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Investigation of quantum size effects on the optical absorption in ultrathin single quantum well solar cell embedded as a nanophotonic resonator

Meddeb, Hosni und Götz-Köhler, Maximilian und Osterthun, Norbert und Sergeev, Oleg und Gehrke, Kai und Vehse, Martin und Agert, Carsten (2022) Investigation of quantum size effects on the optical absorption in ultrathin single quantum well solar cell embedded as a nanophotonic resonator. IEEE Journal of Photovoltaics, 12 (3), Seiten 760-770. IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers. doi: 10.1109/JPHOTOV.2022.3150726. ISSN 2156-3381.

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Offizielle URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/9729107

Kurzfassung

Subwavelength optical nanocavity using semiconductor nanostructures is a key nanophotonic approach for various optoelectronic devices. In such low-dimensional systems, size-dependent changes can arise due to quantum confinement (QC). In this article, the implications of quantum-size effects on the light harvesting in ultrathin single quantum well solar cell (SQWSC) are analyzed. This device is based on silicon (barrier)/germanium (QW) nanostructures integrated as a deep-subwavelength nanophotonic resonator. Compared with the state-of-the-art, the novelty of this article consists of the investigation of the synergy between photonic and electronic confinements at both functional materials and device levels. It is shown that QC effects enhance the optical absorption efficiency in both low-dimensional germanium single layers and QW structures. However, this is affected by the barrier heights and the interface states. In the SQWSC devices, the changes of the photocurrent output, the resonance condition and the absorption edge as a function of QW thickness are explained based on the optical field and the local absorption distributions. Shorter nanocavity lengths with thinner QW nanoabsorbers result in blue-shifted resonance wavelength, suitable maximum optical field intensity in the visible wavelengths range as well as promoted photonic confinement. This enables an enhancement of the optical absorption efficiency relative to thick counterparts. The nonlinearity in the thickness-related photocurrent implies a drastic reduction in QW thickness while preserving a high photocurrent level. The presented considerations in SQWC could be extended as design rules for the optimization of the photocurrent in derived multiple quantum well systems and for relevant color-neutral semitransparent devices.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/186190/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Investigation of quantum size effects on the optical absorption in ultrathin single quantum well solar cell embedded as a nanophotonic resonator
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Meddeb, Hosnihosni.meddeb (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-8939-7910NICHT SPEZIFIZIERT
Götz-Köhler, MaximilianMaximilian.Goetz (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-6078-4359NICHT SPEZIFIZIERT
Osterthun, NorbertNorbert.Osterthun (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-2668-6605NICHT SPEZIFIZIERT
Sergeev, Olegoleg.sergeev (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-5022-6118NICHT SPEZIFIZIERT
Gehrke, KaiKai.Gehrke (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-0591-8289NICHT SPEZIFIZIERT
Vehse, MartinMartin.Vehse (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-0578-6121NICHT SPEZIFIZIERT
Agert, CarstenCarsten.Agert (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-4733-5257NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:4 März 2022
Erschienen in:IEEE Journal of Photovoltaics
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:12
DOI:10.1109/JPHOTOV.2022.3150726
Seitenbereich:Seiten 760-770
Herausgeber:
HerausgeberInstitution und/oder E-Mail-Adresse der HerausgeberHerausgeber-ORCID-iDORCID Put Code
Hinzer, KarinUniversity of Ottawa / khinzer (at) uottawa.caNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Rockett, AngusColorado School of Mines / arockett (at) mines.eduNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Verlag:IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers
ISSN:2156-3381
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Absorbing nanophotonic resonator; quantum confinement; quantum well; semiconductor nanostructures; subwavelength optical nanocavity; ultrathin solar cell
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Energiesystemdesign
HGF - Programmthema:Digitalisierung und Systemtechnologie
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SY - Energiesystemtechnologie und -analyse
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Energiesystemtechnologie
Standort: Oldenburg
Institute & Einrichtungen:Institut für Vernetzte Energiesysteme > Stadt- und Gebäudetechnologien
Hinterlegt von: Meddeb Dite Hasanet, Hosni
Hinterlegt am:25 Apr 2022 11:47
Letzte Änderung:25 Apr 2022 11:47

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