Design Optimization of the Distributed Bragg Reflectors Based on 1D Photonic Crystals Containing 2D materials of Gallium Sulfide and Gallium Selenide for Space Solar Cells

Fouladi Oskouei, Javad; Sadeghi Dastjerdeh, Nazanin; Abasian Afarani, Mohadese

doi:10.22034/jsst.2025.1560

Design Optimization of the Distributed Bragg Reflectors Based on 1D Photonic Crystals Containing 2D materials of Gallium Sulfide and Gallium Selenide for Space Solar Cells

Document Type : Original Research Paper

Authors

Javad Fouladi Oskouei ¹

Nazanin Sadeghi Dastjerdeh ²

Mohadese Abasian Afarani ²

¹ Assistant Professor, Department of Physics, Faculty of Science, Malayer University, Hamedan, Iran

² BSc. Student, Department of Physics, Faculty of Science, Malayer University, Hamedan, Iran

10.22034/jsst.2025.1560

Abstract

Solar cells (SCs) are the most prevalent and reliable energy generation systems for aerospace applications. Distributed Bragg reflectors (DBRs) trap the light passing through the solar cell, thereby enhancing the power conversion efficiency (PCE) of the solar cells. Therefore, precise design of these structures is of great importance. In this study, 1D photonic crystals based on 2D materials of GaS and GaSe are investigated using an optical characteristic matrix. The first one-dimensional photonic crystal structure contains several layers of two-dimensional materials gallium selenide and muscovite mica [GaSe/Mica]^N, and the second design contains several layers of two-dimensional materials gallium sulfide with the second layer identical to the first design [GaS/Mica]^N. In the designed structures, by increasing the thickness of the desired layers, the width of the photonic band gap increases and the initial and final wavelengths of the reflection window shift towards longer wavelengths. The optimized optical parameters and analyzed reflection spectra indicate a broader wavelength range for the two-dimensional material GaSe compared to GaS. To investigate the role of the designed DBR structures on the basic parameters of space solar cells, we have used the single-diode solar cell model with radiation effects in AM0 conditions for LEO orbit in BOL and EOL modes. The results obtained from this approach can be effectively utilized to improve the performance of space solar cells.

Keywords

Solar cell

One-dimensional photonic crystals

Distributed Bragg reflector

Optical characteristic metrix method

Two-dimensional gallium sulfide

Two-dimensional gallium selenide

LEO orbit

Subjects

Space New Technologies

Article Title Persian

بهینه سازی طراحی بازتابنده های براگ توزیع یافته مبتنی بربلور های فوتونی یک بعدی حاوی مواد دوبعدی گالیم سولفید و گالیم سلناید برای سلول های خورشیدی فضایی

Authors Persian

جواد فولادی اسکوئی ¹

نازنین صادقی دستجردهء ²

محدثه عباسیان افارانی ²

¹ گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه ملایر، همدان، ایران

² دانشجوی کارشناسی، گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه ملایر، همدان، ایران

Abstract Persian

سلول‌های خورشیدی فراگیرترین و قابل اعتمادترین سیستم‌های تولید انرژی برای کاربردهای هوافضا هستند. بازتابنده‌های براگ توزیع یافته باعث به دام افتادن نور عبوری از سلول خورشیدی می‌شوند که در نتیجه راندمان تبدیل توان سلول‌های خورشیدی را بهبود می‌بخشند. بنابراین طراحی دقیق این ساختارها بسیار حائز اهمیت است. در این پژوهش، بلورهای فوتونی یک‌بعدی مبتنی بر مواد دوبعدی GaSوGaSe بر اساس ماتریس مشخصه اپتیکی مورد مطالعه قرار گرفته است. ساختار اول بلور فوتونی یک‌بعدی شامل چندلایه‌هایی از مواد دوبعدی گالیم سلناید و میکای مسکویت [GaSe/Mica]Nو طراحی دوم حاوی چندلایه‌هایی از مواد دو‌بعدی گالیم سولفید با لایه دوم یکسان با طراحی اول [GaS/ Mica]N است. در ساختارهای طراحی شده با افزایش ضخامت لایه‌های مورد نظر پهنای گاف باندی فوتونی افزایش یافته و طول موج اولیه و نهایی پنجره بازتابی به سمت طول موج‌های بلند‌تر انتقال پیدا می‌کند. پارامترهای نوری بهینه‌سازی شده و طیف‌های بازتابی بررسی شده بیانگر محدوده طول موجی پهن‌تر ماده دو‌بعدی GaSe نسبت به GaSمی‌باشد. برای بررسی نقش ساختارهای DBR طراحی‌ شده بر پارامترهای اساسی سلول‌های خورشیدی فضایی، از مدل سلول خورشیدی تک دیودی با اثرات تابشی در شرایط AM0 برای مدار LEO در حالت‌های BOL و EOL استفاده کرده‌ایم. از نتایج به‌ دست‌آمده از این رویکرد می‌تواند به‌طور مؤثر برای بهبود عملکرد سلول‌های خورشیدی فضایی مورد استفاده قرار گیرد. از این رهیافت می‌توان به طور مؤثری برای بهبود کارایی سلول خورشیدی فضایی بهره برد.

Keywords Persian

سلول خورشیدی؛ بلور فوتونی یک بعدی؛ بازتابنده براگ توزیع یافته؛ روش ماتریس مشخصه اپتیکی؛ گالیم سولفید دو بعدی؛ گالیم سلناید دو بعدی

مدار LEO

[1] R.Verduci et al., ''Solar energy in space applications: Review and technology perspectivas,'' Advanced Energy Materials, vol. 12, no. 12, 2022, Art. no. 2200125, https://doi.org/10.1002/aenm.202200125.

[2] A. H. Aly and H. Sayed, "Enhancement of the solar cell based on nanophotonic crystals," Journal of Nanophotonics, vol. 11, no. 4, 2017, Art. no. 046020 https://doi.org/10.1117/1.JNP.11.046020.

[3] P. You, G. Tang, and F. Yan, "Two-dimensional materials in Perovskite solar cells," Materials Today Energy, vol. 11, pp. 128-158, 2019, https://doi.org/10.1016/j.mtener.2018.11.006.

[4] I. M. Santos et al., "Next-generation solar-powering: Photonic strategies for Earth and space systems," Solar RRL, vol. 9, no. 7, 2025, Art. no. 2400061, https://doi.org/10.1002/solr.202400666.

[5] S. Das, D. Pandey, J. Thomas, and T. Roy, "The role of graphene and other 2D materials in solar photovoltaics," Advanced Materials, vol. 31, no. 1, 2018, Art. no. 1802722, https://doi.org/10.1002/adma.201802722.

[6] R. S. Dubey, S. Saravanan, and S. Kalainathan, "Performance enhancement of thin film silicon solar cells based on distributed Bragg reflector & diffraction grating," AIP Advances, vol. 4, 2014, Art. no. 127121, https://doi.org/10.1063/1.4904218.

[7] R. Biswas, J. Bhattacharya, B. Lewis, N. Chakravarty, and V. Dalal, "Enhanced nanocrystalline silicon solar cell with a photonic crystal back-reflector," Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 94, no. 12, pp. 2337–2342, 2010, https://doi.org/10.1016/j.solmat.2010.08.007.

[8] A. Martí and G. L. Araújo, "Limiting efficiencies for photovoltaic energy conversion in multigap systems," Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 43, no. 2, pp. 203-222, 1996, https://doi.org/10.1016/0927-0248(96)00015-3.

[9] A. Soman and A. Antony, "Tuneable and spectrally selective broadband reflector–modulated photonic crystals and its application in solar cells," Solar Energy, vol. 162, pp. 525–5302, 2018, https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.01.061.

[10] K. Sankar, R. Manoharan, S. Saif, and T. P. Rose, "An optimum design of one dimensional photonic crystal for solar cell applications," in IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 1219, Chennai, India, 2022, Art. no. 012047, https://doi.org/10.1088/1757-899X/1219/1/012047.

[11] A. Abderrahmane, K. Senouci, B. Hachemi, and P. J. Ko, "2D gallium sulfide-based 1D photonic crystal biosensor for Glucose concentration detection," Materials, vol. 16, no. 13, 2023, Art. no. 4621, https://doi.org/10.3390/ma16134621.

[12] M. R. Patel, Spacecraft Power Systems, 1^st. ed. Boca Raton: CRC Press, 2005, https://doi.org/10.1201/9781420038217.

[13] Space Environment Standards, ECSS-E-10-4A, ESA, Noordwijk, The Netherlands, 2025.

[14] V. L. Pisacane, Fundamentals of Space Systems, 2rd ed. Oxford: University Press, 2005.

[15] B. E. Anspaugh, GaAs Solar Cell Radiation Handbook, National Aeronautics and Space Administration (NASA), Pasadena, California: 1996.

[16] A. Luque and S. Hegedus, Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, 2re ed. John Wiley, 2003.

[17] N. S. Fatemi, H. E. Pollard, H. Q. Hou, and P. R. Sharps, "Solar array trades between very high-efficiency multi-junction and Si space solar cells," in Conference Record of the Twenty-Eighth IEEE Photovoltaic Specialists Conference 2000 (Cat. No.00CH37036), Anchorage, AK, USA, 2000, pp. 1083-1086, https://doi.org/10.1109/PVSC.2000.916075.

[18] L. Castaner and S. Silvestre, Modeling Photovoltaic Systems Using PSpice, John Wiley, 2002.

[19] A. Goetzberger, J. Knobloch, B. Voss, Crystalline Silicon Solar Cells, John Wiley & Sons, LTD, 1998.

[20] H. Sayed, A. M. Ahmed, A. Hajjiah, M A. Abdelkawy, and A. H. Aly, "Optimization of amorphous silicon solar cells through photonic crystals for enhanced optical properties," Scientific Reports, vol. 15, 2025, Art. no. 16529, https://doi.org/10.1038/s41598-025-00443-2