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

В данной работе будет предложено моделирование солнечного элемента на основе четырехслойной гетероструктуры AlGaAs/GaAs/InP/Ge при помощи общедоступной программы PC1D [6;9;10]. Процесс моделирования был осуществлен при стандартных условиях, температуры и освещения. Под стандартными (эталонными) условиями понимается температура 25°С, мощность излучения 1000 Вт/м², и площадь устройства 110 см² [1–4]. Для поглощения фотонов в широком солнечном спектре используют материалы с различной шириной запрещенных зон. Данный солнечный элемент будет состоять из четырех полупроводниковых слоев с различной шириной запрещенных зон рисунок 1. В качестве верхнего слоя устройства применяют наиболее широкозонный материал который обеспечивает поглощения наиболее высокоэнергетичных фотонов солнечного излучения. И с каждым следующим слоем ширина запрещенной зоны уменьшается.

Постоянные решетки для AlGaAs, GaAs, Ge и InP равны 5,658 Å,5.87 Å, 5,66 Å и 5,653 Å соответственно [5;11–14]. Как мы видим период решёток данных материалов отличается не значительно, что дает возможность изменять толщину одного материала на другом в достаточно широком диапазоне, без образования дислокаций на гетерогранице двух материалов, которые приводят ухудшению фотоэлектрических характеристик. Для случая Al_xGa_1-xAs с изменением состава будет изменяться как период решетки так и ширина запрещенной, которая влияет на спектр поглощаемых фотонов. В процессе моделирования менялась толщина слоя AlGaAs c 0.3 мкм до 5 мкм рисунок 2. В результате чего ВАХ солнечного элемента уменьшилось, КПД солнечного элемента снизилось с 31,04% до 28,01%. Данное снижение эффективности может быть объяснено тем, что слой AlGaAs отвечает за фотогенерации носителей заряда и образованию электронно - дырочных пар [3].

Рисунок 1. Структура солнечного элемента на основе четырехслойной гетероструктуры

Рисунок 2.Завсимость КПД устройства от толщины слоя AlGaAs а) 0.3 мкм 31,04 % б) 5 мкм 28,01%

И таким образом чем меньше толщина слоя AlGaAs, тем вероятнее, что большее количество электронов сможет покинуть слой AlGaAs [5;6;8].

При изменении степени легирования слоя AlGaAs, N_a с 10¹⁷ до 10¹⁹ см^-3 происходит ухудщения эффективности фотоэлектрического устройства, в результате сужения ширины запрещенной зоны, и диапазона поглощаемых фотонов рисунок 3 [3;4;7].

Рисунок 3. Зависимость КПД от степени легирования слоя AlGaAs а) при Na =1·10¹⁷ КПД‑ 31,04 % б) при Na =1·10¹⁹ КПД‑ 26,42 %

В таблице 1 представлены основные характеристики солнечного элемента на основе четырехслойной гетероструктуры AlGaAs/GaAs/InP/Ge.

Таблица 1.

Технологические характеристики устройства

В результате применения четырехслойной гетероструктуры AlGaAs/GaAs/InP/Ge с оптимальной толщиной слоев, и степенью их легирования удалось достигать КПД солнечного элемента в 31,04%, что недостижимо при использовании однокаскадных солнечных элементов.

.