Статья:

Моделирование эффективности однокаскадного фотоэлектрического преобразователя на основе GaAs

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

Секция: Технические науки

Выходные данные
Бесполудин В.В. Моделирование эффективности однокаскадного фотоэлектрического преобразователя на основе GaAs // Молодежный научный форум: Технические и математические науки: электр. сб. ст. по мат. XXXIX междунар. студ. науч.-практ. конф. № 10(39). URL: https://nauchforum.ru/archive/MNF_tech/10(39).pdf (дата обращения: 19.08.2018)
Лауреаты определены. Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Мне нравится
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
на печатьскачать .pdfподелиться

Моделирование эффективности однокаскадного фотоэлектрического преобразователя на основе GaAs

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

 

Арсенид галлия – один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных элементов. Арсенид галлия является прямозонным полупроводником, относящийся к классу соединений AIIIBV [4]. Наличие у арсенида галлия «прямой» запрещенной зоны шириной 1,42 эВ позволяет использовать его для создания высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей.

Арсенид галлия обладает повышенной способностью к поглощению солнечного излучения: требуется слой толщиной всего в несколько микрон, высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эффективностью делает этот материал чрезвычайно привлекательным для использования в космических аппаратах. Единственным ограничением для широкомасштабного применения GaAs в качестве поглощающего материала в солнечных элементах является его высокая себестоимость [1;2]. Исследование однокаскадных солнечных элементов на основе GaAs стали очень активными в последнее время после длительного застоя при КПД 25,1% в течение 1990–2007 [5–7]. Предельный рекорд КПД для однокаскадных солнечных элементов на GaAs составляет 28,1% [7]. В отличие от кремниевых солнечных элементов, солнечные элементы на GaAs традиционно не используют геометрические оптические эффекты, такие как текстурированние верхней поверхности, из-за высокого коэффициента поглощения слоя GaAs. На Рисунке 1 представлена структура однокаскадного солнечного элемента на основе GaAs. Моделирование проводилось с использованием программы PC1D на основе стандартной «диффузионно-дрейфовой» одномерной модели.

 

Рисунок 1.Структура однокаскадного солнечного элемента на основе GaAs

 

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, 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 [3]. На рисунке 2 представлены вольт – амперные и вольт – ваттные характеристики солнечного элемента при различной толщине слоя GaAs n - типа. С изменением толщины слоя GaAs с 5 мкм до 0.2 мкм удается увеличить КПД солнечного элемента с 24,43 % до 26,08%. Увеличения КПД однокаскадного солнечного элемента на основе GaAs с уменьшением верхнего n-слоя связанно с фотогенерацией носителей заряда в верхнем слое. Толщина нижнего слоя GaAs не изменялась и составляла 0,9 мкм.

КПД данного устройства рассчитывалось с помощью формулы 2.

                                                                                 2)

где: Eff – КПД, %; S – площадь элемента, м2; E – мощность излучения, Вт/м2 (обычно 1000 Вт/м2); Wp – пиковая мощность элемента при 25оС, Вт.

 

Рисунок 2. Зависимость ВАХ от толщины верхнего слоя а) При толщине верхнего слоя 5 мкм б) При толщине 0.3 мкм

 

На рисунке 3 приведена зависимость вольт – амперных и вольт – ваттных характеристик солнечного элемента при различной площади устройства. При площади устройства 110 см2 рисунок 3 (а) максимальная мощность устройства составляет 2.89 Вт, при увеличении площади устройства до 150 см2 происходит увеличения максимальной мощности до 3.912 Вт рисунок 3 (б). Из рисунка 3 мы видим, что увеличения площади устройства позволяет увеличивать максимальную мощность, однако большая площадь требует больших затрат при производстве, при постоянном КПД солнечного элемента. Как и в других работах с увеличением легирования верхнего слоя солнечного элемента выше 1017 происходит снижение КПД устройства рисунок 4.

 

Рисунок 3. Влияние увеличения площади устройства а)110 см2 б) 150 см2

 

Рисунок 4. Влияние степени легирования верхнего слоя GaAs а)1017 б) 1019 на вольт – амперные и вольт – ваттные характеристики

 

В результате проведенного моделирования и подбора таких параметров как толщина, степень легирования, удалось достичь КПД однокаскадного солнечного элемента на основе GaAs в 26,08%. Что доказывает высокую эффективность применения данного материала в фотоэлектрических преобразователях. В отличие от кремниевых панелей, солнечные батареи на арсениде галлия практически не теряют производительность при повышении температуры и перегреве. А значит, им нужно меньше дополнительного охлаждения. В сочетании с высокой производительностью эти характеристики делают данные фотоячейки очень подходящими для использования в различных отраслях в том числе и в космической отрасли [2].

 

Список литературы:
1. Гременок В.Ф., Тиванов М.С., Залесский В.Б. Солнечные элементы на основе полупроводниковых материалов. Минск. БГУ. 2007. 222 с. 
2. Солнечные батареи. Арсенид – галиевые солнечные батареи. – [Электронный ресурс] – http://solarb.ru/arsenid-galievye-solnechnye-batarei (Дата обращения 17.09.16).
3. 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.
4. Чопра К., Дас С. Тонкопленочные солнечные элементы: Пер. с англ. с сокращениями. – М.: Мир, 1986. – 435 с. 
5. 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. 
6. Weiquan Yang, Jacob Becker, Shi Liu, [et al.]. Ultra-thin GaAs single-junction solar cells integrated with a reflective back scattering layer. Journal of applied physics. 2014. Vol.115, 203105.
7. Weiquan Yang, Charles Allen, Jing-Jing Li [et al.]. Ultra-Thin GaAs Single-Junction Solar Cells Integrated with Lattice-Matched ZnSe as a Reflective Back Scattering Layer. – [Electronic source] – http://www.allen-net. com/Documents/10.1109_pvsc.2012.6317766.pdf (date of the application 27.10.16).