Моделирование эффективности однокаскадного фотоэлектрического преобразователя на основе GaAs

Арсенид галлия – один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных элементов. Арсенид галлия является прямозонным полупроводником, относящийся к классу соединений A^IIIB^V [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, N_D и N_A – концентрации дырок и акцепторов в моделируемом слое, j_n и j_p – плотность электронного и дырочного токов соответственно, G_n(x, t) и G_p(x, t) – скорости генерации электронов и дырок, R_n(x, t) и R_p(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 25^оС, 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].