Моделирование производительности солнечного элемента на основе пятислойной гетероструктуры AlGaAs/GaAs/GaAs/InP/Ge

В данной работе представлено моделирование пятислойного солнечного элемента на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs/GaAs/InP/Ge c помощью общедоступной программы PC1D [7–9]. Моделирование проводилось при стандартных условиях, температуры и освещения. Под стандартными (эталонными) условиями понимается температура 25°С, мощность излучения 1000 Вт/м², и площадь устройства 110см². На рисунке 1 представлена данная гетероструктура. Для поглощения фотонов в широком солнечном спектре будут использоваться материалы с различной шириной запрещённых зон. В качестве верхнего слоя применяют наиболее широкозонные материалы такие как AlGaAs, GaInP, AlInP и т.д. Слой AlGaAs в данной структуре служит для преобразования коротковолновой части (400...670 нм) солнечного спектра. Далее в данной структуре слои GaAs и InP служат для преобразования «среднего» участка (670 ... 900 нм) солнечного спектра, затем слой Ge – отвечает за преобразования ИК – части (900 ... 1650 нм) солнечного спектра [1;2;3;6]. Также слои материалы используемы в данном устройстве близки по параметром решёток, что позволяет варьировать в широком диапазоне толщину слоев без образования дислокаций на гетерогранице.

Моделирование проводилось с использованием программы PC1D на основе стандартной “диффузионно-дрейфовой” одномерной модели.

В этой модели совместно решается система одномерных уравнений с использованием дискретной сетки. Система представлена уравнением Пуассона и двумя уравнениями переноса заряда в случае электронов и дырок.

                                                                                     1)

где: ε – диэлектрическая проницаемость моделируемого слоя,  – диэлектрическая постоянная, q – заряд электрона, p(x,t) и n(x,t) – концентрация дырок и электронов в моделируемом слое,  – электрический потенциал, N_D и N_A – концентрации дырок и акцепторов в моделируемом слое, j_n и j_p – плотность электронного и дырочного токов соответственно, G_n(x, t) и G_p(x, t) – скорости генерации электронов и дырок, R_n(x, t) и R_p(x, t) – скорости рекомбинации электронов и дырок [4].

Рисунок 1. Гетероструктура солнечного элемента на основе AlGaAs/GaAs/GaAs//InP/Ge

На рисунке 2 показана зависимость КПД устройства от толщины слоя AlGaAs. С увеличением толщины слоя AlGaAs происходит снижения КПД устройства, потому что верхней слой AlGaAs отвечает за за фотогенерацию и образованию электронно – дырочных пар. Таким образом с увеличением толщины слоя AlGaAs увеличивается вероятность рекомбинации [2;4;5].

Рисунок 2. Зависимость КПД устройства от толщины слоя AlGaAs а) КПД 34,89 % при 0,2мкм б) КПД 26,98% при 6 мкм

На рисунке 3 представлена зависимость КПД устройства от степени его легирования. Как видно из рисунка 3 с увеличением степени легирования слоя AlGaAs с N_d=1·10¹⁷ до N_d=1·10¹⁹ происходит снижения КПД с 34,48% до 27,60%.

Рисунок 3. Зависимость КПД устройства от степени легирования слоя AlGaAs а) КПД 34,48% при N_d=1·10¹⁷ б) КПД 27,60% при N_d=1·10¹⁹

Данное снижение производительности солнечного элемента может быть объяснено, тем что происходит появление новых уровней и даже зон в разрешенных значений энергии в запрещенной зоне, ширина запрещенной зоны при этом уменьшается, что влияет на диапазон поглощаемых фотонов [2;5]. На рисунке 4 показана зависимость ВАХ при разной площади устройства. Повышения площади устройства позволяет увеличивать ВАХ устройства, однако повышения мощности таким путем требует больших затрат при производстве что соответственно сказывается на цене солнечного элемента.

Рисунок 4. Зависимость выходной мощности устройства от площади а) при 110 см² P=3,83 Вт б) при 125 см² P=4,150 Вт

Таким образом использование пятислойной гетероструктуры, а также подбор толщины слоев и степени их легирования может повысить КПД солнечных элементов до 34,48% что недостижимо при использовании однокаскадных солнечных элементов.