[論文レビュー] Four-terminal perovskite/silicon tandem solar cell with integrated Mie-resonant spectral splitter metagrating

Verena Neder, Dong Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2020

Perovskite Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、Mie共鳴を示すスペクトル分離器として機能する統合型誘電体メタグレーティングを備えた四端子型ペロブスカイト/シリコンタンドーム太陽電池を提案する。このメタグレーティングは、ペロブスカイト上部セルにおける光捕集を強化し、シリコン下部セルへの近赤外透過を向上させる。メタグレーティングは基板に密着するインプリントリソグラフィーにより製造され、鏡面反射を低減し、短絡電流を0.5 mA/cm²増加させる。これは絶対効率向上0.26%に相当する。シミュレーションでは最適化設計で最大0.4%の向上が予測されている。

ABSTRACT

A spectral splitting, light trapping dielectric metasurface is designed, fabricated and integrated into a four-terminal perovskite/silicon hybrid tandem solar cell to increase the absorption of light close to the bandgap of the perovskite top cell, and enhance transmission of the near-infrared spectral band towards the bottom cell. The metagrating is composed of a hexagonal array of unit cells of 150-nm-tall hydrogenated amorphous silicon trimer nanostructures with dielectric Mie resonances in the 600-800 nm perovskite near-gap region, made using substrate-conformal imprint lithography. By tailoring the metasurface resonant scattering modes and their interference with the direct reflection paths we minimize specular reflection and obtain high diffraction efficiency that leads to improved light trapping in the perovskite top cell. The measured short-circuit current increase in the perovskite top cell is 0.5 mA/cm2 corresponding to an estimated efficiency gain of 0.26% (absolute) for the metasurface-integrated 4T perovskite/silicon tandem cell. Simulations for a further optimized metasurface spectrum splitter geometry predict a short-circuit current gain in the perovskite top cell of 1.4 mA/cm2 and an efficiency gain for the 4T tandem cell of 0.4% (absolute). The metagrating approach for simultaneous spectral splitting, light trapping and reflectance reduction provides a flexible platform that can be applied to many tandem cell geometries.

研究の動機と目的

• スペクトル分離および光マネジメントのための誘電体メタサーフェスを統合することで、四端子型ペロブスカイト/シリコンタンドーム太陽電池の性能を向上させること。
• ペロブスカイトバンドギャップ付近での光吸収が限定的であることと、近赤外光がシリコン下部セルに最適でない透過を示す問題に対処すること。
• 六角形状のアモルファスシリコントリマーナノ構造のアレンジメントを用いて、調整されたMie共鳴を介し、鏡面反射を最小限に抑え、効率的な回折を最大化すること。
• メタサーフェス統合に適したスケーラブルでコンフォーマルなプロセスとして、基板に密着するインプリントリソグラフィーを用いた実証

提案手法

• ペロブスカイトバンドギャップ領域に一致する600–800 nmの波長範囲でMie共鳴を励起できる、高さ150 nmの水素ドーピングアモルファスシリコントリマーの六角形状アレイの設計。
• 誘電体Mie共鳴を用いて散乱モードを制御し、直接反射経路と干渉を起こさせることで、鏡面反射を最小限に抑える。
• 曲面またはテクスチャード表面にメタグレーティングを形成できる基板に密着するインプリントリソグラフィーを用いて、タンドームセル構造に統合可能である。
• メタサーフェスの幾何形状を最適化し、ペロブスカイト層における高い回折効率と光捕集効果を実現する。
• 電磁界シミュレーションを用いてスペクトル応答と電流生成をシミュレートし、理想条件下での性能向上を予測する。
• 実験的にメタグレーティングを四端子タンドームセルに統合し、短絡電流の増加を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mie共鳴を示す誘電体メタグレーティングは、ペロブスカイト上部セルにおける吸収を向上させるために、太陽スペクトルを効果的に分離できるか？
• RQ2 メタサーフェス統合タンドーム太陽電池において、鏡面反射を最小限に抑えつつ、回折効率を最大化する方法は何か？
• RQ3 メタグレーティングは四端子型ペロブスカイト/シリコンタンドームセルの短絡電流および全体的な効率をどの程度向上させるか？
• RQ4 基板に密着するインプリントリソグラフィーは、複雑なタンドームセル幾何形状に適したスケーラブルで高精細なメタサーフェスの製造を可能にするか？
• RQ5 メタサーフェススペクトル分離器の幾何形状をさらに最適化することで、どの程度の性能向上が予測されるか？

主な発見

• メタサーフェス統合型四端子型ペロブスカイト/シリコンタンドーム太陽電池は、ペロブスカイト上部セルで測定された短絡電流が0.5 mA/cm²増加した。
• この電流増加は、標準試験条件下でのタンドームセルの絶対効率向上0.26%に相当する。
• 最適化されたメタサーフェス幾何形状のシミュレーションでは、ペロブスカイト層での短絡電流増加が1.4 mA/cm²に達すると予測されている。
• 最適化された設計では、四端子タンドームセルの絶対効率向上が0.4%に達すると予測されている。
• メタグレーティングは、Mie共鳴散乱モードの制御された干渉により、鏡面反射を効果的に低減し、光捕集を強化している。
• このアプローチは、その柔軟性とコンフォーマルなプロセスにより、さまざまなタンドームセル構造と相性が良く、多機能光学制御を実現している。