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薄膜シリコンフォトニック結晶におけるランバティアン限界を超えた広帯域太陽吸収の実験的実証
Experimental demonstration of broadband solar absorption beyond the lambertian limit in certain thin silicon photonic crystals.
PMID: 32678229 DOI: 10.1038/s41598-020-68704-w.
抄録
薄膜結晶シリコン太陽電池アーキテクチャにおける31％の太陽-電力変換効率のタンタライジング可能性は、本質的にランバティアン光トラップ限界をはるかに超えた太陽吸収に依存している（Bhattacharya and John in Nat Sci Rep 9:12482, 2019）。これまで、太陽電池アーキテクチャは、広い太陽スペクトルにわたって統合された上記のランベルティアン太陽吸収を示していませんでした。本研究では、300～1,200nmの波長帯全体にわたって統合されたランベルチアン光吸収を超える2種類のフォトニック結晶(PhC)太陽電池アーキテクチャを実験的に実証する。これらの測定結果は、理論的に予測されていた、長寿命、遅光モード、平行-界面屈折に伴う波動干渉に基づく光共振を確認した。これらの現象は、光線光学の領域を超えたものです。厚さ10μmのPhCを用いて、格子定数a=2,500nmの逆ピラミッド型PhCとa=1,200nmのティピー型PhCの2種類のPhCを用いて、λ=950-1,200nmのランバート限界をはるかに超える太陽吸収を観測した。我々の吸収測定値は、AM1.5G照明下、入射角4度での最大到達光電流密度(MAPD)に対応しており、逆ピラミッドとティピーPhCでは、それぞれ41.29mA/cmと41.52mA/cmであり、波動光学と数値シミュレーションの結果と一致している。これらの値はいずれも、300-1,200nm帯での太陽吸収のための10μm厚シリコンのランバティアン限界に対応するMAPD(=39.63mA/cm)を超えている。
The tantalizing possibility of 31% solar-to-electric power conversion efficiency in thin film crystalline silicon solar cell architectures relies essentially on solar absorption well beyond the Lambertian light trapping limit (Bhattacharya and John in Nat Sci Rep 9:12482, 2019). Up to now, no solar cell architecture has exhibited above-Lambertian solar absorption, integrated over the broad solar spectrum. In this work, we experimentally demonstrate two types of photonic crystal (PhC) solar cells architectures that exceed Lambertian light absorption, integrated over the entire 300-1,200 nm wavelength band. These measurements confirm theoretically predicted wave-interference-based optical resonances associated with long lifetime, slow-light modes and parallel-to-interface refraction. These phenomena are beyond the realm of ray optics. Using two types of 10-μm thick PhC's, first an Inverted Pyramid PhC with lattice constant a = 2,500 nm and second a Teepee PhC with a = 1,200 nm, we observe solar absorption well beyond the Lambertian limit over λ = 950-1,200 nm. Our absorption measurements correspond to the maximum-achievable-photocurrent-density (MAPD), under AM1.5G illumination at 4-degree incident angle, 41.29 and 41.52 mA/cm for the Inverted Pyramid and Teepee PhC, respectively, in agreement with wave-optics, numerical simulations. Both of these values exceed the MAPD (= 39.63 mA/cm) corresponding to the Lambertian limit for a 10-μm thick silicon for solar absorption over the 300-1,200 nm band.