15. Schematic of reflection occurring at SiNWs, as an anti-reflection coating in a SiNWs based solar cell.

Fig. 16. Comparison of reflection spectra for various structure of SiNWs, (SA: slantingly-aligned; VA: vertically aligned).

• 亮 點

1. Types of silicon nanowires based solar cell structures and comparative performance analysis.
2. Survey of impact of physical properties of silicon nanowires on optical and electronic properties of solar cell.
3. Silicon nanowires for antireflection coating in solar cell.

• 作者介紹

Mihir Kumar Sahoo is completed his M.Tech. Degree in Industrial Electronics at the National Institute of Technology (NIT) Rourkela, India, in 2015. His current research interests include solar cell, Li-ion battery, sputtering process, silicon quantum dots, and silicon nanowires.

Paresh G. Kale received the PhD degree in Energy System Engineering from the Indian Institute of Technology (IIT) Bombay, Mumbai, India, in 2013. Currently he is working as an Assistant Professor at the National Institute of Technology (NIT) Rourkela, India. His research interests cover nanotechnology for energy conversion, porous silicon, and solar energy systems. He has two patents and several technical publications.

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