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Plasmon-enhanced parabolic nanostructures for broadband absorption in ultra-thin crystalline Si solar cells

材料科学 吸收(声学) 等离子体子 光电子学 等离子太阳电池 表面等离子共振 纳米结构 能量转换效率 光学 表面等离子体子 太阳能电池 时域有限差分法 抛物线 太阳能电池效率 纳米颗粒 纳米技术 聚合物太阳能电池 复合材料 物理
作者
Yeasin Arafat Pritom,Dipayon Kumar Sikder,Sameia Zaman,Mainul Hossain
出处
期刊:Nanoscale advances [Royal Society of Chemistry]
卷期号:5 (18): 4986-4995 被引量:7
标识
DOI:10.1039/d3na00436h
摘要

Sub-wavelength plasmonic light trapping nanostructures are promising candidates for achieving enhanced broadband absorption in ultra-thin silicon (Si) solar cells. In this work, we use finite-difference time-domain (FDTD) simulations to demonstrate the light harvesting properties of periodic and parabola shaped Si nanostructures, decorated with metallic gold (Au) nanoparticles (NPs). The active medium of absorption is a 2 μm thick crystalline-silicon (c-Si), on top of which the parabolic nanotextures couple incident sunlight into guided modes. The parabola shape provides a graded refractive index profile and high diffraction efficiencies at higher order modes leading to excellent antireflection effects. The Au NPs scatter light into the Si layer and offer strong localized surface plasmon resonance (LSPR) resulting in broadband absorption with high conversion efficiency. For wavelengths (λ) ranging between 300 nm and 1600 nm, the structure is optimized for maximum absorption by adjusting the geometry and periodicity of the nanostructures and the size of the Au NPs. For parabola coated with 40 nm Au NPs, the average absorption enhancements are 7% (between λ = 300 nm and 1600 nm) and 28% (between λ = 800 nm and 1600 nm) when compared with bare parabola. Furthermore, device simulations show that the proposed solar cell can achieve a power conversion efficiency (PCE) as high as 21.39%, paving the way for the next generation of highly efficient, ultra-thin and low-cost Si solar cells.

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