Nanotech thin film photovoltaics

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

O percurso óptico num dispositivo optoelectrónico, como uma célula solar ou um fotodíodo, pode ser definido como a distância que um fotão (não absorvido) percorre com sucesso dentro do dispositivo sem sair para fora do mesmo. Esta característica é geralmente descrita como a espessura do dispositivo. De qualquer modo, a luz que entra num dispositivo, projectado para ter boas características de captura de luz, tem múltiplas reflexões apresentando um percurso óptico muitas vezes superior ao da sua espessura física. Este efeito pode melhorar a absorção da luz e as características do dispositivo. Uma aproximação interessante para melhorar a captura da luz passa por introduzir nanoestruturas plasmónicas e, nos últimos anos, nanopartículas metálicas acopladas a semicondutores absorventes que têm sido utilizados para melhorar a absorção em células solares de filmes finos. Este trabalho apresenta um estudo teórico que teve como objectivo identificar a condição de ressonância plasmónica para um sistema formado por nanopartículas metálicas embutidas numa matriz de a-Si:H. O estudo baseou-se no modelo de Tauc-Lorentz para a permitividade eléctrica do a-Si:H e no modelo de Drude para nanopartículas metálicas e para a polarizabilidade de uma partícula esférica com um raio de 10-20 nm. Foram também feitas simulações FDTD da propagação da luz dentro desta estrutura apresentando uma comparação entre os efeitos causados por uma nanoesfera de alumínio, prata e, para a análise comparativa, um condutor perfeito ideal. Apresenta-se, também, a simulação de uma distribuição de luz numa linha de nanoesferas igualmente espaçadas, com os resultados da influência da distância média entre as nanopartículas. Os resultados das simulações mostram que é possível obter ressonância plasmónica na parte, do espectro da luz, dos vermelhos (600-650 nm) quando são embutidas nanoesferas de alumínio de 20 nm em a-Si:H. Também é possível melhorar a absorção da luz, nesta parte do espectro, introduzindo uma distribuição linear de nanoesferas espaçadas de 180 nm.

Abstract: The optical path length of an optoelectronic device like a solar cell or a photodiode can be defined as the distance that an (unabsorbed) photon can successfully travel within the device before escaping out. This feature is usually described in term of device thickness. Anyway light entering a device engineered with good light trapping features may bounces back and forth many times, presenting an optical path dozen of times higher then its physical thickness. This effect may enhance light absorption and, generally speaking, device performance. An attractive approach to improve the light trapping involves the introduction of plasmonic nanostructures and in recent years, metallic nanoparticles coupled to absorbing semiconductors have been utilized to enhance absorption in thin film solar cells. This work reports a theoretical study aimed to identify the plasmonic resonance condition for a system formed by metallic nanoparticles embedded in an a-Si:H matrix. The study is based on a Tauc-Lorentz model for the electrical permittivity of a-Si:H and a Drude model for the metallic nanoparticles and the polarizability of a sphere-shaped particle with radius of 10-20 nm. We also performed FDTD simulations of light propagation inside this structure reporting a comparison among the effects caused by a single nanosphere of Aluminum, Silver and, as a comparison, an ideally perfectly conductor. Simulation of a distribution of a linear array of equally spaced nano spheres is also presented, presenting results about the influence of the average distance among the nano particles. The simulation results shows that is possible to obtain a plasmonic resonance in the red part of the spectrum (600-650 nm) when 20 nm aluminum spheres are embedded into a-Si:H. Also, it is possible to enhance the light absorption in this part of the spectrum by introducing a distribution of a linear array of nanospheres having an average distance of 180 nm.