Статья:

Моделирование однокаскадного солнечного элемента на основе гетероперехода InP - Ge

Конференция: XXXVIII Студенческая международная заочная научно-практическая конференция «Молодежный научный форум: технические и математические науки»

Секция: Технические науки

Выходные данные
Бесполудин В.В. Моделирование однокаскадного солнечного элемента на основе гетероперехода InP - Ge // Молодежный научный форум: Технические и математические науки: электр. сб. ст. по мат. XXXVIII междунар. студ. науч.-практ. конф. № 9(38). URL: https://nauchforum.ru/archive/MNF_tech/9(38).pdf (дата обращения: 18.08.2018)
Лауреаты определены. Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Мне нравится
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
на печатьскачать .pdfподелиться

Моделирование однокаскадного солнечного элемента на основе гетероперехода InP - Ge

Бесполудин Владислав Валерьевич
студент Института нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного федерального университета, РФ, г. Таганрог

 

Основная цель данного исследования заключается в увеличении КПД однокаскадного солнечного элемента на основе гетероперехода InP – Ge посредством изменения таких параметров как толщина слоя InP, степень легирования InP, и текстурирование поверхности, с использованием программы PC1D [3;4]. Сочетание таких материалов как InP и Ge является привлекательным, из-за их различной ширины запрещенной зоны, что в сочетании друг с другом позволяет достигать высоких значений эффективности солнечных элементов. В этом исследовании, верхняя слой изготовлен из InP n – типа (1,35 эВ), а нижний слой изготовлен из Ge p – типа (0,66 эВ). Одним из недостатков однокомпонентных солнечных элементов является невозможность поглощать фотоны в широком солнечном спектре от 300 нм до 2500 нм. Для этих целей используют солнечные элементы из различных материалов и с разной шириной запрещенной зоны, как показали исследование данное решение является хорошим подходом к повышению эффективности фотогальванических устройств с одним p – n переходом [4]. В процессе моделирования мы используем слой Ge p – типа толщиной 100 мкм, и слой InP n – типа толщиной от 4 мкм до 1 мкм, площадь устройства составляет 110 см2. Моделирование проводилась при стандартных условиях, температуры и освещения.

Исходя из вышеизложенного, мы ожидаем, что сочетание материалов с энергетическими запрещенными зонами, 0,66 эВ и 1,35 эВ дадут высокую эффективность и возможность поглощать фотоны солнечного излучения в широком спектре. Еще одним из достоинств использования сочетания InP – Ge является периоды их решёток 5.87 Å для InP и 5,65 Å для Ge, что снижает возникновение дислокаций несоответствия, а также высокая подвижность электронов данных материалов, 5400 - 3900 см2/ В·с для InP и Ge соответственно. На рисунке 1 показана структура однокаскадного солнечного элемента на основе гетероперехода InP – Ge [1;3;5]. Моделирование проводилось 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.

 

Рисунок 1. Структура солнечного элемента на основе гетероперехода InP Ge

 

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, φ – электрический потенциал, ND и NA – концентрации дырок и акцепторов в моделируемом слое, jn и jp – плотность электронного и дырочного токов соответственно, Gn(x, t) и Gp(x, t) – скорости генерации электронов и дырок, Rn(x, t) и Rp(x, t) – скорости рекомбинации электронов и дырок [2].

В процессе моделирования менялись такие параметры как толщины слоя InP, степень легирования слоя InP, а также текстурирование фронтальной поверхности для снижения оптических потерь в верхнем слое. При моделировании толщина верхнего слоя InP была изменена с 4 мкм до 1 мкм. Влияния изменения толщины слоя InP на фотоэлектрические характеристики солнечного элемента отражено на рисунке 2. При изменении толщины слоя InP с 4 мкм до 1 мкм происходит увеличение КПД солнечного элемента с 18,9% до 25,45%. Данное увеличения КПД связанно с тем что верхний слой InP генерирует основную часть электронов, которым необходимо пройти

 

Рисунок 2. ВАХ однокаскадного солнечного элемента InP – Ge а) При толщине слоя InP 1 мкм б) При толщине слоя InP 4 мкм

 

определенное расстояния, чтобы добраться до слоя Ge, и чем меньше это расстояние тем выше вероятность. При увеличении легирования фронтального слоя InP от 1017 до 1020 происходит снижение КПД с 25,45 до 14,6% рисунок 3. Причина снижения производительности связанна с изменением ширины запрещенной зоны слоя InP, в результате чего изменяется и диапазон поглощаемых фотонов [3;4].

 

Рисунок 3. Влияния степени легирования на ВАХ солнечного элемента а) При степени легирования InP 1017 б) При степени легирования InP 1020

 

В данной работе также было проведено влияние текстурирования на КПД данного устройства, и оно показало что применения слоя текстур в толщину 0,2 мкм и углом в 71  может незначительно улучшать КПД устройства с 25,45% до 26,3%, за счет снижение оптических потерь и лучшей передачи фотонов в глубину материала [4]. В данном исследовании мы показали, что расширенный спектральный охват за счет тщательного подбора материалов, оптимизации толщины, а также степени легирования фронтального слоя InP и текстурирования фронтальной поверхности привело к повышение производительности однокаскадного солнечного элемента на основе гетероперехода InP – Ge с 18,49% до 26,3%. Данные показатели КПД значительно выше, чем показатели производительности однокаскадного солнечного элемента на основе гомоперехода Ge при тех же параметрах толщины степени легирования и текстурирования фронтальной слоя.

 

Список литературы:
1. Фаренбрух А., Бьюб Р. Солнечные элементы: Теория и эксперимент / Пер. с англ. под ред. Колтуна М.М. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 280 с.: ил.
2. Чеботарев С.Н., Пащенко А.С., Лунина М.Л. Моделирование зависимостей функциональных характеристик кремниевых солнечных элементов, полученных методом ионно-лучевого осаждения, от толщины и уровня легирования фронтального слоя. ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РАН Том 7, № 4, 2011, С. 25–30.
3. Benmoussa Dennai, Slimane H. Ben, Helmaoui A. Simulation of Tunnel Junction in Cascade Solar Cell (GaAs/Ge) Using AMPS-1D. Journal of nano- and electronic physics. Vol. 6. № 4, (2014).
4. Dennai B., Slimane H. Ben, Helmaoui A. and Tandjaoui M. N.. Modeling of tandem solar cell InP / Ge using AMPS-1D. – [Electronic source] – http://ac.els-cdn.com/S1876610213011132/1-s2.0-S1876610213011132-main.pd... =8f42948c-8199-11e6-83aa-00000aacb35e&acdnat=1474640901_5ae e0525976e047a5f74f5b9ec0dd8c3 (date of the application 17.08/16).
5. Duffie J.A. and Beckman W. A., ‘Solar Engineering of Thermal Processes’, 3rd Edition, John Wiley & Sons, 2006, Р. 3.