Влияние толщины и степени легирования на эффективность солнечного элемента на основе гетероструктуры AlGaAs - InP

В данной работе представлено моделирование эффективности солнечного элемента на основе гетероперехода AlGaAs – InP. Моделирования проводилась с использованием программы PC1D. Применения таких материалов как AlGaAs и InP с шириной запрещенных зон 1,817 эВ (зависит от состава) и 1,35 эВ соответственно позволяет получать высокоэффективные однокаскадные фотоэлектрические преобразователи. Данные значения ширины запрещенных зон, для материалов позволяют поглощать широкий спектр фотонов, что недоступно для однокомпонентных солнечных ячеек [2].

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 [1,6,8]. Как арсенид алюминия-галлия так и фосфид индия являются прямозонными полупроводниками, относящийся к классу соединений A^IIIB^V [3].

В этой модели однокаскадного солнечного элемента в качестве верхнего слоя будет использован слой AlGaAs p- тип, а нижний слой устройства будет изготовлен из InP n – тип. Параметры кристаллических решеток для InP и AlGaAs (зависит от состава) составляют 5,653 Å и 5,658 Å соответственно, что позволяет наращивать достаточно толстые эпитаксиальное слои AlGaAs на слое InP без образования дислокаций, поскольку образования дислокаций на гетерогранице InP – AlGaAs, будет приводить к деградации характеристик устройства и ввода разрешенных состояний в запрещенную зону и т.д. На рисунке 1 представлена однокаскадная гетероструктура солнечного элемента на основе AlGaAs – InP. Осуществили моделирования данного фотоэлектрического преобразователя посредством программы PC1D [4;9]. В процессе моделирования была изменена толщина слоя AlGaAs c 0.1 до мкм 9 мкм, степень легирования слоя InP с 10¹⁷ до 10¹⁹, и степень легирования слоя AlGaAs с 10¹⁷ до 10¹⁹. Влияние изменения толщины слоя AlGaAs на ВАХ показано на рисунке 2 [5;7;10]. Толщина слоя InP была фиксированная и составляла 1,3 мкм.

Рисунок 1. Структура солнечного элемента на основе гетероструктуры AlGaAs – InP

Данное поведение ВАХ связанно с тем, что в слое AlGaAs начинается фотогенерация носителей зарядов, и с увеличением слоя AlGaAs от 0.1 до мкм 9 мкм уменьшения КПД устройства уменьшается с 26,39% до 21,97%.

Рисунок 2.Зависимость эффективности устройства от толщины слоя AlGaAs а ) КПД 26,39% при 0.1 мкм б) КПД 21,97% при 9 мкм

При увеличении степени легирования слоя InP в данном устройстве происходит снижение ВАХ в отличие от трехслойной структуры AlGaAs/GaAs/InP, где наоборот происходит увеличение КПД устройства, из-за использования в первых двух слоях широкозонных материалов с разной шириной запрещенных зон, в результате чего в третей слой поступают наиболее низкоэнергетические фотоны активно поглощающиеся

Рисунок 3. Зависимость ВАХ от степени легирования слоя InP а) 10¹⁷ б) 10¹⁹

узкозонными материалами, и с увеличением степени легирования слоя InP такая вероятность несколько увеличивается [5;6]. В данной работе наоборот происходит снижения ВАХ в гетероструктуре AlGaAs – InP с увеличением степени легирования из-за более высокой разницы ширины запрещенных зон в материалах, и в результате легирования слоя InP вероятность поглощения высокоэнергетических фотонов снижается.

Рисунок 4. Зависимость ВАХ от степени легирования слоя AlGaAs а) 10¹⁷ б) 10¹⁹

Таким образов используя такие материалы как AlGaAs и InP в солнечных элементах можно получать достаточно высокий КПД для однокаскадных солнечных элементов. После подбора оптимальной толщины слоев материалов и степени их легирования мы достигли КПД в 26,39%.