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

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 25^оС, Вт.

При изменении степени легирования слоя AlGaAs рисунок 2 N_a 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 N_d 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 N_d =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) N_a =1·10¹⁶ КПД‑ 30,99% б) N_a =1·10¹⁹ КПД‑ 23,66%

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