Статья:

Оптимизация солнечного элемента на основе гетероструктуры AlGaAs - GaAs

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

Секция: Технические науки

Выходные данные
Бесполудин В.В. Оптимизация солнечного элемента на основе гетероструктуры AlGaAs - GaAs // 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

Оптимизация солнечного элемента на основе гетероструктуры AlGaAs - GaAs

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

 

Использование солнечных элементов на основе гетероструктур AlGaAs – GaAs позволяет получать высокоэффективные однокаскадные солнечные элементы. Цель данной работы заключается в повышении эффективности солнечного элемента на основе гетероструктуры AlGaAs – GaAs посредством изменения таких параметров как, толщина слоя AlGaAs, степень его легирования, а также применения текстурирования для снижения оптических потерь. Моделирования данного солнечного элемента будет осуществляться с помощью программы PC1D предназначенной для моделирования солнечных элементов [3;6]. Гетероструктура A1GaAs – GaAs имеет низкую чувствительность к радиационным воздействиям и проявлению дефектов, а также обладают шириной запрещенной зоны для AlGaAs – 1,817 эВ (в данном устройстве) и GaAs – 1,42 эВ, такие значения позволяют поглощать широкий спектр фотонов, что делает данную гетероструктуру AlGaAs – GaAs привлекательной к применению в фотогальванических устройствах.

В данной работе, верхний слой изготовлен из AlGaAs n – типа (1,817 эВ), а нижний слой изготовлен из GaAs p – типа (1,42 эВ). Геометрические параметры устройства составляют: слой GaAs p – типа толщиной 100 мкм, AlGaAs n – типа толщиной от 5 мкм до 0.2 мкм, площадь устройства составляет 110 см2. Еще одним из достоинств использования сочетания A1GaAs-GaAs является периоды их решёток 5.85 Å для A1GaAs (зависит от состава AlxGa1-xAs) и 5.87 Å для GaAs, что снижает возникновение дислокаций несоответствия. Моделирование проводилась при стандартных условиях, температуры и освещения. Под стандартными (эталонными) условиями понимается температура 25°С, мощность излучения 1000 Вт/м2. На рисунке 1 показана гетероструктура однокаскадного солнечного элемента на основе гетероперехода A1GaAs - GaAs [6;4].

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 AlGaAs – GaAs

 

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 [1;2;7]. На рисунке 2 представлены вольт – амперные и вольт – ваттные характеристики солнечного элемента на основе гетероструктуры A1GaAs-GaAs при различной толщине слоя A1GaAs n – типа.

При изменении толщины слоя A1GaAs с 5 мкм до 0.2 мкм удается добиться увеличения КПД солнечного элемента с 25,4% до 26,08%. Данное увеличения КПД связанно с тем что верхний слой A1GaAs генерирует основную часть электронов. С увеличением легирования слоя AlGaAs от 1017 до 1020 происходит снижение КПД с 26,08 до 18,65% рисунок 3.

 

Рисунок 2. ВАХ солнечного элемента на основе гетероперехода AlGaAs – GaAs а) При толщине слоя AlGaAs – 5 мкм б) При толщине слоя AlGaAs – 0.2 мкм

 

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

 

Причина снижения производительности связанна с изменением ширины запрещенной в следствии увеличения легирования слоя A1GaAs [6; 4]. В данной работе мы также использовали текстурирование фронтальной поверхности, с использованием текстур на поверхности под углом в 73, что позволило незначительно улучшить КПД устройства с 26,08 % до 26,1%, за счет снижения оптических потерь. Степень легирования фронтального слоя AlGaAs, а также его толщина и применения текстур вносит свой вклад в производительность данного устройства. Правильный подбор этих параметров позволяет повысить КПД устройства. Солнечные элементы на основе гетероструктур A1GaAs – GaAs представляют широкий интерес во многих областях, в частности в применения для космической техники, благодаря их высокой эффективности при высоких температурах, а также низкой чувствительность к радиационным воздействиям [6;5].

 

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. 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.pdf?_tid =8f42948c-8199-11e6-83aa-00000aacb35e&acdnat=1474640901_5aee05259 76e047 a5f74f5b9ec0dd8c3 (date of the application 17.08.16).
4. Mahfoud Abderrezek, Mohamed Fathi, Saad Mekhilef, et al. Effect of Temperature on the GaInP/GaAs Tandem Solar Cell Performances. INTERNATIONAL JOURNAL of RENEWABLE ENERGY RESEARCH. 2015.Vol.5, №.2.
5. Rimada J.C., Hernandez L. Modelling of ideal ALGaAs quantum well solar cells. Microelectronics Journal 2001. Vol.32, Issue 9, P. 719–723. 
6. Therez F., Alcubilla R. and Chikouche A. AlGaAs-GaAs Solar Cell Development: Electrical Analysis And Prospects For Space Application", Solar Cells, 1986, vol. 18, P. 163–170.
7. Khvostikov Vladimir, Nikolay Kalyuzhnyy, Sergey Mintairov eat al. AlGaAs/GaAs Photovoltaic Converters For High Power Narrowband Radiation.–[Electronic source] http://oa.upm.es/35774/1/INVE _MEM_2014_189947.pdf (date of the application 17.09.16).