ペロブスカイト太陽電池におけるフォトンおよびプラズモン誘起光収集のためのテーパード同軸アレイ。A Theoretical Investigation Using the Finite Element Method

Tapered Coaxial Arrays for Photon- and Plasmon-Enhanced Light Harvesting in Perovskite Solar Cells: A Theoretical Investigation Using the Finite Element Method.

• Ming Chen
• Tailin Xue
• Qingwen Tian
• Zhuo Xu
• Shengzhong Frank Liu

抄録

ペロブスカイト太陽電池（PSC）の効率向上のために，光子とプラズモンを増強した光捕集を別々に研究した報告はあるが，PSCにおいて光子とプラズモンの両方の効果を同時に増強した例はない。本研究では，PSCにおいて両方を収穫するために，テーパー状の同軸ハンプ（TCH）の層を設計した。PSCにおけるテクスチャー付きペロブスカイト層の光吸収挙動を、有限要素法（FEM）を用いて系統的に調べた。その結果，AM1.5Gの太陽電池では，TCHを含むペロブスカイト層は可視光を67.6%吸収し，TCHを含まない平面型リファレンスセルと比較して21.8%増加したことがわかった。この設計では、通常はTCHなしで300nmの厚さのペロブスカイトを必要とする完全な光吸収を、わずか106nmの厚さで実現することができる。光吸収の促進のメカニズムを明らかにするために、比誘電率の分布を調べた。その結果，異なるフォトニックモードとプラズモニックモードを組み合わせることで，500～800nmの波長領域で顕著な光吸収の向上が得られることがわかった。今回報告されたテクスチャ付きPSCは，Pbベースのペロブスカイトの消費量を減らし，角度に依存しない極薄PSCを実現するための効果的な方法を提供するものである。

Although there have been reports of separate studies of photon-enhanced and plasmon-enhanced light harvesting to improve perovskite solar cell (PSC) efficiency, there are none that have achieved simultaneous enhancement in both photonic and plasmonic effects in PSCs. In this work, we designed a layer of tapered coaxial humps (TCHs) to harvest both in PSCs. The light absorption behavior of the textured perovskite layer in PSCs was systematically investigated through the finite element method (FEM). The calculation results show that the TCH-textured perovskite layer absorbs 67.6 % of visible light under AM 1.5G solar irradiation, a 21.8 % increase relative to the planar reference cell without TCHs. Using this design, a perovskite thickness of only 106 nm is needed to realize the full light absorption that normally requires 300-nm-thick perovskite without TCHs. To reveal the mechanism of light absorption enhancement, the specific field distributions were studied. We demonstrated that different photonic modes and plasmonic modes collectively result in remarkable light absorption enhancement in the 500-800 nm wavelength range. The textured PSCs reported herein provide an effective method to decrease Pb-based perovskite consumption and realize angle-insensitive and ultrathin PSCs.

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