Хімія, фізика та технологія поверхні, 2019, 10 (2), 110-117.

Моделювання оптичних спектрів періодичних структур за допомогою методу скінченних різниць в часовій області



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp10.02.110

O. O. Havryliuk, O. Yu. Semchuk

Анотація


Метою даної статті є представлення теоретичних розрахунків оптичних спектрів періодичних кремнієвих наноструктур в залежності від їх довжини. Для проведення розрахунків моделювалась структура з кремнієвими нанонитками зі сталими діаметром та періодом. Діаметр нанониток складає 80 нм, а період структури 100 нм. При цьому досліджувалась залежність спектрів поглинання, відбиття і пропускання в залежності від довжини нанониток (500–5000 нм). Для проведення теоретичних досліджень  розв’язувались рівняння Максвела методом скінченних різниць у часовій області (FDTD). Цей метод може бути точно застосований до загальних електромагнітних структур, включаючи частинки довільної форми. Перевагою цього методу є простота і можливість отримати результати для широкого спектра довжин хвиль за один розрахунок, а також можливість задавати властивості матеріалів в будь-якій точці розрахункової сітки, що дозволяє розглядати анізотропні, дисперсні і нелінійні середовища. В той же час метод FDTD може бути дуже ресурсовитратним, особливо при моделюванні складних структур. Цей метод потребує від 10 до 30 точок на довжину хвилі, а малі довжини хвиль світла визначають дуже густу частоту дискретизації. Це призводить до громіздких розрахунків, особливо в трьох вимірах. Для спрощення розрахунків розв’язки шукались у двовимірному наближенні. Показано, що при даних параметрах структури коефіцієнт відбиття не залежить від довжини нанониток, хоча на 30 % менший, ніж в суцільній кремнієвій пластині. Коефіцієнт пропускання зі збільшенням довжини нанониток зменшується, хоча для всіх розрахованих довжин хвиль залишається вищим, ніж в кремнієвій пластині. При цьому показано, що у видимій області спектра коефіцієнт поглинання суттєво вищий і зі збільшенням довжини нанониток спостерігається розширення спектрів поглинання, що вказує на збільшення діапазону поглинання сонячного світла. Показано, що використання  кремнієвих наноструктур як сонячні елементи є актуальним і перспективним напрямком досліджень.


Ключові слова


нанонитки; сонячні елементи; метод FDTD; оптичні спектри

Повний текст:

PDF

Посилання


1. Hongzhe W., Zixu S., Weiqiang H., Junshuai L., Jichun Ye. Efficient light trapping in low aspect-ratio honeycomb nanobowl surface texturing for crystalline silicon solar cell applications. Appl. Phys. Lett. 2013. 103(25): 153105. https://doi.org/10.1063/1.4851236

2. Hua B., Xiulin R. Optical absorption enhancement in disordered vertical silicon nanowire arrays for photovoltaic applications. Opt. Lett. 2010. 35(20): 3378. https://doi.org/10.1364/OL.35.003378

3. Wenbo S., Qiang F., Zhizhang C. Finite-difference time-domain solution of light scattering by dielectric particles with a perfectly matched layer absorbing boundary condition. Appl. Optics. 1999. 38(15): 3141. https://doi.org/10.1364/AO.38.003141

4. Sullivan D., Liu J., Kuzyk M. Three-dimensional optical pulse simulation using the FDTD method. IEEE transactions on microwave theory and techniques. 2000. 48(7): 1127. https://doi.org/10.1109/22.848495

5. Taflove A., Hagness S.C. Computational Electrodynamics: the finite-difference time-domain method. 2nd ed. (Boston, Ma: Artech House, 2000).

6. Hirigoyen F., Crocherie A., Vaillant J., Cazaux Y. FDTD-based optical simulations methodology for CMOS image sensor pixels architecture and process optimization. SPIE-IS&T. 2008. 6816: 681609-1. https://doi.org/10.1117/12.766391

7. Bogolubov A.N., Belokopytov G.V., Dombrovskaya Z.O. Modelling of spectral dependencies for 2D photonic crystal waveguide systems. Moscow University Physics Bulletin. 2013. 5: 8. [in Russian]. https://doi.org/10.3103/S0027134913050044

8. Deinega A., Valuevb I. Long-time behavior of PML absorbing boundaries for layered periodic structures. Computer Physics Communications. 2011. 182(1): 149. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2010.06.006

9. Pylypova O.V., Evtukh A.A., Parfenyuk P.V., Korobchuk I.M., Havryliuk O.O., Semchuk O.Yu. Influence of Si nanowires on solar cell properties: effect of the temperature. Appl. Phys. A. 2018. 124(11): 773. https://doi.org/10.1007/s00339-018-2200-6

10. Li J., Yu H.Yu., Wong S.M., Zhang G., Sun X., Lo P.G.Q., Kwong D.L. Si nanopillar array optimization on Si thin films for solar energy harvesting. Appl. Phys. Lett. 2009. 95(3): 033102. https://doi.org/10.1063/1.3186046

11. Li J., Wong S.M., Li Y., Yu H.Yu. High-efficiency crystalline Si thin film solar cells with Si nanopillar array textured surfaces. In: 35th IEEE Photovoltaic Specialists Conference. 2010. https://doi.org/10.1109/PVSC.2010.5614445. https://doi.org/10.1109/PVSC.2010.5614445

12. Li J., Yu H. Yu., Li Y., Wang F., Yang M., Wong S.M. Low aspect-ratio hemispherical nanopit surface texturing for enhancing light absorption in crystalline Si thin film-based solar cells. Appl. Phys. Lett. 2011. 98(2): 021905. https://doi.org/10.1063/1.3537810

13. Garnett E.C., Brongersma M.L., Cui Y., McGehee M.D. Nanowire Solar Cells. Annu. Rev. Mater. Res. 2011. 41: 269. https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-062910-100434

14. Hu L., Chen G. Analysis of optical absorption in silicon nanowire arrays for photovoltaic applications. Nano Lett. 2007. 7(11): 3249. https://doi.org/10.1021/nl071018b

15. Avakyants L.P., Bokov P.Yu., Chervyakov A.V., Chuyas A.V., Yunovich A.E., Vasileva E.D., Bauman D.A., Uelin V.V., Yavich B.S. Interference effects in the electroreflectance and electroluminescence spectra of InGaN/AlGaN/GaN light-emitting-diode heterostructures. Semiconductors. 2010. 44(8): 1090. https://doi.org/10.1134/S1063782610080245

16. Sturmberg B.C.P., Dossou K.B., Botten L.C., Asatryan A.A., Poulton C.G., de Sterke C.M., McPhedran R.C. Modal analysis of enhanced absorption in silicon nanowire arrays. Opt. Express. 2011. 19(S5): A1067. https://doi.org/10.1364/OE.19.0A1067




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp10.02.110

Copyright (©) 2019 O. O. Havryliuk, O. Yu. Semchuk