Статья:

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

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

Секция: Технические науки

Выходные данные
Бесполудин В.В. Исследование эффективности четырехслойного солнечного элемента на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs/InP/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

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

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

 

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 AlxGa1-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, Na 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

Материал

Толщина, мкм

Степень легирования

Тип проводимости

AlGaAs

0,3

1016

P

GaAs

1,7

1016

P

InP

2,7

1017

N

Ge

1,3

1019

N

 

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.

 

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).
12. Therez F., Alcubilla R. and Chikouche A.. AlGaAs-GaAs Solar Cell Development: Electrical Analysis And Prospects For Space Application", Solar Cells, 1986,vol. 18, P. 163–170.
13. Venkatasubramanian R., Timmon M. L., Colpitts T. S., [et al.]. Advances in the development of an A1GaAs/GaAs cascade solar cell using a patterned germanium tunnel interconnect. Solar Cells. 1991. Vol. 30, P.345–354.
14. Vladimir Khvostikov, Nikolay Kalyuzhnyy, Sergey Mintairov eat al. AlGaAs/GaAs Photovoltaic Converters For High Power Narrowband Radiation. [Electronic source] http://oa.upm.es/35774/1/INVE_MEM_2014_189947.pdf (Date of the application 19.09.16).
 

.