МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОТОЭЛЕМЕНТА НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОПЕРЕХОДА GAAS - GE С ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММЫ PC1D

Однокомпонентные фотоэлектрические устройства имеют ограничения в способности эффективно поглощать фотоны солнечного излучения широкого спектра в диапазоне от 300 нм до 2500 нм. Например, в случае солнечных элементов Si, они не могут поглощать фотоны с длиной волны больше, чем
1100 нм, что составляет более 20% стандартного нормального наземного излучения, а также фотоны с длиной волны в ультрафиолетовой области спектра также эффективно не поглощаются[1]. Солнечные элементы, изготовленные на основе гетеропереходов, позволяют поглощать фотоны гораздо более широкого спектра, и оказались хорошим подходом к повышение эффективности фотогальванических устройств[1].

Одним из перспективных сочетание материалов является
GaAs и Ge с энергией запрещенных зон 1,42 эВ и 0,66 эВ соответственно.
Хотя это и не оптимальное сочетание, эта система имеет ряд преимуществ, как по согласование решёток, период решётки 5,653 A для GaAs и 5,660 A для Ge значительно снижающих генерацию дислокаций несоответствия, высокая механическая прочность Ge, позволяющая использовать тонкие подложки Ge, более низкая стоимость Ge, более высокая теплопроводность, а также термически соответствием с GaAs[2,3].

Ширина запрещенной зоны GаАs (1,42 эВ) близка к значению, опти­мальному для целей фотоэлектрического преобразования солнечной энергии. Арсенид галлия - прямозонный полупроводник с большим коэффициентом оптического поглощения. Высокая стоимость исходного материала и технологии изготовления солнечных элементов обусловили ограниченное применения его в солнечных элементах[4]. В этой статье мы предлагаем использования спая двух материалов GaAs с шириной запрещенной зоны 1,42 эВ в качестве верхнего слоя и Ge с шириной запрещенной зоны 0,66 эВ в качестве нижнего слоя[4].

В данной статье описывается моделирование работы фотоэлемента на основе гетероперехода GaAs - Ge, верхний слой (GaAs) и нижний слой (Ge) рисунок 1. Этот однокаскадный солнечный элемент был смоделирован с использовании программы PC1D.

Рисунок 1. Структура солнечного элемента на основе гетероперехода GaAs – Ge

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.

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_nи j_p – плотность электронного и дырочного токов соответственно, G_n(x, t) иG_p(x, t) – скорости генерации электронов и дырок, R_n(x, t) и R_p(x, t) – скорости рекомбинации электронов и дырок[5].

В процессе моделирования менялись такие параметры как толщины слоя GaAs, степень легирования слоя GaAs, а также текстурирования верхнего антибликового покрытия для лучшей передачи фотонов в толщину материала и снижения потерь в верхнем слое.

Рисунок 1. Влияния толщины слоя GaAs на ВАХ солнечного элемента

Рисунок 2. Влияния степени легирования слоя GaAs на ВАХ солнечного элемента

Рисунок 3. Влияние текстурирования на ВАХ солнечного элемента

В данном исследовании мы показали, что гетеропереход на основе GaAs/Ge может достигать удивительно высоких КПД. За счет широкого спектрального охвата, а также тщательного подбора материалов по параметрам решетки, а также изменения конструкции самого фотоэлемента и степени легирования слоя GaAs.Уменьшения толщины слоя GaAs приводило к увеличению тока, в следствии того что слой GaA sгенерирует основную часть электронов, которым необходимо пройти определенное расстояния, чтобы добраться до слоя Ge, и чем меньше это расстояние, тем вероятней что большее количество электронов достигнет слоя Ge. Также увеличении легирования, сверх определенного значения, отрицательно сказывается на мощности устройства.

Список литературы:

1. Simulation of Tunnel Junction in Cascade Solar Cell (GaAs/Ge) Using AMPS-1D. Benmoussa Dennai*, H. Ben Slimane, A. Helmaoui. JOURNAL OF NANO- AND ELECTRONIC PHYSICS.Vol. 6. №4, (2014).

2. High-Efficiency GaAs/Ge Monolithic Tandem Solar Cells.STEPHEN P. TOBIN, member, IEEE, E, S. M. VERNON, and Al. IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 9, №5, MAY 1988. P.256 -258.

3. High - Efficiency GaAs Solar Cells on Polycrystalline Ge Substrates. R. Venkatasubramanian Center for Semiconductor Research. Research Triangle Institute Research Triangle Park, North Carolina.Final Report. NREL technical monitor: – R. McConnell.August 1998.

4. Фаренбрух А., Бьюб Р.Солнечные элементы: Теория и эксперимент/ Пер. сангл. подред. М.М. Колтуна. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 280 с.:ил.

5. Моделирование зависимостей функциональных характеристик кремниевых солнечных элементов, полученных методом ионно-лучевого осаждения, от толщины и уровня легирования фронтального слоя. С.Н. Чеботарев, А.С. Пащенко, М.Л. Лунина. ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РАН Том 7, № 4, 2011, С. 25–30.