Understanding resonant structures of coupled disks for light management in photovoltaics

Abstract

Thin film solar cells offer a reduced material usage at the expense of lower efficiency. Effective light management in nanostructures can contribute to an increasing efficiency and absorption of energy in the devices. Recently, it could be shown that nanoimprints on thin film solar cells increase the efficiency of thin-film solar cells considerably, while the rationale for the increased efficiency is only partially understood. The aim of this thesis was to investigate to what extend a coupling of spheres explains the absorption enhancement by spherical nanoimprints. For this purpose different systems of two dimensional disks were investigated as a model system. Both the ray dynamics and the wave dynamics in these systems were investigated. For the ray dynamics, a ray model with a deterministic selection rule was implemented. The wave dynamics was investigated by a plane-wave scatter code based on the Lippmann-Schwinger equation. The ray model with a deterministic selection rule revealed a chaotic phase space for a two-disk system with low refractive indices. For high refractive indices, a phase space with strange attractors was observed. An evaluation of the plane-wave scattering code showed that it is stable. It allowed the investigation of coupled modes in various multiple-disk systems with equally and differently sized disks. Several of the coupled modes could be directly related to strange attractors. For this purpose a quantization rule was established which connected the strange attractor rays directly to coupled modes. This shows that the ray dynamics can potentially be used to understand and optimized architectures of nanoimprints. It was further observed that when the ray dynamics changed from a chaotic phase space to a phase space with strange attractors, the corresponding resonances in the wave mechanics were considerably enhanced. An exploration of the ray dynamics for the enhancement of architectures of nanoimprints will require a deeper investigation.

Tynnfilm solceller fører til et lavere materialforbruk, dette på kostnad av effektiviteten. Effektiv lysledning i nanostrukturer kan føre til økt effektivitet og energiabsorpsjon i solcellene. Det kan vises at sfæriske nanoavtrykk øker effektiviteten til tynnfilm solceller vesentlig, men årsaken til den økte effektiviteten er kun delvis forstått. Hensikten med denne oppgaven var å undersøke i hvilken grad koblingen mellom sfærene kan forklare økningen i absorpsjon grunnet sfæriske nanoavtrykk. Derfor er flere todimensjonale disksystemer brukt som modeller i undersøkelsene. Både stråle- og bølgedynamikk har blitt undersøkt for disse modellene. For stråledynamikken ble en bølgemodell med en deterministisk utvalgsregel implementert. Bølgedynamikken ble undersøkt med en kode som viser spredning av en planbølge, koden er basert på Lippmann-Schwingers likning. Strålingsmodellen med deterministisk utvalgsregel avslørte et kaotisk faserom for lave brytningsindekser. For høye brytningsindekser hadde faserommet rare attraktorer. Koden for spredning av planbølgen viser seg å være stabil. Den tillater undesøkelser av koblingen mellom systemer som består av flere disker med lik og ulik størrelse. Flere av koblingene kan direkte bli knyttet til rare attraktorer. En kvantiseringsregel ble derfor etablert, dette for å knytte attraktorene direkte til koblingene. Dette betyr at strålingsmodellen potensielt kan brukes til å forstå og optimalisere arkitekturen av nanoavtrykket. Det var videre observert at når strålingsdynamikken endret fra et kaotisk faserom til et faserom med rare attraktorer, be de korresponderende resonansene i bølgedynamikken vesentlig økt. En undersøke av strålingsdynamikken for forbedringen av arkitekturen til nanoavtrykk vil kreve videre undersøkelser.