Статья:

Моделирование эффективности солнечного элемента на основе трехслойной гетероструктуры AlGaAs/GaAs/InP

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

Секция: Технические науки

Выходные данные
Бесполудин В.В. Моделирование эффективности солнечного элемента на основе трехслойной гетероструктуры AlGaAs/GaAs/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: 22.04.2018)
Лауреаты определены. Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Мне нравится
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
на печатьскачать .pdfподелиться

Моделирование эффективности солнечного элемента на основе трехслойной гетероструктуры AlGaAs/GaAs/InP

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

 

В данной работе проведено моделирование солнечного элемента на основе трехслойной гетероструктуры AlGaAs/GaAs/InP. Известно что однокомпонентные солнечных элементы не могут поглощать фотоны в широком солнечном спектре от 300 нм до 2500 нм. Для устранения этих проблем применяют многослойные элементы с последовательно выращиваемыми слоями друг за другом. В данной работе для поглощения солнечного излучения в широком спектре будут использоваться материалы с различной шириной запрещенных зон (диапазон поглощения фотонов зависит от ширины запрещенной зоны). Для AlGaAs n – типа ширина запрещенной зоны составляет 1,817 эВ (зависит от состава), GaAs p – тип 1,42 эВ, и InP p – тип с шириной запрещенной зоны 1,35 эВ. В качестве верхнего слоя солнечного элемента используется наиболее широкозонный материал AlGaAs, и наиболее высокоэнергетические фотоны падающего солнечного излучения поглощаются в первом слое, остальная же часть солнечного спектра проходит во второй слой, где, как и предыдущем слое поглощаются наиболее высокоэнергетические фотоны, а остальные фотоны проходят в третий слой устройства, с меньшей шириной запрещенной зоны в нашем случае это InP. Данные полупроводниковые материалы являются полупроводниками группы AIIIBV [1;2]. Наличие у этих полупроводников «прямой» запрещенной зоны шириной позволяет использовать их для создания высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей. Параметры кристаллических решеток для InP и GaAs AlGaAs 5,653 Å 5.87 Å и 5,658 Å соответственно [10]. Таким образом, степень несоответствия параметров решеток фосфида индия, арсенида галлия и арсенида алюминия-галлия очень мала [3;8]. На рисунке 1 представлена трехслойна гетероструктура солнечного элемента, площадь устройства составляет 110 см2. Моделирование проводилось с использованием программы PC1D [9]. В процессе моделирования менялась толщина слоя AlGaAs c 8 мкм до 0.1 мкм, степень его легирования с 1017 до 1019. Влияние изменения слоя AlGaAs показано на рисунке 2 [4;5;11].

 

Рисунок 1. Структура солнечного элемента на основе трехслойной гетероструктуры

 

Рисунок 2.Зависимость эффективности устройства от толщины слоя AlGaAs а ) КПД 28.34% при 0.1 мкм б) КПД 17.84% при 12 мкм

 

Увеличение толщины слоя AlGaAs приводит к снижению эффективности коэффициент фотоэлектрического преобразования, поскольку верхний слой AlGaAs отвечает за фотогенерацию носителей заряда. Изменения стпени легирования слоя AlGaAs, также приводит к ухудщению коэффициент фотоэлектрического преобразования, в результате сужения ширины запрещенной зоны, и диапазона поглощаемых фотонов рисунок 3 [6].

 

Рисунок 3. Зависимость эффективности устройства от степени легирования слоя AlGaAs а) КПД 28.34% при 1017 б) КПД 21,82% при 1020

 

Таким образов применения трехслойной гетероструктуры AlGaAs/GaAs/InP с различной шириной запрещенных зон обеспечивает поглощение фотонов в более широком солнечном спектре чем у однокомпонентных устройств. Подбор оптимальной толщины слоев материалов, и степени их легирования позволило достичь КПД в 28.34%, что выше в сравнении с солнечным элементом на основе InP ‑ GaAs 26.33% [8]. В таблице представлены основные характеристики трехслойного солнечного элемента на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs/InP.

Таблица 1.

Технологические характеристики устройства

Материал

Толщина, мкм

Степень легирования

Тип проводимости

AlGaAs

0.1

1016

N

GaAs

0.1

1017

P

InP

0,8

1016

P

 

 

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. Al-Bustani A., M.Y. Feteha. A new double heterojunction AlGaAs-GaAs structure for space solar cells. Renewable Energy. 1994. Vol. 5, № 1–4, P. 281–284.
5. 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).
6. 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).
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. Rahim Esfandyarpour. Multi-Junction Solar Cells. – [Electronic source] http://large.stanford.edu/courses/2012/ph240/esfandyarpour-r2/ (Date of the application 28.10.16).
9. 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).
10. 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).
11. 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).