[논문 리뷰] Four-terminal perovskite/silicon tandem solar cell with integrated Mie-resonant spectral splitter metagrating

Verena Neder, Dong Zhang외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 23.

Perovskite Materials and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 페로브스카이트 상부 셀에서의 빛 포획을 향상시키고 실리콘 하부 셀로의 근적외선 투과를 개선하기 위해 Mie 공진 스펙트럼 분리기로 작용하는 통합된 유전체 메타그레팅을 갖춘 사단자 페로브스카이트/실리콘 타넌트 태양전지의 성능을 향상시킨다. 메타그레팅은 기판에 밀착된 인쇄 리소그래피를 통해 제작되었으며, 반사율을 낮추고 단락전류를 0.5 mA/cm² 증가시켜 절대 효율 향상 0.26%를 이룬다. 최적화된 설계에 대한 시뮬레이션 결과 최대 0.4%의 효율 향상이 예측된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 스펙트럼 분리 및 빛 관리 기능을 갖춘 유전체 메타표면을 통합하여 사단자 페로브스카이트/실리콘 타넌트 태양전지의 성능을 향상시키기 위해.
• 페로브스카이트 밴드 갭 근처에서의 빛 흡수 제한과 실리콘 하부 셀로의 근적외선 투과도가 최적화되지 않은 문제를 해결하기 위해.
• 헥사고날 배열의 비정질 실리콘 트리머 나노구조에서 설계된 Mie 공진을 통해 반사율을 최소화하고 회절 효율을 극대화하기 위해.
• 메타표면 통합을 위한 스케일업 가능하고 기판에 밀착된 인쇄 리소그래피를 활용한 유연하고 확장 가능한 제조 기술을 구현하기 위해.

제안 방법

• 페로브스카이트 밴드 갭 영역과 일치하는 600–800 nm 범위에서 Mie 공진를 유도하기 위해 높이 150 nm인 수소화된 비정질 실리콘 트리머 나노구조의 헥사고날 배열을 설계하였다.
• 유전체 Mie 공진를 활용해 산란 모드를 제어하고 직접 반사 경로와 간섭을 유도함으로써 반사율을 최소화하였다.
• 기판에 밀착된 인쇄 리소그래피를 사용해 굴곡지나 텍스처 처리된 표면에 메타그레팅을 제작함으로써 타넌트 셀 구조에 통합 가능하도록 하였다.
• 메타표면 기하구조를 최적화하여 고해상도 회절 효율과 페로브스카이트 층 내에서의 빛 포획을 극대화하였다.
• 이상적인 조건에서 성능 향상을 예측하기 위해 전자기 모델링을 사용해 스펙트럼 반응 및 전류 생성을 시뮬레이션하였다.
• 메타그레팅을 사단자 타넌트 셀에 실험적으로 통합하고 단락전류 향상도를 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mie 공진를 갖춘 유전체 메타그레팅이 태양광 스펙트럼을 효과적으로 분리하여 페로브스카이트 상부 셀의 흡수를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 메타표면 통합 타넌트 태양전지에서 반사율을 최소화하면서도 회절 효율을 극대화하는 방법은 무엇인가?
• RQ3 메타그레팅은 사단자 페로브스카이트/실리콘 타넌트 셀의 단락전류와 전체 효율을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ4 기판에 밀착된 인쇄 리소그래피는 복잡한 타넌트 셀 기하구조에 이러한 메타표면을 스케일업 가능하고 정밀하게 제조할 수 있는가?
• RQ5 메타표면 스펙트럼 분리기 기하구조의 추가 최적화로 예상되는 성능 향상은 어느 정도인가?

주요 결과

• 메타표면 통합 사단자 페로브스카이트/실리콘 타넌트 태양전지에서 페로브스카이트 상부 셀의 측정된 단락전류가 0.5 mA/cm² 증가하였다.
• 이 전류 증가량은 표준 시험 조건 하에서 타넌트 셀의 절대 효율 향상 0.26%에 해당한다.
• 최적화된 메타표면 기하구조에 대한 시뮬레이션 결과, 페로브스카이트 층에서의 단락전류 증가가 1.4 mA/cm²로 예측된다.
• 최적화된 설계는 사단자 타넌트 셀에서 절대 효율 향상 0.4%를 예측하고 있다.
• 메타그레팅은 설계된 간섭을 통해 Mie 공진 산란 모드를 제어함으로써 반사율을 효과적으로 감소시키고 빛 포획을 향상시킨다.
• 이 방법은 기판에 밀착된 제조 기술과 다기능 광학 제어 기능 덕분에 다양한 타넌트 셀 구조와의 호환성이 입증되었다.