Моделирование солнечного элемента на основе гетероперехода InP - GaAs

В данной работе показано моделирование солнечного элемента на основе гетероперехода InP – GaAs. Моделирования проводилась с использованием программы PC1D. В этой статье мы предлагаем использования сочетания двух материалов GaAs n – типа и InP p – типа, с шириной запрещенной зоны 1,42 эВ и 1,35 эВ соответственно. В данной модели солнечного элемента GaAs используется в качестве верхнего слоя, а слой InP в качестве нижнего слоя [4]. Как арсенид галлия как и фосфид индия являются прямозонными полупроводниками, относящийся к классу соединений A^IIIB^V [4]. Наличие у фосфида индия «прямой» запрещенной зоны шириной 1,34 эВ позволяет использовать его для создания фотоэлектрических преобразователей. Вследствие высокого оптического коэффициента поглощения свет проникает в полупроводник на малую глубину, благодаря чему не требуются пленки с очень большой диффузионной длиной неосновных носителей заряда [4].

Монокристаллы фосфида индия имеют наибольшие перспективы широкого промышленного производства и применения после арсенида галлия [5]. Параметры кристаллических решеток для InP и GaAs 5,653 Å и 5.87 Å соответственно. Таким образом, степень несоответствия параметров решеток фосфида индия арсенида галлия очень мала. Кроме того, GaAs и InP согласуются между собой по параметрам энергии, и благодаря этому данные полупроводники образуют идеальный гетеропереход [4;5]. Цель данного исследования заключается в оптимизации конструкции солнечного элемента на основе гетероперехода InP ‑ GaAs для увеличения КПД устройства посредством изменения толщины слоя GaAs, уровня легирования GaAs и применением текстур на фронтальной поверхности при помощи программы PC1D. В процессе моделирования мы используем слой InP p – типа толщиной 100 мкм, и слой GaAs n – типа, толщина последнего будет варьироваться от 4 мкм до 0.2 мкм для достижения наибольшего КПД устройства [5;2]. Площадь всего солнечного элемента будет фиксирована и составит 110 см². На Рисунке 1 представлена структура однокаскадного солнечного элемента на основе гетероперехода InP -GaAs.

Моделирование проводилось на основе стандартной «диффузионно-дрейфовой» одномерной модели. В этой модели совместно решается система одномерных уравнений с использованием дискретной сетки. Система представлена уравнением Пуассона и двумя уравнениями переноса заряда в случае электронов и дырок.

Рисунок 1.Структура солнечного элемента на основе гетероперехода InP –GaAs

где:диэлектрическая проницаемость моделируемого слоя,  – диэлектрическая постоянная, q – заряд электрона, p(x,t) и n(x,t) – концентрация дырок и электронов в моделируемом слое, φ – электрический потенциал, ND и NA – концентрации дырок и акцепторов в моделируемом слое, jn и jp – плотность электронного и дырочного токов соответственно, Gn(x, t) и Gp(x, t) – скорости генерации электронов и дырок, Rn(x, t) и Rp(x, t) – скорости рекомбинации электронов и дырок [2]. В результате моделирования толщина слоя GaAs была изменена с 4 мкм до 0.2 мкм при этом КПД устройства вырос с 25,2 % до 25,98 %. На рисунке 2 показано ВАХ устройства при различной толщине слоя GaAs.

Рисунок 2. Результаты ВАХ после изменения толщины слоя GaAs а) 4 мкм б) 0.2 мкм

Влияние степень легирования отражено на рисунке рисунок 3. Так увеличение степени легирования слоя GaAs с 10¹⁷ до 10²⁰ приводит к значительному уменьшению КПД с 25,98% до 13, 43%. Из данного результата можно сделать вывод об оптимальной концентрации в 10¹⁷ для слоя GaAs.

Рисунок 3. Влияние увеличения уровня легирования слоя GaAs с 10¹⁷ до 10²⁰ а) Степень легирования GaAs 10²⁰ б) Степень легирования GaAs с 10¹⁷

Использование текстурирования позволяет повысить КПД с 25,98% до 26,3% за счет снижение оптических потерь и лучшей передачи фотонов в глубину материала, однако из литературных данных можно увидеть, что, доля потерь, связанных с отражением при использовании текстурирования составляют 3% от всех видов потерь при преобразовании солнечной энергии в электрическую [5]. В данном работе мы показали, что сочетание таких материалы как GaAs и InP, а также оптимизация параметров позволяет достичь высокий КПД 26,3 % для однокаскадного солнечного элемента.

Полупроводниковые соединения А^IIIB^V такие, как GaAs, InP, GaAlAs, GaInAsP, InAs, InSb, обладают почти идеальными характеристиками для фотовольтаического преобразования солнечного света. Единственным ограничением для их широкомасштабного применения в качестве поглощающих материалов в солнечных элементах является высокая себестоимость [1].