ВЛИЯНИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ ПЛАЗМОННЫХ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАНОЧАСТИЦ НА ПРОСВЕТЛЯЮЩИЕ СВОЙСТВА ОДНОРОДНЫХ ПОКРЫТИЙ ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИХ КРЕМНИЕВЫХ СТРУКТУР

Предмет исследования. Проведен теоретический анализ эффективности просветляющих покрытий на основе плазмонных серебряных (Ag) и диэлектрических кремниевых (Si) наночастиц для фотовольтаических кремниевых структур. Резонансные свойства таких частиц в оптическом диапазоне обусловливают увеличение эффективности поглощения света в активном слое кремниевых элементов. Особенностью рассматриваемой структуры является сочетание в одном композиционном слое функции электрического контакта и просветляющего покрытия. Метод. Расчеты выполнены в пакете CST Microwave Studio с использованием метода конечных разностей в частотном режиме (FDFD). Оптические параметры материалов задавались согласно экспериментально измеренным данным. В расчете варьировались геометрические параметры композитного слоя: размеры и расположение частиц. Выполнено сравнение эффективности поглоще- ния света с применением различных вариантов покрытия: оксид индия-олова (ITO), ITO со сферическими наночастицами, расположенными на поверхности ITO, ITO со сферическими наночастицами, расположенными на поверхности активного слоя. Исследованы разреженные решетки частиц с радиусами от 15 до 80 нм. Частицы таких размеров обладают преимущественно дипольными резонансными откликами. Основные результаты. Расчетным путем показано, что внедрение наночастиц в покрытие приводит к существенному искажению спектра поглощения в диапазоне длин волн 300–800 нм и появлению на нем резонансных особенностей. Последнее связывается нами с резонансными свойствами наночастиц. Показано, что резонансный отклик частиц, располагающихся на поверхности ITO, сходен с откликом свободных частиц. При этом на резонансных частотах происходит резкое уменьшение поглощения света в активном слое. Резонансный отклик наночастиц, расположенных в объеме слоя ITO, значительно отличается от отклика сво- бодных частиц: уменьшается резонансная частота, снижается добротность. Показано, что при увеличении размера Ag- и Si-наночастиц, располагающихся на поверхности ITO, происходит уменьшение интегрального поглощения до 25%. Для Ag-частиц, располагающихся в объеме ITO, характерно монотонное уменьшение интегрального поглощения до 30% при уменьшении их размера. Максимальное влияние на интегральный показатель поглощения оказывают Si-частицы размером 50 нм. Практическая значимость. Результаты работы могут быть полезны для понимания физики работы просветляющих композиционных покрытий с включением наночастиц и использованы разработчиками солнечных кремниевых элементов

1. Raut H.K., Ganesh V.A., Nair A.S., Ramakrishna S. Anti-reflective coatings: a critical, in-depth review // Energy and Environmental Science. 2011. V. 4. N 10. P. 3779–3804. doi: 10.1039/c1ee01297e
2. Catchpole K.R., Polman A. Plasmonic solar cells // Optics Express. 2008. V. 16. N 26. P. 21793–21800. https://doi.org/ 10.1364/OE.16.021793
3. Atwater H.A., Polman A. Plasmonics for improved photovoltaic devices // Nature Materials. 2010. V. 9. N 3. P. 205–213. doi: 10.1038/nmat2629
4. Brongersma M.L., Cui Y., Fan S. Light management for photovoltaics using high-index nanostructures // Nature Materials. 2014. V. 13. N 5. P. 451–460. doi: 10.1038/nmat3921
5. Barnes W.L., Dereux A., Ebbesen T.W. Surface plasmon subwavelength optics // Nature. 2003. V. 424. N 6950. P. 824–830. doi: 10.1038/nature01937
6. Novotny L., Hecht B. Principles of Nano-Optics. Cambridge University Press, 2006. 539 p.
7. Evlyukhin A.B., Novikov S.M., Zywietz U., Eriksen R.L., Reinhardt C., Bozhevolnyi S.I., Chichkov B.N. Demonstration of magnetic dipole resonances of dielectric nanospheres in the visible region // Nano Letters. 2012. V. 12. N 7. P. 3749–3755. doi: 10.1021/nl301594s
8. Kerker M., Wang D.-S., Giles C.L. Electromagnetic scattering by magnetic spheres // Journal of the Optical Society of America. 1983. V. 73. N 6. P. 765–767.
9. Person S., Jain M., Lapin Z., Saenz J.J., Wicks G., Novotny L. Demonstration of zero optical backscattering from single nanoparticles // Nano Letters. 2013. V. 13. N 4. P. 1806–1809. doi: 10.1021/nl4005018
10. Ferry V.E., Munday J.N., Atwater H.A. Design considerations for plasmonic photovoltaics // Advanced Materials. 2010. V. 22. N 43. P. 4794–4808. doi: 10.1002/adma.201000488
11. Akimov Y.A., Koh W.S., Sian S.Y., Ren S. Nanoparticle-enhanced thin film solar cells: Metallic or dielectric nanoparticles? // Applied Physics Letters. 2010. V. 96. N 7. Art. 073111. doi: 10.1063/1.3315942
12. Van De Groep J., Polman A. Designing dielectric resonators on substrates: combining magnetic and electric resonances // Optics Express. 2013. V. 21. N 22. P. 26285–26302. doi: 10.1364/OE.21.026285
13. Ernst K., Belaidi A., Konenkamp R. Solar cell with extremely thin absorber on highly structured substrate // Semiconductor Science and Technology. 2003. V. 18. N 6. P. 475–479. doi: 10.1088/0268-1242/18/6/314
14. Nelson J. The Physics of Solar Cells. London, Imperial College Press, 2003. 384 p.
15. Aspnes D.E., Studna A.A. Dielectric functions and optical parameters of Si, Ge, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, and InSb from 1.5 to 6.0 eV // Physical Review B. 1983. V. 27. N 2. P. 985–1009. doi: 10.1103/PhysRevB.27.985
16. Johnson P.B., Christy R.W. Optical constants of the noble metals // Physical Review B. 1972. V. 6. N 12. P. 4370–4379. doi: 10.1103/PhysRevB.6.4370
17. Konig T.A.F., Ledin P.A., Kerszulis J., Mahmoud M.A., El-Sayed M.A., Reynolds J.R., Tsukruk V.V. Electrically tunable plasmonic behavior of nanocube-polymer nanomaterials induced by a redox-active electrochromic polymer // ACS Nano. 2014. V. 8. N 6. P. 6182–6192. doi: 10.1021/nn501601e
18. Stutenbaumer U., Mesfin B., Beneberu S. Determination of the optical constants and dielectric functions of thin film a-Si:H solar cell layers // Solar Energy Materials and Solar Cells. 1999. V. 57. N 1. P. 49–59.
19. Raut H.K., Ganesh V.A., Nair A.S., Ramakrishna S. Anti-reflective coatings: a critical, in-depth review // Energy and Environmental Science. 2011. V. 4. N 10. P. 3779–3804. doi: 10.1039/c1ee01297e
20. Spinelli P., Verschuuren M.A., Polman A. Broadband omnidirectional antireflection coating based on subwavelength surface Mie resonators // Nature Communications. 2012. V. 3. Art. 692. doi: 10.1038/ncomms1691 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License