Оптимизация солнечного элемента на основе гетероструктуры AlGaAs - GaAs

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 Al_xGa_1-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].