Исследования эффективности солнечного элемента на основе трехслойной гетероструктуры AlGaAs/GaAs/Ge

В данной работе будет представлено моделирования солнечного элемента на основе трехслойной гетероструктуры AlGaAs/GaAs/Ge при помощи общедоступной программы PC1D.Моделирование проводилось при стандартных условиях, температуры и освещения. Под стандартными (эталонными) условиями понимается температура 25°С, мощность излучения 1000 Вт/м², и площадь устройства 110 см². В данной работе для поглощения солнечного излучения в широком спектре будут использоваться материалы с различной шириной запрещенных зон (диапазон поглощения фотонов зависит от ширины запрещенной зоны). На рисунке 1 представлена трехслойная гетероструктура солнечного элемента, где слой AlGaAs n – типа с шириной запрещенной зоны 1,817 эВ (зависит от состава), GaAs p – тип 1,42 эВ, и Ge p – тип с шириной запрещенной зоны 0,67 эВ. В качестве верхнего слоя солнечного элемента обычно используется наиболее широкозонный материал, в данном устройстве это AlGaAs [1;2]. Наиболее высокоэнергетические фотоны падающего солнечного излучения поглощаются в этом слое, остальная же часть солнечного спектра проходит во второй слой, где как и в предыдущем слое поглощаются наиболее высокоэнергетические фотоны, а остальные фотоны проходят в третий слой устройства с меньшей шириной запрещенной зоны в нашем случае это Ge [2]. Зависимость коэффициента поглощения и глубины проникновения фотонов в материалы от длины волны представлена на рисунке 2 [4,5,6].

Постоянные решетки для AlGaAs, GaAs и Ge равны 5,658 Å, 5.87 Å и 5,66 Å соответственно [2;4]. Как мы видим степень несоответствия параметров решеток AlGaAs, GaAs и Ge, невелика, что позволяет варьировать толщину слоев в широком диапазоне без образования дефектов на гетерогранице, которые непременно приведут к снижению характеристик устройства, появление токов утечек и т.д. [9;11].

Рисунок 1. Структура солнечного элемента на основе трехслойной гетероструктуры

Рисунок 2. Зависимость коэффициента поглощения и глубины проникновения для материалов при различной длине волны падающего солнечного излучения

В процессе моделирования менялась толщина слоя AlGaAs c 0.1 мкм до 8 мкм, степень его легирования с 10¹⁷ до 10¹⁹. Влияние изменения слоя AlGaAs показано на рисунке 2 [3;4;5]. Увеличение толщины слоя AlGaAs приводит к снижению эффективности коэффициент фотоэлектрического преобразования, поскольку верхний слой AlGaAs отвечает за фотогенерацию носителей заряда.

И таким образом чем меньше это расстояние (т.е. толщина слоя AlGaAs), тем вероятнее, что большее количество электронов покинет слой AlGaAs и внесёт свой вклад в проводимость [3]. Изменения степени легирования слоя AlGaAs, также приводит к ухудщению коэффициент фотоэлектрического преобразования. Потому что, при введении в полупроводник примесей, особенно в большом количестве, может заметно измениться энергетическая структура вещества, населенность уровней энергии и вероятность оптических переходов. Также происходит появление новых уровней и даже зон в разрешенных значений энергии в запрещенной зоне, ширина запрещенной зоны при этом уменьшается, что влияет на диапазон поглащаемых фотонов [3;7;10].

Рисунок 1. Влияние толщины слоя AlGaAs на КПД солнечного элемента а) При толщине 0.1 мкм КПД 27,01% б) При толщине 8 мкм КПД 23,17%

Рисунок 2. Влияние степени легирования слоя AlGaAs на КПД солнечного элемента а) При 10¹⁷ 27,01% б) При 10¹⁹ КПД 23,9%

Таким образов применения трехслойной гетероструктуры AlGaAs/GaAs/Ge с различной шириной запрещенных зон обеспечивает поглощение фотонов в более широком солнечном спектре чем у однокомпонентных устройств. Подбор оптимальной толщины слоя AlGaAs, и степени его легирования позволило достичь КПД в 27.02% [8]. В таблице представлены основные характеристики трехслойного солнечного элемента на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs/Ge.

Таблица 1.

Технологические характеристики устройства