[論文レビュー] Photonic Design: From Fundamental Solar Cell Physics to Computational Inverse Design

Owen D. Miller|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2013

Photonic Crystals and Applications参考文献 95被引用数 75

ひとこと要約

本論文は、形状計算とレベルセット法を用いて、太陽電池における光子ナノ構造の計算的逆設計フレームワークを導入し、波長未満の表面テクスチャを最適化して最大の光吸収と電圧増幅を実現する。主な結果として、平面構造の理論的限界を超えて平均40倍の吸収効率向上を達成し、超薄型（150 nm）のGaAs太陽電池がほぼ100％の吸収と高い効率を達成可能となり、材料費を大幅に削減できる。

ABSTRACT

Photonic innovation is becoming ever more important in the modern world. Optical systems are dominating shorter and shorter communications distances, LED's are rapidly emerging for a variety of applications, and solar cells show potential to be a mainstream technology in the energy space. The need for novel, energy-efficient photonic and optoelectronic devices will only increase. This work unites fundamental physics and a novel computational inverse design approach towards such innovation. The first half of the dissertation is devoted to the physics of high-efficiency solar cells. As solar cells approach fundamental efficiency limits, their internal physics transforms. Photonic considerations, instead of electronic ones, are the key to reaching the highest voltages and efficiencies. Proper photon management led to Alta Device's recent dramatic increase of the solar cell efficiency record to 28.3%. Moreover, approaching the Shockley-Queisser limit for any solar cell technology will require light extraction to become a part of all future designs. The second half of the dissertation introduces inverse design as a new computational paradigm in photonics. An assortment of techniques (FDTD, FEM, etc.) have enabled quick and accurate simulation of the "forward problem" of finding fields for a given geometry. However, scientists and engineers are typically more interested in the inverse problem: for a desired functionality, what geometry is needed? Answering this question breaks from the emphasis on the forward problem and forges a new path in computational photonics. The framework of shape calculus enables one to quickly find superior, non-intuitive designs. Novel designs for optical cloaking and sub-wavelength solar cell applications are presented.

研究の動機と目的

• 薄膜太陽電池における低い光抽出効率と吸収率の低さという根本的課題を克服するため、最適な波長未満の光子構造を設計すること。
• ヒューリスティック的または対称的なナノ構造にとどまらない、優れた光捕集を実現する逆設計のための計算フレームワークを開発すること。
• 内部発光効率とミラー反射率が開回路電圧および全体効率に与える影響を定量化すること。
• 逆設計されたテクスチャが、薄膜平面構造における光捕集の理論的限界を上回ることを示すこと。
• 従来の厚いセルに匹敵するかそれ以上の性能を示す超薄型太陽電池（例：150 nmのGaAs）を実現し、材料費を削減すること。

提案手法

• 本論文は、形状計算とトポロジー微分法を用いて、構造的変更に伴う電磁界応答の感度を計算し、勾配に基づく表面テクスチャの最適化を可能にする。
• 複雑で直感的でないナノ構造を滑らかに進化させられるように、レベルセットの幾何的表現を用いる。
• 逆設計プロセスは、法線入射下での最大吸収および発光増幅を最適化するもので、半球にわたる数値積分により、入射角および偏光の平均性能を検証する。
• 有限差分時間領域（FDTD）ソルバを用いて電磁界を計算し、周波数平均吸収率および発光増幅に基づく評価関数を用いる。
• 材料特性（例：n=3.5のGaAs）および現実的なバンドギャップ（1.42 eV）を制約として、波長未満の領域に焦点を当てる。
• フレームワークは、ルーチン光学の限界、モード理論、および既存のヒューリスティック設計と比較することで検証され、性能および頑健性の優位性が示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 計算的逆設計は、ヒューリスティック的または対称的なナノ構造を上回る性能を示すことができるか？　特に波長未満の太陽電池における光吸収の向上に関して。
• RQ2 内部発光効率（η_int）および背面ミラー反射率が、開回路電圧および全体効率にどの程度の影響を及えるか？
• RQ3 150 nmの厚さのGaAs太陽電池で、ほぼ100％の吸収を実現する光子構造を設計可能か？　これは従来の1 μm厚の通常セルの性能に匹敵する。
• RQ4 逆設計されたナノ構造は、スチュアートとホールが提唱したような、薄膜平面構造における光捕集の理論的限界（例：31倍）を超えることができるか？
• RQ5 最適化されたテクスチャは、入射角および偏光の変動に対してどの程度頑健か？　また、法線入射での最適化が、帯域幅にわたるほぼ最適な性能を達成できるか？

主な発見

• 逆設計された表面テクスチャは、全入射角および偏光において平均40倍の吸収増幅因子を達成し、ランダム粗さ（増幅～10倍）やナノ球体・グレーティングといったヒューリスティック設計を著しく上回る。
• 最適化された構造は、薄膜光捕集のモード理論による理論的31倍の増幅限界を上回り、活性的なバンド構造工学と局所状態密度の増加を示唆している。
• 低光学厚さ（αL = 0.1）でも90％を超える吸収を維持しており、超薄型セル設計に重要な弱吸収領域でも有効であることが示された。
• 開回路電圧は内部発光効率（η_int）に極めて敏感であり、η_intが90％未満に低下すると性能が急激に低下するため、ほぼ100％の放射効率が不可欠であることが明らかになった。
• 1.5 μmのGaAs太陽電池を150 nmに薄くしても効率の損失が最小限に抑えられ、材料費を大幅に削減する道筋が示された。
• 入射角および偏光の平均性能は、全入射角において20倍以上の増幅を維持しており、計算コストを抑えるために法線入射最適化を用いる正当性が裏付けられた。