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

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 A^IIIB^V [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