Підвищення ефективності сонячних елементів третього покоління на основі п'єзо – фототронного ефекту
Анотація
Прикладаючи зовнішню рівномірну деформацію на нецентросиметричний п’єзоелектричний напівпровідник, індукуються поляризаційні заряди на поверхні матеріалу. Поляризаційні заряди часто генеруються всередині кристалів за умови, що прикладена деформація нерівномірна. Застосована деформація впливає на електронний транспорт і може бути використана для модуляції властивостей матеріалу. Ефект багатостороннього зв’язку між п’єзоелектрикою, властивостями перенесення напівпровідників і фотозбудженням призводить до п’єзо-фототронних ефектів. Останні дослідження показали, що п’єзоелектричні та напівпровідникові властивості напівпровідників третього покоління використовуються у фотодетекторах, світлодіодах та наногенераторах. П’єзоелектричний напівпровідник третього покоління можна використовувати у високоефективних фотоелементах. У цій роботі теоретично досліджується матеріал п’єзофототронного сонячного елемента третього покоління на основі взаємодії металу та напівпровідника GaN. Це дослідження спрямоване на визначення впливу п’єзоелектричної поляризації на електричні характеристики цього матеріалу сонячних елементів. Були оцінені такі експлуатаційні параметри, як ефективність перетворення потужності, коефіцієнт заповнення, I-V характеристики, напруга розімкнутого ланцюга та максимальна вихідна потужність. П'єзофототронний ефект може підвищити напругу струму разомкнутого ланцюга на 5,5 відсотка при зовнішній деформації на 0,9 відсотка. Дослідження відкриє нове вікно для наступного покоління високоефективних п’єзо-фототронних ефектів.
Завантаження
Посилання
Z.L. Wang, Piezopotential gated nanowire devices: Piezotronics and piezo-phototronics, Nano Today, 5(6), 540, 2010, https://doi.org/10.1016/j.nantod.2010.10.008
Z.L. Wang, W. Wu, and C. Falconi, Piezotronics and piezo-phototronics with third-generation semiconductors, MRS Bulletin. 43, 922 (2018). https://doi.org/10.1557/mrs.2018.263
Y. Zhang, Y. Leng, M. Willatzen, and B. Huang, Theory of piezotronics and piezo-phototronics, MRS Bull., 43, 928 (2018). https://doi.org/10.1557/mrs.2018.297
X. Wen, W. Wu, C. Pan, Y. Hu, Q. Yang, and Z.L. Wang, Development and progress in piezotronics, Nano Energy, 14, 276 (2014). https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2014.10.037
Z.L. Wang, The new field of nanopiezotronics, Mater. Today, 10(5), 20 (2007), https://doi.org/10.1016/S1369-7021(07)70076-7
J. Hao, and C.N. Xu, Piezophotonics: From fundamentals and materials to applications, MRS Bull., 43, 965 (2018). https://doi.org/10.1557/mrs.2018.296
M.C. Wong, L. Chen, G. Bai, L. B. Huang, and J. Hao, Temporal and Remote Tuning of Piezophotonic-Effect-Induced Luminescence and Color Gamut via Modulating Magnetic Field, Adv. Mater. 29(43), 1701945 (2017). https://doi.org/10.1002/adma.201701945
Z.L. Wang, Progress in piezotronics and piezo-phototronics, Advanced Materials. 24(34), 4632 (2012). https://doi.org/10.1002/adma.201104365
W. Wu and Z. L. Wang, Piezotronics and piezo-phototronics for adaptive electronics and optoelectronics, Nat. Rev. Mater. 1(7), 16031 (2016). https://doi.org/10.1038/natrevmats.2016.31
R. Bao, Y. Hu, Q. Yang, and C. Pan, Piezo-phototronic effect on optoelectronic nanodevices, MRS Bull., 43, 952 (2018). https://doi.org/10.1557/mrs.2018.295
Z.L. Wang, Nanopiezotronics, Adv. Mater. 19(6), 889 (2007). https://doi.org/10.1002/adma.200602918
C. Pan, J. Zhai, and Z.L. Wang, Piezotronics and Piezo-phototronics of Third Generation Semiconductor Nanowires, Chemical Reviews. 119(15), 9303 (2019). https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00599
W. Wu, and Z.L. Wang, Piezotronics and piezo-phototronics for adaptive electronics and optoelectronics, Nature Reviews Materials. 1, 16031 (2016). https://doi.org/10.1038/natrevmats.2016.31
Z.L. Wang, J. Zhai, and L. Zhu, Piezotronic and piezo-phototronic devices based on the third generation semiconductors, Chinese Sci. Bull. 65(25), 2664 (2020). https://doi.org/10.1360/tb-2019-0713
W. Sha, J. Zhang, S. Tan, X. Luo, and W. Hu, III-nitride piezotronic/piezo-phototronic materials and devices, Journal of Physics D: Applied Physics. 52, 213003 (2019). https://doi.org/10.1088/1361-6463/ab04d6
J. Millan, P. Godignon, X. Perpina, A. Perez-Tomas, and J. Rebollo, A survey of wide bandgap power semiconductor devices, IEEE Trans. Power Electron. 29(5), 2155 (2014). https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2268900
X. Wang et al., Piezotronic Effect Modulated Heterojunction Electron Gas in AlGaN/AlN/GaN Heterostructure Microwire, Adv. Mater. 28(33), 7234 (2016). https://doi.org/10.1002/adma.201601721
J. Fu, H. Zong, X. Hu, and H. Zhang, Study on ultra-high sensitivity piezoelectric effect of GaN micro/nano columns, Nano Converg. 6, 33 (2019). https://doi.org/10.1186/s40580-019-0203-4
G. Michael et al., High-performance piezo-phototronic multijunction solar cells based on single-type two-dimensional materials, Nano Energy, vol. 76, Oct. (2020). https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105091
Z. Dongqi, Z. Zhao, R. Huang, J. Nie, L. Li, and Y. Zhang, High-performance piezo-phototronic solar cell based on two-dimensional materials, Nano Energy, 32, 448 (2017). https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.01.005
J. Sirohi and I. Chopra, Fundamental Understanding of Piezoelectric Strain Sensors, J. Intell. Mater. Syst. Struct. 11(4), 246 (2000). https://doi.org/10.1106/8BFB-GC8P-XQ47-YCQ0
S.M. Sze, and K.K. Ng, Physics of Semiconductor Devices. 2006.
P. Paufler, Fundamentals of Piezoelectricity, Zeitschrift für Krist. (1992). https://doi.org/10.1524/zkri.1992.199.1-2.158
G.A. Maugin, and A.C. Eringen, Continuum Mechanics of Electromagnetic Solids, J. Appl. Mech. 56(4), 986 (1989). https://doi.org/10.1115/1.3176205
Y. Zhang, Y. Liu, and Z.L. Wang, Fundamental theory of piezotronics, Adv. Mater. 23(27), 3004 (2011). https://doi.org/10.1002/adma.201100906
K. Gu, D. Zheng, L. Li, and Y. Zhang, High-efficiency and stable piezo-phototronic organic perovskite solar cell, RSC Adv. 8(16), 8694 (2018). https://doi.org/10.1039/C8RA00520F
Y. Wang, D. Zheng, L. Li, and Y. Zhang, Enhanced Efficiency of Flexible GaN/Perovskite Solar Cells Based on the Piezo-Phototronic Effect, ACS Appl. Energy Mater. 1(7), 3063 (2018). https://doi.org/10.1021/acsaem.8b00713
G. Michael, G. Hu, D. Zheng, and Y. Zhang, Piezo-phototronic solar cell based on 2D monochalcogenides materials, J. Phys. D. Appl. Phys. 52(20), 204001 (2019). https://doi.org/10.1088/1361-6463/ab0ac4
W. Liu, A. Zhang, Y. Zhang, and Z. L. Wang, Density functional studies on wurtzite piezotronic transistors: Influence of different semiconductors and metals on piezoelectric charge distribution and Schottky barrier, Nanotechnology, 27, 205204 (2016). https://doi.org/10.1088/0957-4484/27/20/205204
F. Schäffler, in Properties of advanced semiconductor materials : GaN, AlN, InN, BN, SiC, SiGe, edited by M.E. Levinshtein, S.L. Rumyantsev, and M.S. Shur, (John Wiley Sons Inc, New York, 2001), pp. 149-188.
S.P. Wan, J.B. Xia, and K. Chang, Effects of piezoelectricity and spontaneous polarization on electronic and optical properties of wurtzite III-V nitride quantum wells, J. Appl. Phys. 90, 6210 (2001). https://doi.org/10.1063/1.1413714
C-T. Huang, J. Song, W-F. Lee, Y. Ding, Z. Gao, Y. Hao, L.-J. Chen, and Z.L. Wang, GaN nanowire arrays for high-output nanogenerators, J. Am. Chem. Soc. 132(13), 4766 (2010). https://doi.org/10.1021/ja909863a
G. Hua, W. Guo, R. Yu, X. Yang, R. Zhou, C. Pan, and Z.L. Wang, Enhanced performances of flexible ZnO/perovskite solar cells by piezo-phototronic effect, Nano Energy, 23, 27 (2016). https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2016.02.057
J. Sun et al., Piezo-phototronic Effect Enhanced Efficient Flexible Perovskite Solar Cells, ACS Nano, 13(4), 4507 (2019). https://doi.org/10.1021/acsnano.9b00125
W. Liu, A. Zhang, Y. Zhang, and Z.L. Wang, First principle simulations of piezotronic transistors, Nano Energy, 14, 355 (2015). https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2014.10.014
N. Suvansinpan, F. Hussain, G. Zhang, C.H. Chiu, Y. Cai, and Y.W. Zhang, Substitutionally doped phosphorene: Electronic properties and gas sensing, Nanotechnology, 27, 065708 (2016). https://doi.org/10.1088/0957-4484/27/6/065708
F. Bernardini, V. Fiorentini, and D. Vanderbilt, Spontaneous polarization and piezoelectric constants of III-V nitrides, Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. 56, R10024(R) (1997). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.56.R10024
A.T. Collins, E.C. Lightowlers, and P.J. Dean, Lattice vibration spectra of aluminum nitride, Phys. Rev. 158, 833 (1967). https://doi.org/10.1103/PhysRev.158.833
Y. Zhang, J. Nie, and L. Li, Piezotronic effect on the luminescence of quantum dots for micro/nano-newton force measurement, Nano Res. 11, 1977 (2018). https://doi.org/10.1007/s12274-017-1814-x
Y. Zhang, Y. Yang, and Z. Wang, Piezo-phototronics effect on nano/microwire solar cells, Energy Environ. Sci. 5, 6850 (2012). https://doi.org/10.1039/C2EE00057A
D. Berlincourt, H. Jaffe, and L.R. Shiozawa, Electroelastic properties of the sulfides, selenides, and tellurides of zinc and cadmium, Phys. Rev. 129, 1009 (1963). https://doi.org/10.1103/PhysRev.129.1009
P.E. Lippens and M. Lannoo, Calculation of the band gap for small CdS and ZnS crystallites, Phys. Rev. B, 39, 10935 (1989). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.39.10935
T. Wakaoka et al., Confined synthesis of CdSe quantum dots in the pores of metal-organic frameworks, J. Mater. Chem. C, 2, 7173 (2014). https://doi.org/10.1039/c4tc01136h
I. Strzalkowski, S. Joshi, and C.R. Crowell, Dielectric constant and its temperature dependence for GaAs, CdTe, and ZnSe, Appl. Phys. Lett. 28, 350 (1976). https://doi.org/10.1063/1.88755
G.A. Samara, Temperature and pressure dependences of the dielectric constants of semiconductors, Phys. Rev. B, 27, 3494 (1983). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.27.3494
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
