Резонирующая солнечная панель: [1.7.10][Mods] Solar expansion — Солнечная Энергия! » MinecraftOnly

Приемлемый муниципалитет определяется как «город или поселок, который может продемонстрировать департаменту текущие или будущие изменения своего населения, землепользования или местной экономики в результате изменений климата»

Это изменение является выигрышем для коммунальных предприятий, которые всегда за то, чтобы иметь возможность владеть и оценивать больше инфраструктуры. Это также может быть победой для сообществ на мысе, которые, вероятно, первыми в очереди добавят солнечные + накопительные системы для коммунальных предприятий, чтобы уменьшить влияние отключений, которые станут более частыми в ближайшие годы.Тем не менее, хотя сообществам EJ предоставляется приоритет для участия в программе, в законодательстве нет четких положений о том, как проекты принесут прямую пользу жителям рассматриваемых сообществ, а также не установлен какой-либо порог суммы пособия, которое должно быть предоставлено. жителям.

(Строки 891-939; страницы 43-45)

В то время как ранее кредиты для измерения нетто за избыточную выработку в данном месяце на объекте можно было переводить только в пределах данной зоны нагрузки коммунального предприятия (см. нашу карту зоны нагрузки здесь) этот статут теперь позволяет переводить кредиты на другие счета любой распределительной компании, расположенной в Содружестве.

Основными бенефициарами этой политики, вероятно, будут более крупные общественные солнечные предприятия в западном штате Массачусетс, стремящиеся передать кредиты клиентам в более густонаселенной восточной части штата, поскольку рынок на западе уже достаточно насыщен. Так, например, это изменение позволит жителю Бостона приобретать со скидкой кредиты на чистые измерения солнечной энергии у солнечных ферм, расположенных на сельскохозяйственных землях недалеко от Гринфилда.

Как отметили наши коллеги из юридической группы Klavens, это изменение все еще зависит от графика реализации Департаментом коммунальных услуг, который пока неизвестен, но, вероятно, продлится не менее 9-12 месяцев.

(Строки 970-974; стр. 47)

Это положение отменяет ограничения измерения нетто для средств измерения нетто класса II и класса III, которые обслуживают нагрузку на объекте; любые кредиты, накопленные сверх годового потребления электроэнергии за период с апреля по следующий март, должны быть зачислены или выплачены для таких избыточных кредитов по ставке предотвращенных затрат коммунального предприятия (которая, как ожидается, составит 3-6 центов / кВтч).Это означает, что локальные солнечные системы мощностью более 60 кВт + переменного тока, рассчитанные на использование здания, получат полную розничную чистую кредитную стоимость измерения, основанную на классе тарифа счетчика, но с оговоркой, что любое превышение, рассчитанное в течение года, будет быть проданным по очень невыгодной цене. Это будет стимулировать разработчиков к консервативному увеличению использования до ~ 90%, чтобы избежать такого результата.

В целом, это большая победа для более крупных проектов по солнечной энергии на объектах в National Grid и Eversource West, где нетто-учетные данные были недоступны в течение последних нескольких лет.Ожидается, что сроки реализации будут такими же, как в Разделе 84.

(Строки 975-984; страницы 47-48)

В соответствии с этим разделом, любая новая программа стимулирования использования солнечной энергии, разработанная DOER, должна в максимально возможной степени:

• Обеспечивать равноправный доступ для всех налогоплательщиков Массачусетса, включая налогоплательщиков с низким доходом

• Решение проблемы доступа к солнечной энергии и ее доступности для сообществ с низким доходом

• Включить эффективные положения о защите прав потребителей

• Обеспечить доступность информации о программе и ее преимуществах для всех плательщиков налогов, включая неанглоязычные сообщества

• DOER должен консультироваться с широким кругом заинтересованных сторон, чтобы информировать дизайн любой такой программы стимулирования использования солнечной энергии, включая низкую — плательщики ставки дохода и организации, представляющие их интересы

Это важный следующий шаг к тому, чтобы мы не пропустили еще одну программу стимулирования без значительного устранения препятствий на пути внедрения чистой энергии в малообеспеченных сообществах.Это будет ключевая возможность для наших коллег вмешаться в процесс регулирования, чтобы гарантировать, что преемник программы SMART пойдет намного дальше в стимулировании и достижении справедливого развертывания солнечной энергии в Содружестве.

(Строки 1035-1045, стр. 50)

Разработка модуля беспроводной передачи энергии для сбора солнечной энергии

Аннотация

Был разработан модуль беспроводной передачи энергии (WET) для взаимодействия с окружающей солнечной энергией.Основная идея разработки модуля состоит в том, чтобы распределять собранную электроэнергию от модуля солнечной панели по устройствам с внутренней нагрузкой по беспроводной сети. Было установлено, что модуль солнечной панели имеет фотоэлектрическую солнечную панель из поликристаллического кремния мощностью 30 В, 240 Вт, 30 В, с 60 элементами. Конструкция модуля WET основана на технологии магнитного резонанса, в которой использовалась разработка двух субблочных модулей; цепь возбуждения и две катушки взаимно индуцируются для передачи энергии на подходящей резонансной частоте.ВЧ-усилитель мощности класса D использовался в качестве схемы возбуждения для коммутации передаваемых катушек, что теоретически имеет преимущество почти 99% эффективности. Были разработаны три типа катушек; Есть круглая катушка, плоская спиральная катушка и плоская катушка Родена. Высокий коэффициент качества Q (> 100) каждой катушки предназначен для минимизации рассеиваемой мощности в катушке. Благодаря наивысшей эффективности модуля беспроводной передачи энергии, энергия, собранная фотоэлектрической солнечной панелью, может передаваться практически с нулевыми потерями и с большей дальностью беспроводной передачи.Результаты показали, что плоская спиральная катушка имеет более высокую эффективность при большем расстоянии передачи, которое может быть достигнуто по сравнению с другими конструкциями. Максимальное расстояние передачи составляет 26 см с эффективностью 80% при добротности 272,62. На основании результатов было доказано, что использование катушки с высоким коэффициентом добротности и коэффициентом связи на согласованной резонансной частоте приводит к большей передаче энергии на большее расстояние. Результаты экспериментов показывают, что оптимальная эффективность спроектированной системы может быть достигнута с катушкой с кольцевым контуром 45.25% при факторе Q 413,62, а 36,5% при факторе Q 264,63.

Ключевые слова

Сбор солнечной энергии

беспроводная передача энергии (WET)

магнитно-резонансная связь

ВЧ усилитель мощности класса D

Рекомендуемые статьиЦитирующие статьи (0)

Copyright © 2013 Авторы. Опубликовано Elsevier Ltd.

Рекомендуемые статьи

Цитирующие статьи

Высокоэффективный планарный кремниевый солнечный элемент с усилением поверхностного плазмонного резонанса

Основные характеристики

•

Эффективность преобразования энергии устройства увеличена с 6.От 39% до 10,15%.

•

Плазмонные наночастицы Au способны улавливать свет.

•

Наночастицы Au ответственны за усиление оптического поглощения Si.

•

Солнечный элемент демонстрирует хорошую стабильность на воздухе и отличную воспроизводимость.

Abstract

Поверхностный плазмонный резонанс (ППР), индуцированный металлическими наночастицами (НП), представляет большой интерес для эффективного управления распространением и поглощением света в оптоэлектронных устройствах.В этой работе мы предложили простую стратегию улучшения фототока планарных солнечных элементов с переходом кремний (Si) p – n путем прикрепления плазмонных наночастиц Au (AuNP) к прозрачной графеновой пленке для улучшения сбора падающего света. Моделирование, основанное на методе конечных элементов, показывает, что сильное рассеяние света на AuNP отвечает за усиление оптического поглощения в Si, что приводит к увеличению фототока. Кроме того, декорирование AuNP на графене также способствует высокому коэффициенту заполнения ( FF ) за счет уменьшения последовательного сопротивления в цепи.Эти способствующие факторы вместе с эффективной пассивацией поверхности Si обеспечивают эффективность преобразования энергии (PCE) до 10,15% с отличной воспроизводимостью. Это исследование откроет новые возможности для оптимизации оптоэлектронных устройств на основе Si.

Ключевые слова

Плазмонные наночастицы

Фотоэлектрические устройства

Графен

Сбор света

Метод конечных элементов

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

Linbao Luo получил M.Доктор неорганической химии на химическом факультете Китайского университета науки и технологий и доктор философии. Степень в 2009 году от факультета физики и материаловедения Городского университета Гонконга. Проработав 1,5 года в том же университете в качестве старшего научного сотрудника. Он поступил в Колледж электронных наук и прикладной физики Технологического университета Хэфэй, где сейчас является профессором прикладной физики. Он опубликовал более 80 упомянутых журналов с общим цитированием ~ 1800 и индексом Хирша 24.Его исследовательские интересы в основном сосредоточены на контролируемом производстве одномерных полупроводниковых наноструктур для приложений оптоэлектроники и электронных устройств, включая фотоэлектрические устройства, фотодетекторы и устройства энергонезависимой памяти.

Чао Се получил степень бакалавра наук. и к.т.н. степени Хэфэйского технологического университета, Китай, в 2009 и 2014 годах соответственно. В настоящее время он является научным сотрудником факультета прикладной физики Гонконгского политехнического университета.Его исследования сосредоточены на производстве новых фотоэлектрических устройств, фотодетекторов и других электронных / оптоэлектронных устройств на основе графена, кремниевых наноструктур и наноматериалов II – VI групп.

Xian-He Wang получил B.S. получил степень по физике в Физическом колледже Шаньдунского университета науки и технологий (SUST) в 2012 году. В настоящее время он учится в магистратуре Школы электронных наук и прикладной физики Технологического университета Хэфэй. Его исследовательские интересы сосредоточены на создании фотоприемников с усилением поверхностного плазмонного резонанса на основе полупроводниковых наноструктур.

Юн-Цян Ю получил степень бакалавра наук. степень в области прикладной физики Северо-Восточного университета, Китай, и M.S. и к.т.н. степень в области микроэлектроники, твердой электроники и физики и химии материалов в Технологическом университете Хэфэй, Китай, соответственно. В настоящее время он преподает в Школе электронных наук и прикладной физики Технологического университета Хэфэй, Китай. Его текущие исследования сосредоточены на производстве и описании наноустройств (таких как фотодетекторы, запоминающие устройства и полевые транзисторы) и моделировании устройств.

Чун-Янь Ву получила степень бакалавра англ. и степень магистра химико-технологического университета Хэфэйского технологического университета в 1999 и 2004 годах, соответственно, и докторская степень. Получила степень в Университете науки и технологий Китая (USTC) в 2006 году. В 2007 году она поступила в Колледж электронных наук и прикладной физики Технологического университета Хэфэй. В настоящее время она является приглашенным научным сотрудником Иллинойского университета в Урбана-Шампейн ( UIUC), США. Ее научные интересы включают неорганические наноматериалы, наноэлектронные и нанофотоэлектрические устройства.

Хан Ху в настоящее время учится в магистратуре Школы электронных наук и прикладной физики Технологического университета Хэфэй. Он получил степень бакалавра наук. получил степень в области прикладной физики на физическом факультете Шаньдунского педагогического университета, Китай, в 2012 году. Его исследования сосредоточены на синтезе и передаче графена большой площади и оптоэлектронных устройств на его основе.

Xi-Wei Zhang получил степень бакалавра наук. и к.т.н. степени по физике Харбинского технологического института в 2004 и 2010 годах соответственно.После получения степени доктора философии он работал доктором в лаборатории полупроводниковой нанообработки (SNPL) Университета Ханьян, Южная Корея. В настоящее время он преподает на кафедре физики Харбинского технологического института. Его исследовательские интересы сосредоточены на оптическом моделировании наноструктурированных солнечных элементов, нелинейной оптике, квантовой оптике, поляризациях поверхностных плазмонов и связанных областях.

Ке-Я Чжоу получил степень бакалавра наук. степень от Хэнаньского университета, M.S. степень Хэфэйского технологического университета и докторская степень.Докторская степень Университета Сучжоу в 2008, 2011 и 2014 годах соответственно. В настоящее время он преподает в Колледже физики и электротехники при Педагогическом университете Аньяна. Его научные интересы включают синтез, контролируемое легирование наноматериалов II – VI групп и их применение в качестве высокопроизводительных электронных / оптоэлектронных устройств.

Цзяньшэн Цзе получил степень бакалавра наук. и к.т.н. получил степень по физике конденсированных сред в Китайском университете науки и технологий в 1999 и 2004 годах, соответственно, а затем проработал следующие три года в качестве постдокторанта в Городском университете Гонконга.Он присоединился к Технологическому университету Хэфэй в качестве профессора с 2006 года. В 2010 году он присоединился к Университету Сучжоу, и теперь он является профессором Института функциональных нано и мягких материалов (FUSOM). Он является автором или соавтором более 100 научных статей в рецензируемых журналах с бумажным H-индексом 25. Эти работы получили более 2400 цитирований. Его интересные исследования включают наноэлектронные и нанооптоэлектронные устройства, графен и соответствующие устройства, а также солнечные элементы на основе кремниевых нанометров.

Copyright © 2014 Elsevier Ltd. Все права защищены.

Этот стартап хочет принести солнечную энергию в районы с низким доходом

Лиз Бишевич

Серьезные поклонники возобновляемых источников энергии уже знают экономический смысл установки солнечных панелей на крыше: экономия от 50 до 150 долларов в месяц на счетах, повышение стоимости дома, налоговые льготы — и это не считая экологических выгод. Для состоятельной семьи солнечные панели становятся очевидным выбором, но для 40 миллионов американцев, живущих за чертой бедности, несмотря на долгосрочные финансовые выгоды, солнечные панели — это роскошь, которую они не могут себе позволить.Войдите в Resonant Energy: новую солнечную компанию, которая запустила в августе 2016 года «Программу доступа к солнечной энергии», чтобы расширить преимущества солнечной энергии для всех, независимо от «дохода, расы или вероисповедания». В настоящее время они разрабатывают общие солнечные батареи в районах Массачусетса и Нью-Йорка.

Resonant Energy — не только изменить диалог о том, для кого предназначена солнечная энергия, но и о том, кому она принадлежит. Компания стремится создать штат, состоящий не менее чем из 50 процентов женщин и цветных людей, живущих в сообществах, которые обслуживает Resonant.Это привлекательная возможность, учитывая, что солнечная энергия — один из самых быстрорастущих секторов занятости в Америке, с ожидаемым ростом более 100 процентов в следующие девять лет.

Мы встретились с Исааком Бейкером, соучредителем и президентом Resonant Energy, чтобы обсудить, как бизнес-план зависит от сообществ, чтобы пережить «солнечные горки», то есть рынок возобновляемых источников энергии.

Как зародилась резонансная энергия?

Я познакомился со своим партнером Беном Андервудом в конце 2014 года. Мы оба только что закончили бакалавриат в Вермонте и думали о том, чтобы работать прямо на стыке изменения климата и социальных изменений.Изначально нас интересовали биогазовые системы, превращающие пищевые отходы и отходы животноводства в чистую энергию, что в то время было большой растущей технологией, вызывающей интерес в Вермонте, потому что там много ферм.

Но примерно через полгода мы узнали, что технология [биогаза] немного опередила свое время, поэтому мы отправились в это место под названием Co-op Power, которое работало над разработкой общих солнечных батарей, которые могут быть доступны всем, независимо от их доход, кредитный рейтинг, раса или вероисповедание.Мы занимались этим около года вместе и основали подразделение «Будущее солнечной энергии» в Co-op Power, и благодаря этому процессу мы получили множество ресурсов. Это был наш настоящий инкубационный период.

Во время SOCAP17 [отраслевая конференция для социальных предприятий и влиятельных инвесторов] Стеф Спайерс из Solstice Initiative — некоммерческая организация, которая работает над проектами в области общественных солнечных батарей — заявила, что люди, которые больше всего нуждаются в солнечной энергии, с меньшей вероятностью будут ее использовать. Вы можете об этом поговорить?

Сообщества с ограниченными ресурсами — люди с самыми низкими доходами — платят самый высокий процент от своей ежемесячной зарплаты на электроэнергию.Таким образом, члены вашей средней семьи с высоким доходом никогда не задумаются о своих счетах за электричество. Они поставят его на автоплату, и им просто заплатят, и они не будут слишком об этом беспокоиться. Для домохозяйств с низкими доходами энергия может составлять 10-15 процентов от их ежемесячных расходов, что может быть вторым по величине ежемесячным расходом по сравнению с арендной платой. Размышляя о том, кому нужна чистая энергия, исходя из экономии, которую можно получить от ее внедрения, это наиболее важно для сообществ с ограниченными ресурсами.Но из-за препятствий в образовании и финансировании они в наименьшей степени могут использовать чистую энергию прямо сейчас.

Вы бы сказали, что это чисто затратная вещь?

В текущих рыночных условиях для среднего дома установка солнечных контрактов в среднем будет стоить от 20 000 до 30 000 долларов. Его можно профинансировать, но для того, чтобы взять для этого ссуду, вам нужен кредитный рейтинг 680 или выше, и вы должны захотеть взять довольно обременительную ссуду. Итак, [многие] люди с ограниченным доходом не могут получить доступ к солнечным батареям на крыше из-за этих критериев андеррайтинга.

Вы говорите на своем сайте, что солнечная энергия может «превратить существующий источник несправедливости в новую базу власти для сообществ, которые в ней больше всего нуждаются». Вы можете поговорить со мной об этой несправедливости?

Сообщества, у которых были угольные электростанции, расположенные рядом с инфраструктурой ископаемого топлива и всеми видами грязных источников энергии, это сообщества, которые несли на себе основную тяжесть наших предыдущих энергетических систем. И [сейчас], так же, как мы создаем решения для создания более чистого и яркого мира, который в будущем станет сам по себе, эти сообщества остаются в неведении.

Resonant Energy по доступу к солнечной энергии называется «первой инклюзивной моделью финансирования» для установки солнечных панелей на крыше. Как работает программа?

В отличие от многих солнечных продуктов и решений для крыш, наша не предназначена для дома на одну семью — она ​​ориентирована на районы с ограниченными ресурсами. Это означает, что он может работать для дома на одну семью, но он также работает для пенсионеров с фиксированным доходом, церкви в квартале и небольшого местного бизнеса. Мы хотели создать решение для финансирования солнечной энергетики, которое будет одинаково работать для всех этих условий.

В Бостоне, где мы были в течение прошлого года, мы подписываем контракт с хозяевами проекта, которые соглашаются размещать панели на своих крышах в течение 20 лет, и взамен они получают 15 процентов стоимости [электроэнергии], производимой массивом, право на их счет за электричество, и они ничего не платят в любое время [за размещение панелей]. Таким образом, они в основном делают свою крышу доступной и получают несколько сотен долларов в год. Так что наша цель: сократить счета за электричество и заставить их ничего не платить в любое время.Затем мы делаем то же предложение доступным в меньшем масштабе для некоммерческих организаций и малых предприятий, которые могут размещать большие массивы солнечных панелей.

Тогда как вы зарабатываете деньги? Какая бизнес-модель?

Типичный способ финансирования солнечной энергетики заключается в том, что у вас есть строгие критерии андеррайтинга — например, кредитный рейтинг 680. Компания ставит солнечные батареи на крышу [клиента], а затем взимает с них скидку в течение следующих 20 лет. Итак, если вы дадите им 100 долларов стоимости в конкретный месяц, вы собираетесь взимать с них 85 долларов в месяц в течение следующих 20 лет, чтобы помочь возместить расходы.То, как мы это меняем, заключается в том, что мы отдаем 15% выработки каждому домохозяйству, а остальные 85% этой продукции мы объединяем, и мы продаем дополнительную мощность долгосрочному кредитоспособному учреждению, например, местной застройке доступного жилья. или муниципалитет или крупный бизнес, чтобы у нас был долгосрочный поток доходов, который может помочь окупить помощь, которую мы оказываем общинам с ограниченным доходом.

И солнечная энергия дешевле обычного электричества.

Верно.В нашей модели все экономят. Крупный пользователь электроэнергии, который покупает дополнительную мощность на крыше, экономит деньги на счетах за электроэнергию, а владелец дома или здания, в котором размещен массив, экономит от 20 до 25 процентов своих счетов за электричество.

Как началось ваше партнерство с религиозными общинами Массачусетса?

У одного из наших членов-основателей был дом, который отлично подходил для использования солнечной энергии, и он ходил в церковь в этом большом старом красивом здании под названием Вторая церковь в Дорчестере, у которого также была потрясающая крыша для солнечной энергии.По разным причинам ни его дом, ни церковь не смогли получить доступ к финансированию для установки солнечной энергии по традиционным моделям. Разрабатывая нашу программу, мы тесно сотрудничали с нашим членом-основателем, чтобы посмотреть на проблемы, которые нам нужно было решить, и найти решения — например, как мы можем взять его церковь, которая была слишком мала, чтобы финансировать ее самостоятельно, и заставить ее функционировать. солнечная. Во время нашей второй встречи пастор присоединился к нам и сказал: «Что ж, если церковь слишком мала, у меня есть список из 500 церквей здесь, в Бостоне, со многими из которых я работаю, и я знаю пасторов — что, если мы просто сделаем такую ​​большую? кампании и собрать все церкви, независимо от их веры, и сделать все вместе, чтобы снизить расходы? »Итак, мы работали в сообществе, чтобы провести межконфессиональную кампанию, чтобы позволить церквям стать солнечными.

Все пасторы работали вместе больше года, чтобы сделать это. И именно здесь началась программа доступа к солнечной энергии, в процессе работы с этими религиозными лидерами и размышлений о том, как мы можем сделать больше, если объединим программу, которая задействует все сообщество.

Могут ли это повторить другие энергетические компании, такие как Solar City? Есть ли причина, по которой все больше компаний этого не делают?

Нет ничего из того, что мы делаем, что другие технически не могли бы сделать.Мы используем те же существующие законы и стимулы, но то, что мы делаем, делать очень сложно. Для большинства компаний причина, по которой они этого не делают, заключается в том, что, если вы строите солнечные проекты, гораздо проще ориентироваться на зажиточные, односемейные, незанятые дома в пригородах и убедить [владельцев] заплатить за установку солнечной энергии в их домах. крыша. Так что прямо сейчас рынок будет ориентироваться в первую очередь на эти сообщества — например, продавать их продукт тому, кто предложит самую высокую цену.

На данный момент мы не разбогатели на этом проекте.Но мы доказали, что модель может масштабироваться, и для нее есть хорошее экономическое обоснование — например, миллиарды долларов солнечной [энергии], которые потребуются этим крышам в ближайшие 20–30 лет.

Каковы самые большие проблемы при расширении этих типов солнечных инициатив? В основном это затраты и время?

Да, я имею в виду, что для любой отрасли, управляемой политикой на уровне штата, которая меняется каждые несколько месяцев, только это и есть то, что мы называем «солнечными горками». Меняется ландшафт стимулов и правил, а с коммунальными предприятиями продолжается борьба за то, какой будет ценность солнечной энергии.Я бы сказал, [это] две самые большие проблемы.

Итак, как скоро у всех будет солнечная крыша или хоть какое-то солнечное электричество?

Это сложный вопрос. В Массачусетсе есть несколько сообществ, которые уже в массовом порядке внедрили солнечную энергию. Итак, у нас есть небольшие города, которые в сети производят больше электроэнергии, чем потребляют. Кроме того, есть первые последователи в богатых сообществах, которые доказывают, что это возможно, и которые хотят быть в авангарде этого перехода.Но с точки зрения всех остальных, солнечные панели на крышах, хотя они и становятся популярными, только достигают критического момента, когда они становятся ожидаемыми в некоторых сообществах. Сейчас есть сообщества, в которых установлено так много установок, что, если у вас есть хорошая крыша для солнечной энергии, было бы странно, если бы у вас ее не было. Для меня это социальное изменение, которое будет двигать вперед больше, чем что-либо другое. Но я думаю, нам предстоит долгий путь. У нас есть тысячи и тысячи домов, которые нужно установить, и на это уйдет от 20 до 30 лет.Но работа определенно ускоряется.

Что дальше с резонансной энергией?

Что касается расширения в ближайшие годы, наша цель заключается в расширении таким образом, чтобы дать возможность сообществам и организациям, которые уже обслуживают сообщества, с которыми мы хотим сотрудничать. Итак, когда мы думаем о поездке в Вашингтон, округ Колумбия, Нью-Йорк или где-то еще, вместо того, чтобы просто написать бизнес-план, нанять людей и отправить их, мы сначала заходим и проводим несколько месяцев, работая с местными некоммерческими партнерами и местными соавторами. ops и других местных жителей, которых мы хотим видеть лидерами в области экологически чистой энергии, чтобы мы могли расширяться, работая с людьми на местах в каждом новом сообществе, которое мы обслуживаем.

Исследование резонансных структур в оптически тонких солнечных элементах

1.

Введение

Индустрия солнечных элементов постоянно ищет способы сократить использование материалов при производстве солнечных элементов при сохранении эффективности преобразования для повышения экономической эффективности солнечной энергии. -сотовые устройства. ^{1 , 2} Хотя тонкие кремниевые солнечные элементы демонстрируют меньшее поглощение, чем более толстые, традиционно кристаллические кремниевые пластинчатые элементы, ¹ поглощение в оптически тонких солнечных элементах может быть улучшено за счет структурирования поверхности, например.g., добавляя поверхностные структуры к верхнему слою тонких солнечных элементов. ^{3 , 4} Наиболее распространенный подход — это улавливание света, при котором длина пути света в поглотителе увеличивается из-за структур поверхности. Захват света является обычным явлением в солнечных элементах с поверхностной структурой, в которых поверхностные структуры больше, чем используемая длина волны, то есть в пределе короткой длины волны. Также было показано, что наноструктурированные поверхности вызывают резонансы в электрическом поле, что увеличивает поглощение света в поглощающем материале ниже. ³ Взаимодействие резонансов с наноструктурами также обсуждалось как механизм увеличения поглощения в структурированных тонкопленочных солнечных элементах. ^{5 , 6} Другой механизм, который использовался для повышения эффективности поглощения тонких солнечных элементов, — это минимизация потерь энергии из-за отражения. ⁷ Возможный способ добиться этого — добавить один или несколько тонких диэлектрических слоев на верхнюю часть солнечного элемента в качестве антиотражающего покрытия (ARC).В то время как однослойные дуги являются сегодня стандартом в отрасли, было проведено множество исследований по оптимизации тонкопленочных солнечных элементов, состоящих из двух разных слоев, чтобы найти оптимальную комбинацию показателей преломления и толщины материалов. ⁸

Целью данной статьи является исследование эффективности поглощения в слое преобразования энергии солнечного элемента в зависимости от появления резонансов в поглощающих и непоглощающих слоях тонкопленочного солнечного элемента.С этой целью мы разработали простую модельную систему, которая демонстрирует резонансы и позволяет нам исследовать влияние этих резонансов на поглощение в материале, преобразующем энергию. Простая система, способная проявлять резонансы, представляет собой многослойную пленочную систему. Многослойная пленочная система может быть образована поглощающими и непоглощающими слоями. Его можно использовать для исследования того, как резонансы в непоглощающих слоях влияют на поглощение в поглощающих слоях. В дальнейшем его можно использовать для исследования того, как можно увеличить поглощение путем настройки показателя преломления и толщины поглощающих и непоглощающих слоев.Таким образом, наша работа сильно связана с оптимизацией ARC, ⁷ , но фокусируется на другом аспекте, а именно на влиянии резонансов в слоистых пленках на поглощение в пленке, преобразующей энергию.

Для исследования эффективности устройства оценим эффективность поглощения σa. ^{9 — 11} Чтобы учесть характеристики солнечного спектра, эффективность поглощения можно умножить на солнечный спектр. Полученная величина называется скоростью оптической генерации. ¹² Системы, оцениваемые в этом исследовании, представляют собой трехмерные (3D) системы, в которых падающий свет представляет собой плоскую волну, распространяющуюся к системе, а направление распространения перпендикулярно поверхностям. Из-за нормального падения системы инвариантны в двух измерениях и фактически являются одномерными (1D) системами. Результаты, представленные для пленки при нормальном падении, можно напрямую перенести в ту же систему с наклонным падением. Наклонное падение приводит к уменьшению нормальной составляющей волнового вектора.Следовательно, наклонное падение приводит к простому смещению резонансной структуры относительно диапазона длин волн, и те же рассуждения могут быть применены к нормальному падению. ¹³

Включая зависящий от длины волны показатель преломления, мы показываем, что результаты могут быть использованы для оптимизации конструкции солнечных элементов в отношении поглощения.

Работа организована следующим образом. В гл. 2 мы представляем оцениваемые нами системы и соответствующую теорию. В первой части гл.В разделе 3 (разделы 3.1–3.3) мы оцениваем системы с независимыми от длины волны показателями преломления. Исследуем зависимость эффективности поглощения и резонансной структуры в слоистых пленках от размера мнимой части показателя преломления. Мы показываем, что наши результаты согласуются с уравнениями Френеля ¹⁴ для немагнитных диэлектрических материалов. Мы дополнительно исследуем, можно ли оптимизировать толщину слоев с точки зрения эффективности поглощения и использования материала. Мы показываем, как резонансы в непоглощающем материале увеличивают поглощение света в пленке, преобразующей энергию.В разделе 3.3 мы оцениваем, как можно использовать два непоглощающих слоя для увеличения эффективности поглощения. Мы оцениваем эффект связи резонансов между непоглощающими слоями, когда поглощающий слой находится между двумя непоглощающими пленками. Мы оцениваем, как связанные резонансы двух непоглощающих слоев и резонансы в поглощающем слое могут влиять на эффективность поглощения. В гл. 3.4 мы далее демонстрируем, что наш подход может быть полезен при оптимизации материала реальных солнечных элементов путем оптимизации толщины слоев экспериментально реализуемых солнечных элементов.В гл. 4 мы обсуждаем наши результаты; мы резюмируем и завершаем нашу статью в гл. 5.

2.

Теория

Оптически тонкие солнечные элементы, состоящие из слоев, с нормальным падающим светом, могут рассматриваться как одномерные системы и, следовательно, просты в использовании численно. Модельная система, выбранная в этой статье, представляет собой одномерную систему, состоящую из нескольких тонких слоев с различными поглощающими и непоглощающими материалами. Как непоглощающие, так и поглощающие материалы могут действовать как резонаторы, как показано далее в статье.Исследуемые системы показаны на рис. 1. Для всех систем плоская волна с амплитудой, равной единице, распространяется в направлении слоев слева. На рис. 1 (а) показана простейшая система, состоящая только из границы между воздухом и поглощающим материалом с показателем преломления na. Поглощающие свойства поглощающей пленки описываются мнимой частью na. На рис. 1 (а) предполагается, что толщина поглощающего материала бесконечна. В системе, представленной на рис.1 (b) показана одиночная поглощающая пленка толщиной аа и показателем преломления na. Для рис. 1 (c) –1 (e), мы предполагаем, что за слоями находится заднее зеркало, идеально отражающее все излучение. Толщина поглощающего слоя равна aa, а показатель преломления na. Показатели преломления непоглощающих слоев равны nI и nII при толщинах aI и aII. Система, представленная на рис. 1 (f), представляет собой систему, используемую для оценки связи между непоглощающими слоями на каждой стороне абсорбирующего слоя.На рис. 1 (g) показана система, идентичная показанной на рис. 1 (f), но с зеркалом на задней стороне за третьим слоем.

Рис. 1

Оцениваемые системы являются одномерными. Падающий свет представляет собой плоскую волну амплитудой, равную единице, распространяющуюся слева с показателем преломления n0 = 1. В системе (а) система состоит из границы между n0 и поглощающим материалом с показателем преломления na и бесконечной толщиной. Система на (b) состоит из конечной поглощающей пленки с показателем преломления na и толщиной aa.Система (c) идентична системе (b), за исключением того, что за пленкой помещено идеальное зеркало. Системы (d) и (e) имеют поглощающую пленку, расположенную позади одного или двух непоглощающих слоев. За поглощающей пленкой помещается зеркало. Толщины непоглощающих пленок равны aI и aII, а показатели преломления — nI и nII. Система (f) имеет поглощающий слой между непоглощающими слоями с толщиной aI и aIII и показателями преломления nI и nIII. Система (g) эквивалентна системе (f), но имеет заднее зеркало позади третьего слоя.

Так как мы рассматриваем только нормальное падение и, таким образом, рассматриваем модельную систему в 1D, нам не нужно учитывать поляризацию. Таким образом, модельная система может быть описана скалярной волновой теорией, которая обеспечивает точное описание волновой механики в пленочных структурах. Одномерная модель полностью эквивалентна системе трехмерных пленок с нормальным падающим светом. Волновые функции для систем, показанных на рис. 1, показаны в таблице 1. Амплитуды волновых функций находятся, требуя, чтобы волновые функции и их первые производные были непрерывными через границу. ¹⁵

Для слоистых систем количество поглощенного света рассчитывается через эффективность поглощения σa, заданную как

Eq. (1)

. Амплитуда отраженной волны находится путем запроса непрерывной скалярной волновой функции и непрерывной первой производной от скалярная волновая функция на всех интерфейсах. ^{15 , 16} Для простых систем с несколькими слоями материалов вычислить σa несложно. Для систем, состоящих из нескольких слоев, можно использовать метод матрицы переноса ¹⁷ .В качестве альтернативы, иерархическая схема суммирования, предложенная Брандсрудом и соавт. ⁹ занято.

Эффективность поглощения также связана с абсолютным значением скалярной волновой функции ψ (x) в одномерной системе как

Eq. (3)

Показатель преломления n обычно зависит от длины волны. ¹⁸ В первой части статьи мы рассматриваем тонкопленочные системы с показателем преломления, не зависящим от длины волны. Во второй части статьи мы оцениваем экспериментально реализуемый солнечный элемент. Показатели преломления материалов определены экспериментально и зависят от длины волны.

3.

Результаты

В этом разделе мы оценим различные системы, показанные на рис.1.

3.1.

Одиночная пленка

Начнем с системы на рис. 1 (а), которая состоит из бесконечно толстого поглощающего материала с показателем преломления, не зависящим от длины волны. Система показана на рис. 1 (а). Действительная часть показателя преломления поглощающего слоя na установлена ​​равной 4,3. Это действительная часть показателя преломления кремния на длине волны, равной 500 нм. Мы рассматриваем диапазон для мнимой части показателя преломления, который мы варьируем от 0 до 5.Оцениваемый интервал длин волн составляет от 250 до 1000 нм. Поскольку поглощающий слой бесконечно глубокий, весь свет, попадающий в поглощающий материал, поглощается. σa (λ) показано на рис. 2 (а). Для системы, содержащей только одну единственную границу, коэффициенты отражения и пропускания r и t не зависят от длины волны. ⁹ Рисунок 2 (а) показывает, что σa (λ) уменьшается с увеличением ni. Это ожидается, поскольку абсолютное значение n увеличивается, что приводит к увеличению вероятности отражения. ^{9 , 16} На рис. 2 (b) усредненная эффективность поглощения σ¯a показана как функция от ni. Как показано на рис. 2 (а), мы видим, что за увеличением ni следует уменьшение σ¯a

Рис. 2

(a) σa как функция длины волны для бесконечно толстой пленки при увеличении I (na ). (б) Оценивается усредненная эффективность поглощения σ¯a как функция I (na). (c) σa как функция длины волны поглощающей пленки без зеркала позади. (г) σ¯a как функция от I (na).(д) и (е) σa (λ) и σ¯a (I (na)) для системы, состоящей из одной пленки с зеркалом. Для всех систем действительная часть показателя преломления установлена ​​равной 4,3, что является реальной частью показателя преломления кремния на λ = 500 нм. Исследуемый интервал длин волн составляет от 250 до 1000 нм. (c) — (f) Толщина поглощающей пленки установлена ​​на 500 нм.

Когда поглощающий материал имеет конечную толщину порядка длины волны, в пленке могут возникать стоячие волны. На рис. 2 (с) показано σa (λ) для одиночной поглощающей пленки, как показано на рис.1 (б). Различные графики σa (λ) соответствуют возрастающим значениям ni. Мы видим, что резонансы присутствуют, когда ni достаточно мало. По мере увеличения ni резонансы затухают, и, наконец, когда ni достаточно велико, весь свет поглощается до того, как достигнет второй границы, и стоячие волны не наблюдаются. На рис. 2 (г) показано, как эффективность поглощения, усредненная по диапазону длин волн σ¯a (ni), увеличивается до того, как достигает максимума при ni = 0,57.

Систему на рис. 1 (c) можно рассматривать как упрощенную модель солнечного элемента, поскольку она учитывает один поглощающий слой и зеркало на задней стороне.Для такой системы на рис. 2 (е) показана соответствующая эффективность поглощения σa (λ) для диапазона постоянных мнимых частей показателя преломления. Мы видим, что резонансная структура σa (λ) изменяется по мере увеличения мнимой части показателя преломления. Действительная часть показателя преломления остается постоянной, nr = 4,3. При увеличении ni наблюдается та же тенденция, что и для одиночной пленки без зеркала. Уменьшаются амплитуды резонансов; в какой-то момент весь свет поглощается до того, как достигает зеркала, и стоячие волны не создаются.На рис. 2 (е) показано, как изменяется усредненная эффективность поглощения при увеличении ni.

Поскольку ожидается, что эффективность поглощения увеличится, когда абсолютное значение волновой функции возрастет [см. (3)] ​​интересно рассмотреть волновую функцию для максимумов и минимумов эффективности поглощения. Система, состоящая из одной пленки с отражающим тыльным боковым зеркалом [рис. 1 (c)], демонстрирует несколько максимумов эффективности поглощения на рис. 2 (e), например, для мнимой части показателя преломления, равного 0.1i. Мы рассматриваем максимум, который появляется на 662 нм, и минимум, который появляется на 717 нм. Соответствующие волновые функции (ψc из таблицы 1) показаны на рис. 3 снаружи и внутри пленки для двух выбранных длин волн: 662 нм (красная линия) и 717 нм (синяя линия). Показатель преломления пленки 4.3 + 0.1i, толщина 500 нм.

Рис. 3

Волновая функция перед и внутри пленки, где плоская волна распространяется слева в направлении одиночной пленки толщиной 500 нм и показателем преломления 4.3 + 0.1i. За пленкой ставится идеальное зеркало. Система показана на рис. 1 (c). Длина волны плоской волны составляет 717 нм (синяя линия) и соответствует провалу, а длина волны 662 нм (красная линия) соответствует пику на рис. 2 (c) для случая, когда показатель преломления пленки составляет 4,3 + 0,1i.

Мы видим, что красная линия на рис. 3 соответствует пику, резонансу, в σa (λ) [Рис. 2 (с)]. Заметим, что абсолютный квадрат | ψ | 2 больше в случае, когда длина волны соответствует максимуму в σa (λ).

Теперь вернемся к усредненной эффективности поглощения, показанной на рис. 2 (f). Мы заметили, что мы получили максимум для мнимой части показателя преломления I (na) = 0,27. Толщина пленки составляла 500 нм, действительная часть показателя преломления R (na) = 4.3, за поглощающим слоем находилось зеркало (см. Рис. 1 (c)). Рассмотрим волновые функции этого максимума эффективности поглощения при I (na) = 0,27. Поскольку максимум соответствует спектральному диапазону, мы выбрали волновые функции из этого диапазона: 250, 500 и 750 нм для случая, когда na = 4.3 + 0,27i, а толщина поглощающей пленки составляет 500 нм. Оценивая волновые функции, мы обнаружили, что оптимум I (na) находится для случая, когда волна полностью поглощается для малых длин волн, а стоячие волны присутствуют для более длинных волн. Это показано на рис. 14.

До сих пор мы рассматривали увеличение поглощения для поглощающего слоя толщиной 500 нм как для разных длин волн, так и для всего диапазона длин волн. Рассмотрим теперь абсорбционные свойства слоистых систем при изменении толщины пленки.Для толщины пленки 500 нм был найден оптимальный показатель преломления 4,3 + 0,27i. На рис. 4 показано, как на эффективность поглощения влияет изменение толщины пленки. Картина эффективности поглощения в зависимости от длины волны показана для нескольких толщин пленки на рис. 4 (а). Она сильно меняется при изменении толщины пленки. Сильные изменения происходят, поскольку стоячие волны возникают только тогда, когда длина волны, кратная длине волны, соответствует толщине пленки. Это вызывает колебания средней эффективности поглощения σ¯a (aa), которая отображается как функция длины волны [рис.4 (б)].

Рис. 4

(a) Эффективность поглощения σa как функция длины волны λ для системы, состоящей из одной пленки с зеркалом позади [Рис. 1 (с)]. Толщина пленки aa увеличена со 100 нм (синяя линия) до 1500 нм (темно-красная линия). Показатель преломления пленки n = 4,3 + 0,27. (б) Усредненная эффективность поглощения для той же системы в зависимости от ширины пленки.

Теперь исследуем, как пики и спады средней эффективности поглощения на рис.4 (б) связаны с появлением и исчезновением стоячих волн в пленке в зависимости от толщины пленки. Мы рассматриваем два пика и два провала в средней эффективности поглощения на рис. 4 (b), а именно пики a = 162 нм и a = 273 нм и провалы при a = 199 нм и a = 316 нм. На рис. 5 показаны соответствующие эффективности поглощения для всего диапазона длин волн. Мы видим, что при толщинах, соответствующих пикам, a = 162 нм (синяя линия) и a = 273 нм (желтая линия) соответствуют случаям, когда толщины достаточно велики, чтобы новый резонанс был включен в σa (λ) диапазон считается.Толщины, соответствующие провалам, a = 199 нм и a = 316 нм (красная и пурпурная линии) соответствуют случаям, когда толщина достаточно велика, чтобы включить антирезонанс.

Рис. 5

Зависимость эффективности поглощения от длины волны для одиночной пленки с показателем преломления n = 4,3 + 0,27i. Толщина пленки изменяется и соответствует двум первым пикам (a = 162 нм и a = 273 нм) и двум первым провалам (a = 199 нм и a = 316 нм) слева на σ¯a (a) на рис.4 (б).

3.2.

Две пленки с зеркалом

Чтобы приблизиться к реальному устройству солнечных элементов, была исследована система, состоящая из двух пленок и зеркала, как показано на рис. 1 (d). Первая пленка представляет собой непоглощающий слой с показателем преломления nI и толщиной aI. Показатель преломления nI в этом слое был установлен на 1,9, что является показателем преломления ITO на длине волны 500 нм, как показано в [5]. 19.

Чтобы оценить, как резонансы в переднем слое влияют на эффективность поглощения, были оценены два случая: (i) двухпленочная система, в которой поглощающая пленка имеет достаточно малую толщину, чтобы свет не полностью поглощался в ней. этот слой и этот резонанс могут возникать и (ii) двухпленочная система, в которой весь свет поглощается во втором слое, прежде чем он достигнет зеркала.Показатель преломления второго слоя выбран равным 4,3 + 0,1i, а толщина выбрана равной (i) 500 нм и (ii) 5000 нм.

Чтобы оценить резонансную структуру первого слоя, мы рассматриваем интеграл от абсолютного квадрата волновой функции (| ψI (x) | 2) в первой пленке согласно

уравнению. (4)

Рис. 6

(a) Эффективность поглощения представлена ​​как функция длины волны для системы, состоящей из двух пленок с зеркалом позади.Толщина первой пленки увеличена с 50 до 500 нм и имеет показатель преломления 1,9. Вторая пленка имеет толщину 500 нм и показатель преломления 4,3 + 0,1i. (b) Усредненная эффективность поглощения как функция от aI для той же системы. (в), (г) Те же графики для системы, в которой толщина поглощающего слоя составляет 5000 нм.

В случае толстого полностью поглощающего второго слоя с aa = 5000 нм наблюдается та же тенденция, что и для тонкого поглощающего слоя: рис.6 (c) и 6 (d) — графики, соответствующие рис. 6 (а) и 6 (б) соответственно, но на этот раз для случая (ii), т.е. толстого поглощающего слоя с aa = 5000 нм. На рисунке 6 (c) показана эффективность поглощения σa (λ) для случая, когда весь свет, попадающий в поглощающую пленку, поглощается. Эффективность поглощения σa (λ) менее колеблется по сравнению с соответствующими графиками для тонкой поглощающей пленки на рис. 6 (а). Причина этого в том, что в случае полного поглощения во втором слое резонансы возникают только в непоглощающем слое.На рис. 6 (г) средняя эффективность поглощения σ¯a (aI), как и прежде, показана синей линией с единицами измерения на левой оси y, а полная интенсивность волновой функции I¯I (aI) — красной линией, а на рис. единиц на правой оси y. Опять же, мы наблюдаем, что увеличенное поле в непоглощающем слое просачивается в поглощающий слой и создает повышенную эффективность поглощения.

Теперь мы более внимательно рассмотрим систему с двумя слоями и зеркалом с полностью поглощающим слоем для ситуации, когда поглощение в поглощающем слое усиливается резонансами в первом слое.Просматривая график σ¯a на рис. 6 (г) (синяя линия), мы видим, что абсорбционные свойства улучшаются при малых толщинах непоглощающего слоя. Выбираем толщину aI = 83 нм, что приводит к усилению. На рис. 7 эффективность поглощения σa (λ) представлена ​​как функция длины волны для максимума σ¯a при aI = 83 нм в виде синей линии с единицами измерения на левой оси y. Соответствующая интенсивность волновой функции II показана как функция длины волны λ в виде красной линии с единицами измерения на правой оси y.Мы видим, что эффективность поглощения σa (λ) и интенсивность волновой функции II (λ) имеют минимум и максимум в рассматриваемом диапазоне длин волн, которые могут быть исследованы в дальнейшем. Абсолютные квадраты | ψ | 2 волновых функций, которые соответствуют максимуму и минимуму, соответственно, показаны на рис. 7 (b) для непоглощающей пленки и первых 1000 нм поглощающей пленки. Длины волн волновой функции, соответствующие минимуму и максимуму, были выбраны равными (i) 305 нм, что показывает провал в σa (λ) на рис.7 (a) (синяя линия) и (ii) 610 нм, показывающий пик в σa (λ) (красная линия). Мы видим, что для случая, когда длина волны соответствует провалу σa (λ) на рис. 7 (a) (синяя линия), | ψ | 2 имеет более низкие значения в поглощающей пленке, чем для случая, когда длина волны соответствует пику на σa (λ).

Рис.7

(a) Эффективность поглощения (σa) и интеграл по абсолютному квадрату волновой функции (| ψI (x) | 2) в первой пленке (II) как функция длины волны для система, состоящая из двух пленок и зеркала сзади.Показатель преломления второй пленки составляет 4,3 + 0,1i, а толщина составляет 5000 нм, т.е. весь свет поглощается до того, как достигнет зеркала. Первая пленка имеет показатель преломления 1,9 и толщину 83 нм. Эта толщина соответствует максимуму σ¯a (aI) на рис. 6 (d). Максимум σ¯a (aI) связан с усилением поглощения в поглощающем слое. (b) Абсолютный квадрат волновой функции для системы для длины волны, соответствующей вершине и провалу на панели (a), соответственно.Волновая функция показана для непоглощающего слоя и для первых 1000 нм поглощающего слоя, толщина которого составляет 5000 нм.

3.3.

Связь резонансов непоглощающих слоев

Когда система состоит из трех слоев, двух непоглощающих слоев и поглощающего слоя, мы можем исследовать связь резонансов в двух непоглощающих слоях. Это одномерный эквивалент тонкопленочного солнечного элемента с соединением, например, наносфер на его поверхности. Связь резонансов в сферических наноструктурах на тонкопленочных солнечных элементах обсуждалась в литературе как причина увеличения поглощения в поглощающих слоях ниже. ^{5 , 6} Мы начнем с оценки того, как толщина и показатели преломления двух непоглощающих передних слоев из разных материалов влияют на поглощение в третьем, поглощающем слое. Система показана на рис. 1 (е). Что касается двухпленочных систем, мы предполагаем, что показатели преломления пленок постоянны для всех длин волн. Это сделано для того, чтобы подчеркнуть влияние толщины первых двух слоев на среднее значение эффективности поглощения σa. Толщина третьей поглощающей пленки выбирается такой, чтобы волновая функция в этой пленке полностью поглощалась.

На рис. 8 (а) показана средняя эффективность поглощения для трехпленочной системы, в которой показатели преломления слоев I, II и III на рис. 1 (е) установлены равными 1,5 (показатель преломления SiO2 при 500 нм), 1,9 (показатель преломления ITO при 500 нм) и 4,3 + 0,01i соответственно. Толщина третьего слоя установлена ​​на 5000 нм, то есть весь свет, попадающий в третий слой, поглощается. Толщина двух первых слоев в системе варьировалась от 50 до 1000 нм для оптимизации толщины двух пленок с точки зрения эффективности поглощения третьей пленки.На рис. 8 (а) показаны значения σ¯a для различных комбинаций толщин двух первых слоев. Мы рассматриваем диапазон длин волн от 250 до 1000 нм. На рис. 8 (б) показаны соответствующие результаты для той же системы с повышенным показателем преломления второго слоя. Показатели преломления слоев I, II и III теперь установлены на 1,5, 2,5 и 4,3 + 0,01i соответственно. Как и раньше, диапазон длин волн оценивается в диапазоне от 250 до 1000 нм. Толщина двух первых слоев изменяется от 50 до 1000 нм, а толщина третьего слоя составляет 5000 нм.Сравнение рис. 8 (a) и 8 (b) показывает, что в случае, когда два первых слоя имеют относительно близкие показатели преломления, узор на тепловой карте представляет собой узор с перекосом сетки, а на рис. 8 (b) сетку без перекоса узор получается. Когда показатели преломления двух первых слоев находятся на одинаковом уровне, резонансы совпадают, и структура сетки искажается. В случае, когда разница между показателями преломления в двух слоях велика, резонансы в слоях не зависят друг от друга, и сетка σ¯a не искажается.

Рис. 8

Средняя эффективность поглощения, σ¯a, для трехслойной системы, как показано на рис. 1 (e), отображается в виде тепловой карты для различных толщин двух первых непоглощающих слоев. Толщина двух первых слоев варьировалась от 50 до 1000 нм. Толщина третьего слоя поддерживалась постоянной и составляла 5000 нм. Показатели преломления слоев: (а) nI = 1,5 (показатель преломления SiO2 на 500 нм), nII = 1,9 (показатель преломления ITO на 500 нм) и nIII = 4,3 + 0,01i (где действительная часть nIII — действительная часть показателя преломления Si на длине волны 500 нм, а мнимая часть nIII выбрана так, чтобы весь свет, попадающий в поглощающую пленку, поглощался.(b) Показатели преломления даны как nI = 1,5, nII = 2,5 (выбраны существенно выше nI) и nIII = 4,3 + 0,01i. Исследуемый диапазон длин волн составляет от 250 до 1000 нм.

Для дальнейшей оценки связи резонансов мы рассмотрим трехслойную систему, показанную на рис. 1 (f), в которой первый и третий слои являются непоглощающими слоями, а второй слой — поглощающим слоем. Заднее зеркало удалено, чтобы избежать эффекта увеличения σa, вызванного тем, что весь свет перемещается вперед и назад в третьей пленке.

На рис. 9 (a) и 9 (b) усредненная эффективность поглощения σ¯a показана в виде тепловой карты как функция толщины непоглощающих слоев aI и aIII. Для системы на рис. 9 (а) показатели преломления слоев I, II и III, как и раньше, не зависят от длины волны и установлены на 1,9, 4,3 + 0,1i и 1,5 соответственно. Толщина поглощающего слоя 500 нм.

Рис. 9

(а), (б) Тепловая карта усредненной эффективности поглощения σ¯a для трехпленочной системы [см. Рис.1 (f)]. Усредненная эффективность поглощения σ¯a показана как функция толщины первого и третьего слоев aI и aIII. Показатели преломления слоев: (а) nI = 1.9, na = 4.3 + 0.01i, nIII = 1.5 и (б) nI = 1.9, na = 4.3 + 0.01i и nIII = 1.9 соответственно. Толщина второго слоя 500 нм. (в) Средняя эффективность поглощения σ¯a как функция aI для двух- (синяя линия) и трехпленочной (красная линия) систем. Для обеих систем показатель преломления первого слоя установлен на 1.9, а для второго слоя — 4,3 + 0,1. Толщина второго слоя 500 нм. Для трехпленочной системы третья пленка имеет показатель преломления 1,9 и толщину 350 нм. (d) σa (λ) для тех же систем, что и в (c), когда толщина первого слоя составляет 350 нм.

На рис. 9 (б) параметры системы идентичны ситуации, показанной на рис. 9 (а), за исключением того, что показатель преломления третьего слоя установлен на 1,9, то есть показатели преломления двух непоглощающих слои идентичны.Следовательно, ожидается, что резонансы в двух непоглощающих слоях возникают при одинаковых толщинах и длинах волн.

Картины сетки, представленные на рис. 9 (а) и 9 (б) показывают, что оба слоя влияют на σ¯a. Но различия более заметны при изменении толщины первого слоя, чем третьего.

Синяя линия на рис. 9 (c) показывает усредненную эффективность поглощения σ¯a как функцию толщины первого слоя в двухпленочной системе (без заднего бокового зеркала), т.е.е., nIII = 1 в системе, показанной на рис. 1 (е). Показатель преломления первого слоя равен 1,5, показатель преломления второго слоя na = 4,3 + 0,1i, а толщина второго слоя составляет 500 нм. Красная линия показывает усредненную эффективность поглощения σ¯a как функцию aI для эквивалентной трехпленочной системы, в которой показатель преломления третьего слоя nIII = 1.9, а толщина третьей пленки aIII = 350 нм. На рис. 9 (d) эффективности поглощения σa (λ) для двух- и трехпленочных систем сравниваются в зависимости от λ.Для обеих систем первые два слоя идентичны с толщиной и показателями преломления, установленными на 350 и 500 нм и nI = 1,9 и na = 4,3 + 0,1i, соответственно. Для трехпленочных систем показатель преломления и толщина третьей пленки nIII = 1.9 и 350 нм соответственно. Оба рис. 9 (c) и 9 (d) показывают, что двухпленочная система имеет более высокую эффективность поглощения, чем соответствующая трехслойная система с aIII = 350 нм. Это указывает на то, что связь резонансов в этом случае не имеет никакого эффекта усиления.

Чтобы вернуться к системе, которая ближе к реальному устройству солнечных элементов, система на рис. 1 (g) была оценена для дальнейшего описания эффекта связи в случае наличия заднего бокового зеркала. Показатели преломления были выбраны, как указано выше, и трехслойная система сравнивалась с эквивалентной двухслойной системой, в которой третий слой удален, как показано на рис. 1 (d). На рисунках 10 (a) и 10 (b) показано усредненное сечение поглощения как функция толщины непоглощающих слоев aI и aIII.Толщина поглощающего среднего слоя составляет 500 нм. Показатели преломления выбраны как nI = 1,9, na = 4,3 + 0,1i и nIII = 1,5 для результатов, показанных на рис. 10 (a), и как nI = 1,9, na = 4,3 + 0,1i и nIII = 1,9 для результаты показаны на рис. 10 (б). Заметим, что максимум σ¯a больше, чем для системы без зеркала (рис. 9). Это происходит из-за того, что свет отражается от зеркала на задней стороне, что фактически удваивает эффективную толщину поглощающего слоя. Далее мы наблюдаем ту же тенденцию, которую мы обсуждали для рис.9: добавление третьего слоя с таким же показателем преломления, который, как ожидается, приведет к связи резонансов, не увеличивает σ¯a.

Рис. 10

(a), (b) Тепловая карта усредненной эффективности поглощения σ¯a для трехпленочной системы с задним зеркалом (см. Рис. 1 (g)). Усредненная эффективность поглощения σ¯a показана как функция толщины первого и третьего слоев aI и aIII. Показатель преломления слоев равен (а) nI = 1,9, nII = 4,3 + 0,01i и nIII = 1.5 и (б) nI = 1.9, nII = 4.3 + 0.01i и nIII = 1.9 соответственно. Толщина второго слоя 500 нм. (в) Средняя эффективность поглощения σ¯a как функция aI для двухпленочной системы (синяя линия) и трехпленочной системы (красная линия). Для обеих систем показатель преломления первого слоя установлен равным 1,9, а для второго слоя — 4,3 + 0,1. Толщина второго слоя 500 нм. Для трехпленочной системы третья пленка имеет показатель преломления 1,9 и толщину 350 нм. (d) σa (λ) для тех же систем, что и в (c), в которых толщина первого слоя составляет 350 нм.

Синяя линия на рис. 10 (c) показывает усредненную эффективность поглощения σ¯a как функцию толщины первого слоя в двухпленочной системе [показанной на рис. 1 (d)]. Показатель преломления первого слоя равен 1,5, показатель преломления второго слоя na = 4,3 + 0,1i, а толщина второго слоя составляет 500 нм. Красная линия показывает усредненную эффективность поглощения σ¯a как функцию aI для эквивалентной трехпленочной системы, в которой показатель преломления третьего слоя nIII = 1.9, а толщина третьей пленки aIII = 350 нм. Мы видим, что при наличии заднего зеркала третья пленка уменьшает σ¯a. Это та же тенденция, что мы наблюдали для случая без зеркала. По сравнению с системой без зеркала на задней стороне на рис. 9 (c), σ¯a меньше уменьшается в системе с зеркалом на задней стороне.

На рис. 10 (d) эффективности поглощения σa (λ) как функция от λ сравниваются для двух- и трехпленочных систем. Толщина и показатели преломления двух первых слоев установлены равными 350 и 500 нм, а nI = 1.9 и na = 4.3 + 0.1i соответственно для обеих систем. Для трехпленочных систем показатель преломления и толщина третьей пленки nIII = 1.9 и 350 нм соответственно. Если волновая функция оценивается в точке с пиком σa (λ) для двухпленочной системы на рис. 10 (d), например, 769 нм, мы увидим, что | ψ | 2 выше для двухпленочной системы. пленочная система, чем для трехслойной системы. Противоположное будет наблюдаться при выборе длины волны, которая соответствует пику в трехпленочной системе, например.г., 732 нм. Это показано на рис. 15.

Как предсказывается формулой. Согласно (3) эффективность поглощения увеличивается, когда поле в поглощающем материале увеличивается. Из рис. 10 (c) мы узнаем, что двухпленка дает более высокую среднюю эффективность поглощения. Однако, как показано на рис. 10 (d), эффективность поглощения зависит от длины волны.

Однако в результате связь резонансов в тонких пленках в целом не увеличивает эффективность поглощения. Это видно как для двух-, так и для трехслойных систем с зеркалом и без него на рис.9 и 10 соответственно.

3.4.

Оптимизация поглощения тонкопленочных солнечных элементов

В этом разделе мы демонстрируем, как учет резонансов в тонкопленочных системах может помочь оптимизировать экспериментально реализуемые солнечные элементы. Мы рассматриваем систему, показанную на рис. 11 (b), которая является упрощением пятислойного эпитаксиального кристаллического кремниевого солнечного элемента, оптически тонкого, как показано на рис. 11 (a). ¹⁹ Экспериментально реализованная система состоит из трех различных материалов: ITO, аморфный кремний и кристаллический кремний.Два кремниевых слоя состоят из одного p-легированного и одного n-легированного слоя, как показано на рисунке. Чтобы упростить систему, мы рассматриваем аморфный кремний как один слой с одним и тем же зависящим от длины волны показателем преломления. То же предположение используется для кристаллического кремния. Эффективность поглощения рассчитывается по формуле. (2). Показатель преломления трех используемых слоев определяется экспериментально. ^{21 — 23} Оценивая эффективность поглощения для различных вариантов толщины трех слоев, система может быть оптимизирована для поглощения как можно большего количества излучения.Для расчета σ¯a спектры взвешиваются по солнечному спектру AM1.5.

Рис. 11

(a) Многослойный тонкопленочный солнечный элемент, состоящий из пяти тонких слоев и зеркала. Этот солнечный элемент был экспериментально реализован ¹⁹ и состоит из ITO, n- и p-легированного аморфного и кристаллического кремния. На модели показаны толщины слоев экспериментально реализованной системы. (б) Система упрощена до трехслойной системы с зеркалом. ⁹ Система была упрощена за счет замены слоев с различным легированием одним единственным слоем с экспериментально определенным показателем преломления. ^{21 — 23} n0 указывает показатель преломления вакуума и задается как n0 = 1. За слоями различных материалов находится идеальное зеркало. Для оптимизации системы меняют толщину трех слоев. Результат показан на рис. 12.

Система на рис. 11 (б) оценивается для нескольких толщин слоев.Средняя эффективность поглощения σ‾a показана для систем с толщиной пленки c-Si, равной 0,5, 2, 8, 32, 100 и 200 мкм на рис. 12. Толщина двух первых слоев варьируется от 20 до 500. нм. Как видно на рис. 12, некоторые комбинации толщин двух первых слоев дают более высокие значения σ¯a, чем другие.

Рис. 12

Средняя эффективность поглощения σ¯a для трехпленочной системы с такими же материалами, как показано на рис. 11 (b), с экспериментально определенными показателями преломления. ^{21 — 23} Толщина двух первых слоев варьируется от 20 до 500 нм. Толщина слоя c-Si составляет 0,5, 2, 10, 30, 100, 200 и 300 мкм соответственно. Исследуемый диапазон длин волн составляет от 250 до 1000 нм. Спектры взвешены по солнечному спектру AM1.5. ²⁴

Как показано на рисунке 12, 60 и 150 нм являются оптимальной толщиной для первого и второго слоев соответственно. Поэтому мы устанавливаем толщину первого и второго слоев равной 60 и 150 нм и меняем толщину третьего слоя.Постоянно увеличивая толщину третьего слоя с 0,5 до 100 мкм, выводы гл. 3.2 подтверждены. Когда толщина слоя преобразования энергии увеличивается, средняя эффективность поглощения σ¯a стабилизируется на определенном значении. Это показано на рис. 13, где средняя эффективность поглощения σ¯a показана как функция толщины третьего слоя, когда спектры взвешиваются по солнечному спектру AM1.5. ²⁴ Мы видим, что σ¯a стабилизируется на максимальном значении приблизительно σ¯a = 0.5. Стабилизация происходит при толщине третьего слоя ~ 50 мкм. Для большей толщины не может быть получено дальнейшего увеличения поглощения слоя c-Si. Дальнейшее исследование стоимости материала в зависимости от эффективности поглощения необходимо, чтобы решить, является ли толщина 50 мкм оптимальной, поскольку толщина слоя c-Si около 20 мкм близка к оптимальному значению для средней эффективности поглощения σ¯ а.

Рис. 13

Средняя эффективность поглощения σ¯a как функция толщины слоя c-Si.Система эквивалентна системе, показанной на рис. 11 (b), с толщиной ITO и a-Si, установленной на 60 и 150 нм, соответственно. Кроме того, толщина слоя c-Si, dc-Si, увеличивается с 0,5 до 200 мкм. Показатели преломления слоев определены экспериментально. ^{21 — 23} Спектры взвешены по солнечному спектру AM1.5. ²⁴

4.

Обсуждение

Результаты, представленные в разд. 3.1 показывают, что при изменении мнимой части показателя преломления поглощающего материала изменяется резонансная структура эффективности поглощения и поглощающие свойства материала.Для большой мнимой части показателя преломления все излучение, попадающее в поглощающий материал, поглощается до того, как достигнет задней границы или зеркала. Поэтому стоячие волны не возникают в поглощающем материале для большой мнимой части показателя преломления. Можно предположить, что увеличение мнимой части показателя преломления приводит к увеличению эффективности поглощения. Однако, как подтверждается уравнениями Френеля, ¹⁴ отражение от поверхности поглощающей пленки увеличивается, когда мнимая часть показателя преломления увеличивается.Следовательно, в поглощающий материал передается меньше излучения, что приводит к более низкому поглощению. Как показано на фиг. 2 (d) и 2 (f) показывают, что существует оптимальный размер мнимой части показателя преломления поглощающего материала, при этом волновая функция просто полностью поглощается, прежде чем она достигнет зеркала. Поскольку мы рассматриваем среднюю эффективность поглощения для всего диапазона длин волн, это условие оптимальной мнимой части показателя преломления достигается, когда стоячая волна в поглощающем материале просто исчезает для малых длин волн, в то время как она присутствует для больших длин волн (это показано в Приложении).При исследовании поглощающих свойств пленочной системы в зависимости от толщины поглощающей пленки мы наблюдаем, что поглощение увеличивается с увеличением толщины поглощающего слоя до тех пор, пока не будет достигнут максимум, и остается постоянным для большей толщины. Прежде чем мы достигнем этой точки, средняя эффективность поглощения σ‾a колеблется, как показано на рис. 4. Пики колебательной картины соответствуют толщине поглощающего материала, который включает новый резонанс, а провалы соответствуют толщине поглощающий материал, включающий новый антирезонанс.Этот механизм потенциально может быть использован для повышения эффективности поглощения тонкопленочных солнечных элементов в желаемом диапазоне длин волн. В общем, мы видим, что поглощение в поглощающем слое усиливается за счет резонансов в непоглощающем материале, которые приводят к усилению поля в поглощающем материале. Это показано в разд. 3.2. В этом разделе мы также узнаем, что резонанс в эффективности поглощения следует той же тенденции, что и усредненный интеграл по непоглощающей пленке. Увеличение интеграла по абсолютному квадрату волновой функции сопровождается увеличением σa (λ).

При рассмотрении системы, состоящей из трех слоев, мы обнаруживаем, что важно сначала исследовать все комбинации толщин первых двух слоев, чтобы оптимизировать толщину. Затем находится оптимальная толщина третьего слоя, при котором волновая функция просто полностью поглощается.

Трехпленочная система без зеркала также рассматривается для оценки эффекта связи между двумя непоглощающими пленками на каждой стороне поглощающей пленки. Из фиг. 9 (а) и 9 (б), мы заключаем, что в основном резонансы в переднем слое влияют на усредненную эффективность поглощения σ¯a.Если сравнить двух- и трехпленочные системы без заднего зеркала на рис. 9 (c) и 9 (d), мы наблюдали, что эффективность поглощения была ниже для трехпленочной системы. Это можно понять, если учесть, что показатель преломления изменяется на границе. Показатель преломления в третьей пленке ближе к показателю преломления воздуха снаружи, что приводит к тому, что больше света пропускается из системы. Это ожидается из уравнений Френеля. Далее мы исследовали трехслойную систему с поглощающим слоем в середине и зеркалом на задней стороне, чтобы избежать утечки излучения из третьей пленки наружу.Поразительно, но и в случае трехпленочной системы с зеркалом на задней стороне эффективность поглощения не увеличилась по сравнению с соответствующей двухслойной системой без третьего непоглощающего слоя. Результаты показаны на рис. 10. Это указывает на то, что связь резонансов сама по себе не является механизмом, который увеличивает эффективность поглощения солнечных элементов в слоистой системе. Связь резонансов была предложена как механизм усиления резонанса в тонкопленочных солнечных элементах с поверхностной структурой. ^{5 , 6} Следовательно, мы могли бы ожидать, что, когда сферы встроены в материал, преобразующий энергию, ²⁵ , это скорее усиление поля из-за резонансов в каждой сфере, чем связь резонансов, которая приведет к усилению абсорбции.

в сек. 3.4 исследуются эффективности поглощения для экспериментально реализуемых тонкопленочных солнечных элементов. В качестве шаблона использовался экспериментально реализованный солнечный элемент, а в системе использовались зависящие от длины волны, экспериментально определенные показатели преломления.Наблюдения были сопоставимы с результатами, полученными в разд. 3.1, в котором исследуются системы с независимыми от длины волны показателями преломления.

Во всех рассмотренных системах исследовалась средняя эффективность поглощения σ¯a. Важно отметить, что σ¯a изменяется при изменении диапазона длин волн. Поэтому очень важно оптимизировать систему в соответствии с правильным диапазоном длин волн. В нашем исследовании представлены результаты, кроме разд. 3.4, не были взвешены с солнечным спектром.Если эффективность поглощения умножается на солнечный спектр, получается скорость оптической генерации ^{9 , 12} .

Наша модель точна для ситуаций с когерентным светом, что является обычным допущением для моделирования тонкопленочных солнечных элементов, в которых толщина пленок меньше длины волны когерентности. ²⁶ Солнечный свет, однако, некогерентен, поэтому предположение о когерентном свете в нашей модели не строго применимо к случаю некогерентного солнечного света.Действительно, известно, что существует разница в эффективности преобразования между освещением когерентным и некогерентным светом. ²⁷ Поскольку площадь пространственной когерентности солнечного света составляет около 60 мкм × 60 мкм, ²⁸ и резонансные поверхностные структуры солнечных элементов имеют порядок микрона, эффектами пространственной когерентности можно пренебречь. Однако, поскольку длина временной когерентности солнечного света составляет около 600 нм, ²⁹ , а толщина наших пленок примерно такого же порядка, временной некогерентностью солнечного света нельзя пренебрегать.Поэтому, хотя наши результаты являются строгими для когерентного падающего света, мы должны быть осторожны при использовании этих результатов, чтобы делать прогнозы для случая некогерентного солнечного света. С другой стороны, существует двухэтапный метод, который принимает результаты когерентных вычислений в качестве входных данных для этапа свертки, который затем получает эффективность преобразования для некогерентного освещения непосредственно из когерентного входа. ^{27 , 30} Таким образом, представленные здесь результаты являются первым шагом в этом двухэтапном процессе.Исследование наших систем на использование некогерентного света выходит за рамки данного исследования и будет рассмотрено в последующих работах.

Для монохроматического света наши результаты показывают, что оптимальная эффективность преобразования достигается, когда слои перед материалом, преобразующим энергию, имеют примерно такой же размер, как длина когерентности естественного солнечного света. ²⁹ Следовательно, можно было ожидать резонансов в первых слоях. Кроме того, мы показываем, что оптимально, чтобы материал, преобразующий энергию, имел такую ​​толщину, чтобы волновая функция полностью поглощалась, прежде чем она достигнет зеркала.В этих случаях у нас не будет резонансов в ближайшем к зеркалу слое. Мы ожидаем, что эти предсказания, основанные на когерентной монохроматической модели, будут надежными и будут выполняться в случае освещения некогерентным светом.

Наша модель оценивает только оптические свойства системы. Эффекты, связанные с убытками, кроме отражения, не включаются.