Design of highly efficient nanoparticle assisted antireflection coatings for solar cells

Singh, Bhaskar GND

Solarzellen erleiden Effizienzverluste aufgrund der Reflexion des einfallenden Sonnenlichts an der Vorderseite. Um diesen Verlust zu verringern, wird üblicherweise eine Antireflexbeschichtung (ARC) verwendet. Die konventionelle Dünnschicht-ARC in der Solarzelle ist jedoch im Allgemeinen für eine einzige Wellenlänge bei normalem Einfallswinkel (AOI) optimiert. Im Gegensatz dazu empfängt eine feststehende Solarzelle auf dem Dach das Sonnenlicht über einen breiten Bereich von AOI, was zu einem unerwünschten Verlust von Lichtphotonen führt. Um dieses Problem zu lösen, wurden Nanopartikel (NPs) vorgeschlagen, die das Sonnenlicht streuen. Die Streuung und Absorption in metallischen NPs (Ag, Au, Cu und Al) wird stark von ihrer Struktur, Größe und Materialzusammensetzung, dem Wirtsmedium und dem Volumenanteil der NPs im Medium selbst beeinflusst. Die metallischen NPs streuen das Sonnenlicht effizient bei der Resonanzwellenlänge. Ein analytischer Rahmen, der auf der Transfer-Matrix-Methode (TMM) und der Mie-Theorie basiert, wurde in dieser Doktorarbeit verwendet, um die Streueigenschaften von MetallNPs zu untersuchen und zu optimieren. Diese Simulationsstudie ermöglicht auch den Leistungstransfer von der Metall-NPs-Schicht in eine Substratschicht. Eine vergleichende Analyse zwischen der Leistung von NPs und der blanken Substratschicht ergab, dass Strukturen auf NPs-Basis, die eine hohe Rückstreuung aufweisen, an der Vorderseite nicht für eine hohe Leistungsübertragung in der Substratschicht geeignet sind. Außerdem zeigen Al - und Ag - NPs eine hohe Strahlung in der Substratschicht, die mit der Größe der NPs im sichtbaren Bereich zunimmt. Diese hohe Strahlungseigenschaft der NPs ermöglicht signifikante Verbesserungen bei der Leistungsübertragung in einem weiten AOI-Bereich. Die Photonendichte in der Solarzelle wird in der Regel durch maßgeschneiderte ARCs optimiert. Ich entwickle ein weiteres analytisches Modell und stelle in dieser Doktorarbeit vor, um auf NPs basierende hybride ARCs zu beschreiben, bei denen NPs in eine konventionelle Dünnschicht-ARC (SiN) auf einer Substratschicht eingebettet sind. Ein Punkt-Dipol-Ansatz wird implementiert, um die diffuse Reflexion durch NPs zu berechnen, während die TMM-Methode für die spiegelnde Reflexion von der vorderen Oberfläche verwendet wird. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Einbettung von Metall-NPs in SiN-ARC die Antireflexionseigenschaft im Vergleich zur konventionellen ARC bei nichtnormalem AOI des Sonnenlichts verbessert. Die Muster der elektrischen Feldverteilung der Strahlung in der Substratschicht durch einen einzelnen NP werden auch für verschiedene AOI berechnet, was die Verbesserungen der Antireflexionseigenschaften unterstützt. Die aus dem Modell gewonnenen gewichteten Solarleistungs-Transmissionswerte von ARCs zeigen, dass Ag - NPs, die in SiN ARC eingebettet sind, bei AOI > 74° besser abschneiden als SiN ARC, während ARC auf Al - NPs basierende ARC bei AOI > 78° besser abschneiden. Die auf Metall-NPs basierenden Hybrid-ARCs waren bei normaler und nahezu normaler AOI weniger effizient. Dies wird durch parasitäre Absorption in den Metall-NPs verursacht. Da bekannt ist, dass dielektrische NPs dieses Verhalten in einem schmalbandigen Spektralbereich nicht zeigen, ersetzte ich die Metall-NPs durch dielektrische NPs und führte dieselbe Analyse mit nicht-absorbierenden sphärischen dielektrischen (SiO2) NPs durch. Dieses neue hybride ARC-Design führt zu einer verbesserten Antireflexionseigenschaft bei nicht normalem Einfall, während es bei normalem und nahezu normalem Einfall eine unbedeutende Änderung zeigt. Die höchste Verbesserung wird bei 85° AOI mit einer Oberflächenfülldichte der NPs von 70 % um mehr als den Faktor zwei bemerkt. Schließlich führe ich eine Berechnung der normierten Photostromdichte von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang über den Verlauf eines Jahres für fünf ausgewählte Städte durch, die ebenfalls Verbesserungen im Fall der SiO2 - NPs gezeigt haben.

Solar cells suffer a loss in efficiency due to the front surface reflection of the incident sunlight. To reduce this loss, an antireflection coating (ARC) is typically used. However, the conventional thin-film ARC in the solar cell is generally optimized for a single wavelength at a normal angle of incidence (AOI). On the contrary, a fixed solar cell on the roof receives the sunlight over a wide range of AOI resulting in an undesired loss of light photons. To overcome this issue, nanoparticles (NPs), which scatter the sunlight, have been suggested. The scattering and absorption in metal NPs (Ag, Au, Cu, and Al) are highly influenced by their shape, size, and material composition, host medium, and volume fraction of NPs in the medium itself. The metal NPs scatter the sunlight efficiently at the resonance wavelength. An analytical framework, based on the transfer matrix method (TMM) and Mie theory, has been used in this thesis to study and optimize the scattering property of metal NPs. This simulation study also enables the power transfer from the metal NPs layer into a substrate layer. A comparative analysis between the performance of NPs and the bare substrate layer revealed that NPs based structures, which show high backscattering, are not suitable at the front for high power transfer in the substrate layer. Furthermore, Al – and Ag – NPs show high radiation in the substrate layer which increases with NPs’ size in the visible range. This high radiation property of the NPs allows for significant improvements in the power transfer at a wide range of AOI. The photon density in the solar cell is usually optimized through tailored ARCs. I develop another analytical model and present it in this thesis work to describe NPs based hybrid ARC, where NPs are embedded in a conventional thin-film ARC (SiN) on a substrate layer. A point dipole approach is implemented to calculate diffuse reflectance by NPs, while the TMM method is used for specular reflectance from the front surface. The simulation results show that embedding metal NPs in SiN ARC enhances the antireflection property in comparison to the conventional ARC at non-normal AOI of the sunlight. Electric field distribution patterns of radiation in the substrate layer by a single NP are also calculated for various AOI which support the improvements in the antireflection property. Weighted solar power transmittances from ARCs obtained from the model demonstrate that Ag – NPs embedded in SiN ARC performs better than SiN ARC for AOI > 74°, whereas Al – NPs based ARC performs better for AOI > 78°. The metal NPs based hybrid ARC were shown less efficient at normal and nearnormal AOI. This is caused by parasitic absorption in the metal NPs. Since it’s well known that dielectric NPs don’t show this behavior in a narrow band spectrum range, hence I replaced the metal NPs with dielectric NPs and performed the same analysis with non-absorbing spherical dielectric (SiO2) NPs. This new hybrid ARC design leads to enhanced antireflection property at non-normal incidence while showing insignificant change at normal and near-normal incidence. The highest improvement is noticed more than a factor of two at 85° AOI with the NPs’ surface filling density of 70 %. Finally, I perform sunrise to sunset calculation of the normalized photocurrent density over the course of a year for five selected cities, which have also shown improvements in the SiO2 – NPs’ case.

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Singh, Bhaskar: Design of highly efficient nanoparticle assisted antireflection coatings for solar cells. Clausthal 2021. TU Clausthal.

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