Simulation of Plasmonic Nanoparticles in Thin Film Solar Cells

Abstract

Plasmonic nanoparticles are a promising technology for increasing the absorption in thin film solar cells. This thesis uses optical simulations to understand and optimise the role that plasmonics can play in thin film solar cells. The basics of plasmonics may be covered using the analytical Mie theory which describes a plane wave interacting with a spherical object. This can be extended to include core-shell spherical objects. A key finding is that if the shell refractive index is higher than the surrounding medium refractive index, the plasmonic scattering and near field will be enhanced compared to shells with a lower refractive index. In order to investigate more complex geometries the finite element method is introduced. In particular the method is used to simulate arrays of particles on a substrate to build the link between simulation and experiment. Simulations of large area arrays are very computationally expensive, therefore statistical averaging of single particle responses is performed. Using this method the experimental response of a particle array was able to be reproduced in simulations. Ultra-thin film solar cells are then introduced and some of the issues surrounding these devices are investigated via the scattering matrix method. It is shown that moving away from a metallic back contact to a transparent contact with a separated metallic back reflector increases the absorption in the absorbing layer. Having studied both plasmonics and ultra-thin film solar cells in isolation, they are then combined firstly using the finite element method. The effect of particle placement within the device structure is investigated. The result is that the best performance enhancement comes from particles integrated directly inside the absorbing layer. Finally the previous methods of Mie theory for particle simulations and scattering matrix for layered stack simulations are combined to create a coupled method capable of rapid simulation of devices with integrated plasmonic nanoparticles. This model is then used to assess many different device structures with the optimum being found for Ag core / AlSb shell nanoparticles integrated into the absorbing layer of a device with a transparent back contact and an incoherent Ag back reflector. This ultra-thin device is able to reach 93% of the current of a conventional thin film while only using 20% of the absorber material.

Plasmonische Nanoteilchen sind eine vielversprechende Technologie für die Erhöhung der Absorption bei Dünnschichtsolarzellen. Diese Dissertation verwendet optische Simulationen um die Rolle von Plasmonen für Dünnschichtsolarzellen zu verstehen und zu optimieren. Die Grundlagen der Plasmonik können mit der analytischen Mie-Theorie erfasst werden, die die Wechselwirkung zwischen einer ebenen Welle und einer Kugel beschreibt. Die Theorie kann auch auf Kern-Hülle-Teilchen erweitert werden. Ein zentraler Befund ist, dass bei einer Hülle mit einem Brechungsindex, der höher als der des umgebenden Mediums ist, die Streuung und das Nahfeld im Vergleich zu einer Hülle mit einem niedrigeren Brechungsindex erhöht sind. Um komplexere Geometrien zu untersuchen wird die Finite-Elemente-Methode eingeführt. Die Methode wird eingesetzt um Teilchenverteilungen auf einem Substrat zu simulieren, um eine Verbindung zwischen Simulationen und Experimenten aufzubauen. Simulationen von großen Flächen sind rechnerisch sehr teuer, deshalb wird eine statistische Mittelung von Einzelpartikel-Reaktionen verwendet. Durch diese Methode konnte die experimentelle Reaktion einer Teilchenverteilung mit Simulationen wiedergegeben werden. Ultradünnschichtsolarzellen werden vorgestellt und einige die Solarzellen betreffenden Probleme werden mit der Streumatrixmethode untersucht. Es wird gezeigt, dass der Wechsel von einem metallischen Rückkontakt zu einem transparenten Rückkontakt mit einem zusätzlichen metallischen Rückreflektor die Absorption der Absorberschicht erhöht. Nachdem die Plasmonik und Ultradünnschichtsolarzellen isoliert betrachtet wurden, werden sie dann zuerst in der Finite-Elemente-Methode kombiniert. Die Wirkung der Teilchenstellung innerhalb der Solarzellenstruktur wird untersucht. Das Ergebnis ist, dass die stärkste Leistungsverbesserung durch in der Absorberschicht integrierte Teilchen erreicht wird. Schließlich werden die vorherigen Methoden der Mie- Theorie für Teilchensimulationen und die Streumatrixmethode f¨ur Simulationen von geschichteten Stapeln kombiniert, um eine Methode zu entwickeln, die schnelle Simulationen von Solarzellen mit integrierten plasmonischen Nanoteilchen ermöglicht. Dieses Modell wird dann genutzt, um viele unterschiedliche Solarzellenstrukturen zu untersuchen. Es wurde eine optimale Struktur gefunden, die aus in die Absorberschicht integrierten Nanoteilchen mit einem Ag-Kern / einer AlSb-Hülle und einem transparenten Rückkontakt mit einem inkohärenten Ag-Rückreflektor besteht. Diese ultradünnschichtsolarzelle erreicht 93 Prozent der Stromstärke eines gewöhnlichen Dünnfilms und nutzt dabei nur 20 Prozent des Absorbermaterials.