Статья:

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

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

Секция: Технические науки

Выходные данные
Бесполудин В.В. Исследования эффективности солнечного элемента на основе трехслойной гетероструктуры AlGaAs/GaAs/Ge // 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

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

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

 

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

Материал

Толщина, мкм

Степень легирования

Тип проводимости

AlGaAs

0.1

1017

N

GaAs

1.3

1017

P

Ge

0,8

1018

P

 

 

Список литературы:
1. Альтернативная энергия. Конструкции и материалы солнечных элементов. – [Электронный ресурс] – https://alternativenergy.ru/solnechnaya-energetika/5-konstrukcii-solnech... (Дата обращения 30.10.16).
2. Солнечные батареи. Арсенид-галиевые солнечные батареи. – [Электронный ресурс] – http://solarb.ru/arsenid-galievye-solnechnye-batarei (Дата обращения 30.10.16).
3. Грибковский В.П. Теория поглощения и испускания света в полупроводниках. Минск, «Наука и техника», 1975, – 464 с.
4. Чопра К., Дас С. Тонкопленочные солнечные элементы: Пер. с англ. с сокращениями. – М.: Мир, 1986. – 435 с.
5. Al-Bustani A., Feteha M.Y. A new double heterojunction AlGaAs-GaAs stru-cture for space solar cells. Renewable Energy. 1994.Vol. 5, № 1-4, P.281–284.
6. Esfandyarpour Rahim. Multi-Junction Solar Cells. – [Electronic source] – http://large.stanford.edu/courses/2012/ph240/esfandyarpour-r2/ (Date of the application 28.10.16).
7. Hauga Halvard, Birger R. Olaisen [et al.]. A graphical user interface for multivariable analysis of silicon solar cells using scripted PC1D simulations. Energy Procedia . 2013. Vol. 38, P. 72–79.
8. Hemmani Abderrahmane, Dennai B., Khachab H., [et al.]. Effect of Temperature on the AlGaAs/GaAs Tandem Solar Cell for Concentrator Photovoltaic Performances. Journal of Nano- and Electronic Physics. 2016. Vol. 8 №1, 01015(4pp).
9. Introduction. Motivation and Background. – [Electronic source] – http://shodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/70563/10/10_chapter1.pdf.
10. Simulation of Tunnel Junction in Cascade Solar Cell (GaAs/Ge) Using AMPS-1D. Benmoussa Dennai, Ben Slimane H., Helmaoui A. Journal of nano- and electronic physics. Vol. 6. №4, (2014).
11. Sumaryada Tony, Sobirin Robi and Syafutra Heriyanto. Ideal Simulation of Al0.3Ga0.7As/InP/Ge Multijunction Solar Cells. AIP Conf. Proc.2013.Vol. 162, P. 1554. – [Electronic source] – http://scitation.aip.org/content/aip/proceeding /aipcp/10.1063/1.4820310. (Date of the application 14.10.16).