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

Statistics

Views

Abstract - 140

PDF (Russian) - 44

Refbacks

• There are currently no refbacks.