Исследование эффективности солнечного элемента на основе гетероструктуры AlGaAs / InP / Ge

Повышение эффективности солнечных батарей является одной из самых сложных задач для ученых в настоящее время. Солнечная батарея является важным устройством для генерации электричества с помощью солнечного света. Компьютерное моделирование, может быть использовано, решения этой задачи. Посредством моделирования, мы можно рассчитать правильные параметры, такие как толщина, степень легирования слоев устройства, и многое другое. Исходя из этого моделирование будет полезно при изготовлении экспериментальной модели и таким образом позволит сохранить время и ресурсы на изготовления устройства. В этой статье мы предлагаем трехслойную гетероструктуру на основе AlGaAs / InP / Ge рисунок 1 [9;11;10]. Данная солнечная панель будет смоделирована с помощью свободно доступной программы PC1D [6]. Моделирование проводилась при стандартных условиях, температуры и освещения. Под стандартными (эталонными) условиями понимается температура 25°С, мощность излучения 1000 Вт/м², и площадь устройства 110 см². Многослойные солнечные панели строятся по принципу селективного поглощения фотонов каждым слоем, в качестве верхнего слоя применяется наиболее широкозонный материал, следующие слои устройства как правило изготавливаются из более узкозонных полупроводниковых материалов [1;2]. Таким образом в первом слое поглощаются наиболее высокоэнергетичные фотоны, в следующем более узкозонном полупроводнике поглощаются уже менее энергетические фотоны и т.д. Такой принцип позволяет максимально использовать солнечный спектр и снизить потери [2;5]. На рисунке 2 показан коэффициент поглощения фотонов полупроводниковыми материалами AlGaAs, InP, Ge [4;7;8]. В данной работе будет использован слой AlGaAs p – тип с шириной запрещенной зоны 1,817 эВ (зависит от состава), и слои InP и Ge n – типа с шириной запрещенных зон 1,34 эВ и 0,67 эВ соответственно.

Постоянные решетки для AlGaAs, InP и Ge равны 5,658 Å, 5,653 Å и 5,66 Å соответственно. Таким образом, степень несоответствия параметров арсенид алюминия-галлия, фосфида индия и германия очень мала [3;10]. В результате чего мы можем варьировать в широком диапазоне толщину пленок без образования дефектов на гетерогранице, которые непременно приведут к ухудшению характеристик устройства, увеличению процессов рассеяния и т.д. В данной работе в процессе моделирования будут меняться такие параметры устройства, как толщина слоя AlGaAs с 0.1 мкм до 9.5 мкм, и степень легирования AlGaAs с 10¹⁷ до 10¹⁹.

Рисунок 1. Трехслойная гетероструктура солнечного элемента

На рисунке 3 представлена зависимость КПД устройства от толщины слоя AlGaAs, с увеличением толщины данного слоя происходит значительный спад производительности, поскольку данный слой AlGaAs отвечает за фотогенерации носителей заряда и образованию электронно-дырочных пар. И чем толще будет слой AlGaAs, тем большее снижения производительности устройства можно наблюдать, поскольку в данном случае вероятность рекомбинации носителей зарядов в слое AlGaAs увеличивается.

Рисунок 2. Зависимость коэффициента поглощения фотонов от длины волны для Ge, InP,AlGaAs

Рисунок 3. Зависимость КПД устройства от толщины слоя AlGaAs а) При толщине 0.1 мкм КПД 28,29 % б) При толщине 9.5 мкм 22,32 %

Увеличения легирования слоя AlGaAs сверх определенной величины приводит к значительному снижению КПД устройства, с 28,29% до 19,84%, по причине изменения диапазона поглощаемых фотонов слоя AlGaA в следствии легирования [6;7].

Рисунок 4. Зависимость КПД устройства от степени легирования слоя AlGaAs а) При 10¹⁷ КПД 28,29% б) При 10¹⁹ КПД 19,84%

Таким образов данная работа показала, что оптимальный подбор полупроводниковых материалов с различной шириной запрщенных зон позволяет поглощать широкий спектр солнечного излучения, а также контроль толщины и степени легирования играет существенную роль в производительности солнечных элементов. Благодаря чему удалось достичь КПД устройства в 28,29 %.