Моделирование производительности трехслойного солнечного элемента на основе AlGaAs/ GaAs/ GaAs

Цель данного исследования заключается в использовании трехслойной структуры AlGaAs/ GaAs/ GaAs солнечного элемента и изменения ряда параметров для увеличении КПД устройства. В процессе моделирования будут меняться такие параметры как: толщина слоя AlGaAs, степень легирования слоя AlGaAs и двух слоев GaAs, применение текстурирования верхней поверхности для лучшей передачи фотонов в глубину материала, моделирования данного устройства будет производится с помощью программы PC1D. Слои A1GaAs и GaAs имеет низкую чувствительность к радиационным воздействиям и проявлению дефектов. В данной работе ширина запрещенной зоны слоя AlGaAs p- типа составляет 1,817 эВ (зав. от состава) и два слоя GaAs n - типа с шириной запрещенной зоны 1,42 эВ, такие значения ширины запрещенных зон позволяют поглощать широкий спектр фотонов.

Одним из недостатков однокомпонентных солнечных элементов является невозможность 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. При этом каждый слой устройства отвечает за поглощение определенного диапазона длин волн солнечного спектра (диапазон поглощения зависит от запрещенной зоны). Такой подход позволяет получить наиболее полное поглощение солнечных лучей по всей длине волн, что для однопереходных ячеек недостижимо [2]. КПД многослойных элементов значительно выше чем у однокаскадных устройств, так предельный КПД для однопереходных солнечных ячеек на основе GaAs был достигнут в 28%. Главным недостатком многослойных панелей является их высокая стоимость при изготовлении, и сами материалы которые обычно применяющиеся в изготовлении многослойных структур (GaAs, AlGaAs, и др.) стоят намного дороже чем Si материалы. Типичный солнечный элемент на основе GaAs состоит из очень тонкого слоя AlGaAs в качестве окна рисунок 1 [1]. Многослойные панели устроены таким образом, чтобы солнечный свет вначале падал на широкозонный материал в нашем случае это AlGaAs ширину запрещенной зоны которого мы можем контролировать, изменяя состав твердого раствора, что является преимуществом в использования данного материала в солнечных панелях. Фотоны падающего солнечного излучения поглощаются в первом слое (AlGaAs), остальная часть солнечного спектра проходит во второй слой, в котором, как и в первом поглощаются высокоэнергетические фотоны, а непоглощенное излучения проходит в третий слой устройства. Процесс селективного поглощения будет продолжать до тех пор, пока свет не достигнет полупроводникового слоя устройства с наименьшей шириной запрещенной зоны [3]. Влияния изменения толщины верхнего слоя AlGaAs на производительность устройства отражена на рисунке 2.

Рисунок 1. Структура трех слойного солнечного элемента

Рисунок 2. Влияния изменения толщины слоя AlGaAs ВАХ устройства а) толщина AlGaAs 0.1 мкм б) толщина AlGaAs 8 мкм

Как и в других случаях с увеличением толщины верхнего слоя происходит снижения производительности, поскольку этот слой отвечает за фотогенерацию. Снижение КПД составило с 28,93% до 26,9%.

При изменении степени легирования AlGaAs с 10¹⁷ до 10²⁰ происходит снижения производительности в следствии изменения ширины запрещённой зоны материала и диапазона поглощаемых фотонов рисунок 3 [4].

Рисунок 3. а) легирования AlGaAs 10¹⁷ б) легирования AlGaAs 10²⁰

Легирования двух слоев GaAs до 10¹⁹, также приводит к снижению КПД устройствах с 28,67% до 21,8% рисунок 4. Применения текстурирования к верхней поверхности способствует незначительному улучшению КПД с 28,67% до 29,48%.

Рисунок 4. Влияние легирования слоев GaAs на ВАХ устройства а) слои GaAs при степени легирования 10¹⁷ б) при степени легирования 10¹⁷

В результате проведенного моделирования было установлено, что использования трехслойных структур на основе AlGaAs/ GaAs/ GaAs позволяет увеличить КПД солнечных ячеек за счет поглощения фотонов в более широком солнечном спектре. Подбор оптимальных параметров: степени легирования материала, контроля толщины, и использования текстур позволили достичь КПД 29,03%, что недостижимо в случае использования двухслойных фотогальванических панелей. В таблице 1 приведены основных технологические характеристики устройства [5;6].

Таблица 1.

Технологические характеристики устройства