Статья:

Моделирование эффективности солнечного элемента на основе четырехслойной гетероструктуры AlGaAs/GaAs/GaAs/Ge

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 четырехслойной гетероструктуры AlGaAs/GaAs/GaAs/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: 18.08.2018)
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 четырехслойной гетероструктуры AlGaAs/GaAs/GaAs/Ge

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

 

В данной работе будет представлено моделирование четырехслойного солнечного элемента на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs/GaAs/Ge c помощью общедоступной программы PC1D.Моделирование проводилось при стандартных условиях, температуры и освещения. Под стандартными (эталонными) условиями понимается температура 25°С, мощность излучения 1000 Вт/м2, и площадь устройства 110 см2. На рисунке 1 представлена структура данного солнечного элемента.

 

Рисунок 1. Структура четырехслойного солнечного элемента на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs/GaAs/Ge

 

Для поглощения фотонов в широкого спектра фотонов будут использоваться материалы с различной шириной запрещённых зон. В качестве верхнего слоя применяют наиболее широкозонные материалы AlGaAs, GaInP, AlInP и т.д. Слой AlGaAs в данной структуре служит для преобразования коротковолновой части (400 ... 670 нм) солнечного спектра. Далее в данной структуре слои GaAs служат для преобразования «среднего» участка (670 ... 900 нм) солнечного спектра, затем слой Ge – отвечает за преобразования ИК – части (900 ... 1650 нм) солнечного спектра [1;7;8]. Таким образом использования материалов с разной шириной запрещенных зон позволяет более эффективно использовать солнечное излучения. Постоянные решетки для AlGaAs (зависит от состава), GaAs и Ge равны 5,658 Å, 5.87 Å и 5,66 Å соответственно [4;5;9]. Как мы видим несоответствия параметров решеток данных материалов не значительна, что позволяет наращивать довольно «толстый» слой одного материала на другом материале без образования дислокаций которые приведут к ухудшению характеристик [6;9]. КПД данного устройства рассчитывалось с помощью формулы 1.

                                          1)

где: Eff – КПД, %; S – площадь элемента, м2; E – мощность излучения, Вт/м2 (обычно 1000 Вт/м2); Wp – пиковая мощность элемента при 25оС, Вт.

При изменении степени легирования слоя AlGaAs рисунок 2 Na с 1017 до 1019 см-3 происходит, снижения производительности устройства. Что может быть объяснено, тем что происходит появление новых уровней и даже зон в разрешенных значений энергии в запрещенной зоне, ширина запрещенной зоны при этом уменьшается, что влияет на диапазон поглощаемых фотонов [1–3]. На рисунке 3 представлена зависимость производительности данного устройства от степени легирования слоя GaAs n – тип. С увеличением степени легирования Nd с 1017 до 1019 происходит повыщения КПД устройства с 28,36% до 31.036%. Данное повышения производительности устройства может быть связанно с изменением значения ширины запрещенной зоны в следствии высокой степени легирования как описывалось выше, и сдвиг преобразования «среднего» участка (670 ... 900 нм) солнечного спектра к более близкой к ИК – части. Таким образом фотоны с длиной волны которые не поглотились слоем GaAs p – тип, поглощаются слоем GaAs n – тип со степенью легирования Nd =1 1019, поскольку слой Ge не может эффективно поглотить ту часть фотонов которая поглощается слоем GaAs n – тип [3].

 

Рисунок 2. Зависимость КПД солнечного элемента от степени легирования слоя AlGaAs а) Na =1·1016 КПД 30,99% б) Na =1·1019 КПД 23,66%

 

Рисунок 3. Зависимость КПД солнечного элемента от степени легирования слоя GaAs а) Nd =1·1016 КПД 28,36% б) Nd =1·1019 КПД 31.036 %

 

Повышения площади устройства с 110 см2 позволяет повысить максимальную выходную мощность устройства с 3,409 Вт до 3,689 Вт рисунок 4. Увеличения площади устройства требует больших затрат при его производстве, при этом КПД устройства не изменяется. В данном устройстве было применено текстурирования фронтальной поверхности что позволило увеличить КПД устройства с 30,33% до 31.036%, за счет снижения оптический потерь и лучшей передачи фотонов в глубину материалов [3].

 

Рисунок 4.Зависимость ВАХ устройства от его площади а) при 110 см2 P=3,409 Вт б) при 120 см2 P = 3,689 Вт

 

В результате использования гетероструктуры на основе AlGaAs/GaAs/GaAs/Ge с различной шириной запрещенных зон, а также подбора степени легирования материалов и использования текстурирования фронтальной поверхности удалось достичь КПД солнечного элемента в 31.036%. В таблице 1 приведены основные технологические характеристики устройства.

Таблица 1.

Технологические характеристики устройства

Материал

Толщина, мкм

Степень легирования

Тип проводимости

AlGaAs

0.2

1016

P

GaAs

2.1

1016

P

GaAs

1.3

1019

N

Ge

1,1

1017

N

 

 

Список литературы:
1. Андреев, Вячеслав. Мощные фотоэлектрические преобразователи монохроматического и концентрированного солнечного излучения. Современная электроника. 2014. № 6. С. 20–25.
2. Гременок В.Ф., Тиванов М.С., Залесский В.Б. Солнечные элементы на основе полупроводниковых материалов. Минск. БГУ. 2007. 222 с. 
3. Грибковский В. П. Теория поглощения и испускания света в полупроводниках. Минск, «Наука и техника», 1975, – 464 с.
4. Солнечные батареи. Арсенид - галиевые солнечные батареи. – [Электронный ресурс] – http://solarb.ru/arsenid-galievye-solnechnye-batarei (Дата обращения 17.09.16).
5. Чопра К., Дас С. Тонкопленочные солнечные элементы: Пер. с англ. с сокращениями. – М.: Мир, 1986. – 435 с. 
6. Юрасов Д.В., Дроздов Ю.Н. Критическая толщина перехода по Странскому – Крастанову с учетом эффекта сегрегации. Физика и техника полупроводников, 2008, том 42, вып. 5.
7. Abderrezek Mahfoud, Fathi Mohamed, Mekhilef Saad, [et al.]. Effect of Temperature on the GaInP/GaAs Tandem Solar Cell Performances. International Journal of Renewable Energy Research. 2015. Vol. 5, № 2. 
8. King R.R., Bhusari D., Larrabee D., [et al.]. Solar cell generations over 40% efficiency. Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 2012. Vol. 20., №6. P. 801–815.
9. 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).