Статья:

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

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

Секция: Технические науки

Выходные данные
Бесполудин В.В. Влияние толщины и степени легирования на эффективность солнечного элемента на основе гетероструктуры AlGaAs - InP // 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

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

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

 

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 AIIIBV [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%.

 

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. Чопра К., Дас С. Тонкопленочные солнечные элементы: Пер. с англ. с сокращениями. – М.: Мир, 1986. – 435 с.
4. Dennai B., Slimane H. Ben, Helmaoui A. and Tandjaoui M. N. Modeling of tandem solar cell InP / Ge using AMPS-1D. [Electronic source] http://ac.els-cdn.com/S1876610213011132/1-s2.0-S1876610213011132-main.pd... 76e047 a5f74f5b9ec0dd8c3 (Date of the application 17.08.16).
5. Hemmani Abderrahmane, B. Dennai, H. Khachab, [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).
6. Introduction. Motivation and Background. – [Electronic source] – http://shodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/70563/10/10_chapter1.pdf.
7. Khvostikov Vladimir, Nikolay Kalyuzhnyy, Sergey Mintairov [et al.]. AlGaAs/GaAs photovoltaic converters for high power narrowband radiation. – [Electronic source] – http://scitation.aip.org/docserver/fulltext/aip/proceeding/aipcp/1616/10... (Date of the application 31.10.16). 
8. 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).
9. 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).
10. 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).