SIMULATION OF FUNCTIONAL CHARACTERISTICS OF SOLAR CELL BASED ON n-GaInAsP / p-Si HETEROSTRUCTURE IN AFORS-HET V.2.5 SOFTWARE

Abstract


The process of numerical modeling is an important step in obtaining new solar cells, since it eliminates the costs of developing, obtaining and researching their prototypes. In this work, the main parameters of the solar cell model were calculated on the Afors-HET v.2.5 program, which is well developed for these purposes. The characteristics of the solar cell were modeled sequentially depending on the thickness, doping level of the layers, temperature and texture of the solar cell surface. Purpose: modeling and research of current-voltage and spectral characteristics of the n -GaxIn1-xAsyP1-y/ p -Si heterostructure. Methods: for the study, a numerical simulation method was taken. The dependences of the efficiency on the emitter thickness in the range 200-1000 nm, the level of doping with impurities in the range 1×1016 - 1×1019 cm-3, temperatures from 300 to 400 K were obtained, short-circuit current from the thickness of the emitter. Results: the presented results demonstrate that the maximum efficiency of 22,31 % is achieved at an emitter thickness of 200 nm, a donor impurity concentration of 3×1017 cm-3, an acceptor impurity concentration of 2×1017 cm-3. The effect of surface texture in the form of inverted pyramids at an angle of 44,8° leads to an increase in efficiency from 22,31 to 22,34 %. As a result of the simulation, it was found that the maximum value of the efficiency of the solar cell equal to 22,34 %, with a short-circuit current density of 38,24 mA/cm2, an open circuit voltage of 699,8 mV and a fill factor of 84.29% is possessed by a solar cell with composition Ga0.95In0.05As0.05P0.95/Si. Practical relevance: for the first time, the modeling of the surface texture of a solar cell by inverted pyramids in the Afors-HET program is described. Thus, a solar cell based on an n -GaInPAs/ p -Si heterostructure is competitive in all basic parameters to many single-junction solar cells.

Full Text

Введение Переход к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) происходит с ускорением во всём мире, это прежде всего связано с экологичностью ВИЭ. На долю солнечной энергетики приходится всего несколько процентов от общемировой энергетики, но рост количества солнечных электростанций, по данным Международного энергетического агентства (МЭА) [1], является самым высоким. На рис. 1 показан имеющийся и возможный рост установленной мощности для ВИЭ с 2019 по 2022 г. Видно, что объём и прирост солнечной энергетики самые высокие среди всех ВИЭ. Рис. 1. Чистый прирост мощностей возобновляемых источников по технологиям согласно данным МЭА [1] Хотя сама солнечная энергия бесплатна, высокая стоимость ее преобразования и хранения по-прежнему ограничивает ее использование во многих местах. За каждый процент эффективности СЭ идёт борьба во всём мире, и в связи с этим вопрос моделирования и симуляции новых СЭ является, как никогда, актуальным. При дальнейших разработках новых материалов для солнечных элементов (СЭ), альтернативных методов исследований, в том числе моделирования, и производства, произойдёт снижение цены за киловатт данного вида электроэнергии, что поспособствует доступности её во многих странах. Процесс численного моделирования является важным этапом при получении новых СЭ, так как исключает траты на разработку, получение и исследование прототипов СЭ. На данный момент моделированию СЭ посвящается множество научных работ, в том числе на базе программы Afors-HET [2-8]. Большая часть исследований по моделированию в фотовольтаике относится к СЭ на кремниевых подложках, как и объём их производства [8], что является проблемой для исследований в области других «незамеченных» полупроводников. С другой стороны, в последнее время активно исследуют многокомпонентные соединения на базе A3B5 для получения более эффективных СЭ [9-10]. В ранних работах коллег по научному центру проводилось моделирование бинарных и трёхкомпонентных соединений типа GaP и GaAsP [6] на кремнии, что подтолкнуло к исследованию более сложного состава. Тот факт, что с добавлением индия диффузионная длина носителей заряда в GaxIn1-xAsyP1-y увеличивается, играет важную роль для исследования. Впервые в программном продукте Afors-HET применялся метод текстурирования поверхности СЭ GaxIn1-xAsyP1-y/Si инвертированными пирамидами, что повысило выходные характеристики исследуемого СЭ. Целью данной работы являются моделирование и построение зависимостей коэффициента полезного действия (КПД), Isc, Uoc от толщины эмиттера, концентрации примесей, температуры и текстуры поверхности гетероструктуры n-GaxIn1-xAsyP1-y/p-Si. Результаты данного исследования помогут в дальнейшем в разработке и получении СЭ на основе гетероструктуры многокомпонентного твёрдого раствора n-GaxIn1-xAsyP1-y/p-Si, а также дают возможность обратить внимание на текстуру поверхности данного СЭ. Экспериментальная часть Компьютерная программа Afors-HET v.2.5 (Центр материалов и энергии имени Гельмгольца, г. Берлин), в которой было проведено моделирование, основана на диффузионно-дрейфовой модели, включающей уравнения Пуассона, непрерывности и переноса электронов и дырок [4-6]. При моделировании СЭ в AFORS HET необходимо определить основные параметры полупроводниковых слоев, такие как: 1) ширина запрещенной зоны Eg; 2) сродство к электрону; 3) диэлектрическая постоянная; 4) эффективная плотность состояний в валентной зоне NV; 5) эффективная плотность состояний в зоне проводимости NC; 6) подвижность электронов и дырок; 7) тепловая скорость электронов и дырок; 8) плотность. Эти параметры рассчитаны по правилу Вегарда (1) [11, 12], при использовании постоянных величин для бинарных соединений InAs, InP, GaAs, GaP [13-16]: b(x,y)~ = (1 - x)y·bInAs + (1 - x)(1 - y)bInP + xy·bGaAs + x(1 - y)bGaP, (1) где b(x,y) - это искомый параметр, а x и y - это стехиометрические коэффициенты. Конструкция моделируемого СЭ приведена на рис. 2, на котором контакты приняты как омические. Скорость поверхностной рекомбинации электронов и дырок Sn и Sp на границе контактов составляла 107 см/с. Рис. 2. Конструкция моделируемого солнечного элемента на базе гетероструктуры n-GaInAsP/p-Si В данной работе была построена зависимость ширины запрещённой зоны Eg для GaxIn1-xAsyP1-y от параметра кристаллической решётки. В качестве подложки для СЭ использовался Si, при этом состав эмиттера Ga0,95In0,05As0,05P0,95 имеет рассогласование периода кристаллической решётки с кремнием 0,944 % (рис. 3), что принято считать эпитаксиальным слоем [16-8]. Рис. 3. Зависимость ширины запрещенной зоны от параметра кристаллической решётки в твёрдом растворе GaInAsP Оптимальным составом гетероструктуры данного исследования является Ga0,95In0,05As0,05P0,95, так как ширина запрещённой зоны эмиттера равняется 2,17 эВ, тем самым увеличивая спектральную чувствительность, что приводит к повышению КПД СЭ. Количество точечных дефектов в p-базе равнялось 1015 см-2, в n-эмиттере 1010 см-2. Зависимости КПД СЭ от толщины эмиттера, уровня легирования были посчитаны с помощью моделирования вольтамперной характеристики (ВАХ). ВАХ солнечного элемента отражает зависимость исходящего тока солнечного элемента от напряжения на его контактах (рис. 4), основным уравнением которой является следующее: I = Iph - Is[exp( ) - 1] - (2) где V - напряжение, T - температура, I - ток, который протекает через нагрузку, Iph - величина генерируемого тока, IS - ток сатурации, n - фактор идеальности выпрямительного p-n-перехода, k - заряд электрона, Rs - последовательное сопротивление, Rsh - параллельное сопротивление. Ниже на рис. 4 показана эквивалентная схема СЭ. Рис. 4. Эквивалентная схема солнечного элемента, где G - интенсивность падающего света (заданная равной 1000 Вт/м2) Моделирование функциональных характеристик проводилось следующим образом: вначале было произведено моделирование по толщине эмиттера при заданном составе и заданной толщине базы Si. После была построена зависимость Jsc, Uoc, КПД от степени легирования эмиттера и базы при фиксированной толщине эмиттера. На следующем этапе при всех прочих равных данных была построена зависимость КПД от температуры. И на последнем этапе была промоделирована текстурированная поверхность в виде инвертированных пирамид под углом 44,8 ̊. Результаты и обсуждение Толщина кремниевой базы для СЭ была взята равной 350 мкм, что хорошо согласуется с литературными данными [13-16]. В результате расчёта Jsc, Uoc (рис. 5, а, б) и КПД (рис. 5, в) установлено, что зависимость их от толщины эмиттера имеет близкий к линейному характер, при этом максимальные значения составляют 699,8 мВ, 38,24 мА и 22,31 % при толщине слоя 200 нм. а б в Рис. 5. Зависимость Jsc (а), Uoc (б) и КПД (в) от толщины эмиттера Это объясняется тем, что при уменьшении толщины эмиттера расстояние до поверхности от обеднённой области уменьшается и вероятность рекомбинации также уменьшается, тем самым увеличиваются Uoc, Jsc и соответственно КПД. Меньшая толщина эмиттера не рассматривалась, поскольку при такой толщине сложно провести контролируемое вжигание контактов СЭ. При большей толщине значения КПД меньше 20 %. На рис. 6 представлены результаты расчета ВАХ, показанные при разной степени легирования и толщине эмиттера. а б Рис. 6. Семейство ВАХ промоделированного в работе СЭ при разной концентрации донорной примеси с толщиной эмиттера 200 нм (а) и при разной толщине эмиттера с концентрацией Nd = 3·1017 см-3 (б) Квантовый выход является одним из главных критериев эффективной работы СЭ [19-21], который показывает, сколько процентов падающего света преобразуется в энергию и на каких длинах волн. Внешнюю квантовую эффективность (EQE) можно определить с помощью уравнения EQE = hc·Jsc·q·λ·Irad, (3) где hc - это постоянная Планка, c - скорость света, Irad - освещенность при AM 1.5G, q - заряд электрона, λ - длина волны падающего света. Были построены зависимости внешнего квантового выхода от концентрации примеси в эмиттере и толщины эмиттера моделируемого СЭ (рис. 7). Можно отметить, что при уменьшении толщины эмиттера квантовый выход смещается в коротковолновую область света до 350 нм. Это даёт возможность использовать данные СЭ в космическом пространстве, поскольку спектр солнечного излучения в ультрафиолетовой зоне сильно ограничен атмосферой. а б Рис. 7. Внешний квантовый выход при разной концентрации донорной примеси с толщиной 200 нм (а) и при разной толщине эмиттера с концентрацией примеси Nd = 3·1017 см-3 (б) Дальнейший этап моделирования заключается в построении зависимости эффективности и семейства ВАХ от температуры (рис. 8), так как на космических станциях температура выше, был взят диапазон моделирования от 300 до 400 К. Как известно, с ростом температуры поток электронов внутри элемента нарастает, что вызывает увеличение силы тока, но при этом падает напряжение [10, 22, 23]. Падение напряжения больше, чем увеличение силы тока, поэтому общая мощность падает, как и эффективность. При росте температуры от 300 до 400 К происходит уменьшение КПД на 6 %, что хорошо согласуется с температурным коэффициентом для СЭ [22-25]. б а Рис. 8. Семейство ВАХ (а) и зависимость КПД (б) от температуры СЭ На заключительном этапе приведены результаты моделирования при использовании текстурированной поверхности в виде инвертированных пирамид под углом 44,8 ̊, что позволяет свету отражаться от стенок поверхности и падать под другим углом в глубь СЭ. Такие перевернутые пирамиды на поверхности дают прибавление Jsc на 0,04 мА/см2 и КПД на 0,03 %. Схематически инвертированные пирамиды показаны на рис. 9. Рис. 9. Структура поверхности солнечного элемента в виде инвертированных пирамид Заключение В данной работе впервые проведено моделирование текстуры поверхности СЭ в виде инвертированных пирамид, что даёт прибавление к КПД. Расчёт зависимости КПД солнечного элемента от уровня легирования слоёв n-Ga0,95In0,05As0,05P0,95, p-Si и температуры показал, что оптимальными концентрациями являются 2·1017 см-3 для акцепторов и 3·1017 см-3 для доноров, при этом максимальная температура работы СЭ составляет до 400 К. СЭ имеет внешний квантовый выход в диапазоне длин волн от 300 до 1100 нм, а максимум в 99 % находится в промежутке длин волн 487,5 и 562,5 нм. Промоделированный СЭ показывает значение КПД в 22,34 % при плотности тока короткого замыкания 38,24 мА/см2, напряжении холостого хода 699,8 мВ и факторе заполнения 84,29 %. Полученные в процессе исследования результаты моделирования показывают актуальность использования гетероструктуры многокомпонентного твердого раствора n-GaInAsP/p-Si в качестве СЭ. Результат измерения квантового выхода также свидетельствует о перспективности применения GaInAsP для солнечных батарей космического базирования. Исследование является практически значимым, поскольку гетероструктура n-GaInAsP/p-Si может быть получена при помощи широко развитых технологий для Si и A3B5, и значение КПД СЭ на данной структуре не уступает большинству однопереходных СЭ.

About the authors

V. N Korchagin

Federal Research Center the Southern Scientific Centre of the Russian Academy of Sciences; Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI)

I. A Sysoev

North-Caucasus Federal University

D. V Mitrophanov

North-Caucasus Federal University

References

  1. Renewables. - URL: https://www.iea.org/fuels-and-technologies/renewables
  2. Numerical Simulation of Solar Cells and Solar Cell Characterization Methods: the Open-Source on Demand Program AFORS-HET // Solar Energy: Journal. - 2010.
  3. Numerical modelling of GaInP solar cells with AlInP and AlGaAs windows / A.S. Gudovskikh, N.A. Kaluzhniy, V.M. Lantratov, S.A. Mintairov, M.Z. Shvarts, V.M. Andreev // Thin Solid Films. - 2008. - Vol. 516, № 20. - P. 6739-6743. doi: 10.1016/j.tsf.2007.12.016
  4. Чеботарёв С.Н., Мирющенко Н.И. Численное моделирование функциональных характеристик кремниевых фотоэлектрических преобразователей // Фундаментальные исследования. - 2016. - № 3 (ч. 3). - С. 533-537.
  5. Моделирование кремниевых тонкопленочных трехкаскадных солнечных элементов a-Si:H/μc-Si:O/μc-Si:H / С.Н. Чеботарев, А.С. Пащенко, Л.С. Лунин, В.А. Ирха // Вестник Южного научного центра. - 2013. - Т. 9, № 4. - С. 18-25.
  6. Лунин Л.С., Пащенко А.С. Моделирование и исследование характеристик фотоэлектрических преобразователей на основе GaAs и GaSb // Журнал технической физики. - 2011. - Т. 81, вып. 9. - С. 71-76.
  7. Blasco R., Naranjo F.B., Valdueza-Felip F.S. Design of n-AlInN on p-silicon heterojunction solar cells // IEEE Journal of Photovoltaics. - 2019.
  8. Ganji J. Numerical simulation of thermal behavior and optimization of a-Si/a-Si/C-Si/a-Si/a-Si hit solar cell at high temperatures // Электротехника и электромеханика. - 2017. - № 6. - С. 47-52. doi: 10.20998/2074-272X.2017.6.07
  9. Овсянников А.А. Численное моделирование солнечных элементов на основе гетероперехода оксид металла - металлоорганический перовскит // Достижения науки и образования. - 2017. - № 6 (19). - С. 18-21.
  10. Гременок В.Ф., Тиванов М.С., Залесский В.Б. Солнечные элементы на основе полупроводниковых материалов // Альтернативная энергетика и экология: международный науч. журнал. - 2009. - № 1 (69).
  11. Элементы каскадных солнечных фотопреобразователей на основе гетероструктур InP-GaInPAs и InP-CdS / A.M. Аллахвердиев, В.М. Андреев, И.А. Гусейнов, О.О. Ивентьева, В.И. Исмаилов // Письма в ЖТФ. - 1984. - 10:1. - С. 51-55.
  12. URL: http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/GaInAsP/index.html
  13. Semiconductor-bonded III-V multijunction space solar cells / D.C. Law, D.M. Bhusari, S. Mesropian, J.C. Boisvert, W.D. Hong, A. Boca, D.C. Larrabee, C.M. Fetzer, R.R. King, N.H. Karam // Proceedings of the 34th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Philadelphia, PA, USA. - 2009. - 002237. - 39 p.
  14. Conference Record of the IEEE Photovoltaic Specialists Conference 34th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, PVSC 20097. - 7-12 June 2009. Код 79913. - P. 002237-0022392009, 54113752009.
  15. Vurgaftman I., Meyer J.R., Ram-Mohan L.R. Band parameters for III-V compound semiconductors and their alloys // Journal of Applied Physics. - 2001. - Vol. 89, № 11. - P. 5815-5875. doi: 10.1063/1.1368156
  16. Девицкий О.В., Санакулов С.О. Численное моделирование функциональных характеристик солнечных элементов на основе гетероструктур InGaAsN/Si // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2021. - Т. 21, № 2. - С. 191-197. doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-2-191-197
  17. Pulsed laser deposition of AlxGa1-xAs and GaP thin films onto Si substrates for photoelectric converters / L.S. Lunin, M.L. Lunina, O.V. Devitsky, I.A. Sysoev // Semiconductors. - 2017. - Vol. 51, iss. 3. - P. 387-391. doi: 10.1134/S1063782617030174
  18. Корчагин В.Н., Сысоев И.А. Исследование функциональных покрытий на основе поливинилбутираля и наночастиц серебра для солнечных элементов // Computational nanotechnology. - 2019. - Т. 6, № 4. - С. 19-25. doi: 10.33693/2313-223X-2020-7-1-19-25
  19. Исследование влияния несоответствия параметров решеток эпитаксиальных слоев на люминесцентные свойства гетероструктур InGaAsP/InP, излучающих на длине волны λ = 1,5 мкм / В.А. Страхов, Н.Г. Яременко, А.А. Телегин, В.А. Оганджанян, М.В. Карачевцева, Л.Ф. Михалева, В.И. Петров, В.А. Прохоров // Физика и техника полупроводников. - 1985. - Т. 19, вып. 4. - С. 601-607.
  20. Adachi S. Properties of Semiconductor Alloys: Group-IV, III-V and II-VI Semiconductors. - Wiley, 2009. - P. 1-413,
  21. Progress towards a 30% efficient GaInP/Si tandem solar cell / S. Essig, S. Ward, M.A. Steiner, D.J. Friedman, J.F. Geisz, P. Stradins, D.L. Young // Energy Procedia. - 2015. - Vol. 77. - P. 464-469. doi: 10.1016/j.egypro.2015.07.066
  22. Modeling and simulation of triple junction solar cells / G. Arbez, J. Wheeldon, A. Walker, K. Hinzer, H. Schriemer // Proceedings of SPIE. - 2010. - Vol. 7750. - P. 775032. doi: 10.1117/12.876131
  23. III-V-on-silicon solar cells reaching 33 % photoconversion efficiency in two-terminal configuration / R. Cariou, J. Benick, F. Feldmann, O. Höhn, H. Hauser, P. Beutel, N. Razek, M. Wimplinger, B. Bläsi, D. Lackner, M. Hermle, G. Siefer, S.W. Glunz, A.W. Bett, F. Dimroth // Nature Energy. - 2018. - Vol. 3, № 4. - P. 326-333. doi: 10.1038/s41560-018-0125-0
  24. Гульков В.Н., Колесниченко И.Д., Коротков К.Е. Исследование влияния нагрева солнечных модулей на эффективность преобразования излучения // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2019. - № 1.
  25. A common optical approach to thickness optimization in polymer and perovskite solar cells / Olga D. Iakobson, Oxana L. Gribkova, Alexey R. Tameev, Jean-Michel Nunzi // Scientific Reports. - 2021. - 11. - 5005. doi: 10.1038/s41598-021-84452-x

Statistics

Views

Abstract - 12

PDF (Russian) - 4

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2022 PNRPU Bulletin. Electrotechnics, Informational Technologies, Control Systems

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies