CC BY
22АНАЛИЗ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОКАСКАДНЫХ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ А3В5
Богатов Н.М., Володин В.С., Григорьян Л.Р., Зинченко Д.В., Коваленко М.С.
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный университет», г. Краснодар
Аннотация
На основе анализа экспериментальных и теоретических данных о структуре и физических свойствах слоев многокаскадных ФЭП выделены факторы, ограничивающие эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую.
Изложена методика расчета вольтамперных характеристик, позволяющая промоделировать влияние вариации параметров слоев и морфологии гетеропереходов на эффективность преобразования. Рассчитаны вольтамперные характеристики трех и четырехкаскадных фотоэлектрических преобразователей. Показано, что существует резерв повышения КПД за счет оптимизации параметров слоев.
Ключевые слова: гетеропереход, фотоэлектрический преобразователь, коэффициент полезного действия.
Введение
Повышение эффективности фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) - актуальная задача современных исследований в области физики полупроводников и материаловедения. Развитие солнечной энергетики стимулирует создание новых и совершенствование известных типов ФЭП [1]. Эффективность современных ФЭП приближается к теоретическому пределу за счет создания многопереходных структур [2 - 4], структур с квантовыми точками [5, 6], снижения рекомбинационных, оптических потерь и толщины,
использования диэлектрических пленок на поверхности [7, 8] и др. Для повышения коэффициента полезного действия (КПД) проводят численное моделирование и оптимизацию конструкции ФЭП [9 - 11], определяют физические факторы, снижающие эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую [12, 13]. Преобразование энергии из ИК-области солнечного спектра предоставляет дополнительную возможность увеличения КПД ФЭП. Для этого предлагаются полупроводниковые структуры, преобразующие энергию фотонов посредством промежуточной подзоны [13].
В настоящее время активно разрабатываются многокаскадные конструкции ФЭП, содержащие последовательность гетеропереходов на основе полупроводниковых соединений А3В5, А2В6, КПД которых при освещении заатмосферным солнечным спектром (условия AM0) превышает 30 %. Полупроводниковые структуры для таких ФЭП получают методом МОС-гидридной эпитаксии, последовательно осаждая различные слои полупроводников на подложку Ge. Увеличение КПД многокаскадных ФЭП связано с увеличением количества каскадов, что приводит к повышению спектральной чувствительности ФЭП [14].
Для создания многокаскадной эпитаксиальной структуры ФЭП необходимо подобрать полупроводниковые материалы с близкими значениями постоянной кристаллической решетки и оптимальными оптическими параметрами [15]. Эта задача решается следующими методами.
Создание градиентного метаморфного буфера в эпитаксиальной гетероструктуре позволяет изменять значение постоянной кристаллической решетки между слоями, что расширяет спектр используемых материалов. Недостаток метода: применение градиентного буфера приводит к появлению дополнительных дислокаций и других рекомбинационно активных дефектов, что снижает КПД ФЭП [16].
Метод механической стыковки двух и более отдельных эпитаксиальных структур. Место стыка является источником дополнительных дислокаций и других рекомбинационно активных дефектов.
Этот метод изготовления многокаскадных ФЭП является дорогостоящим и трудоемким, так как требует проведения нескольких процессов эпитаксиального роста на разных подложках. В результате технологический процесс изготовления многокаскадных ФЭП усложняется [17].
Объектом исследования являются многопереходные
фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии.
Цель работы - теоретический анализ влияния рассогласования параметров слоев многокаскадных ФЭП на эффективность преобразования энергии.
Вольтамперные характеристики многопереходных ФЭП
Основы классической теории п-р переходов в полупроводниках сформулированы в работе Шокли [18]. Классическая физика процессов в полупроводниковых приборах, содержащих п-р переходы, изложена в монографиях [19, 20]. Для сильно несимметричных или сверх мелкозалегающих переходов решение фундаментальной системы дифференциальных уравнений Шокли может быть получено только численно.
Многопереходные ФЭП содержат наноразмерные слои, в которых проявляются квантовые механизмы транспорта электронов и дырок [21, 22], поэтому модели, использующие классическую теорию структур с п-р переходами не применимы. Энергетические зонные диаграммы многопереходных гетероструктур с туннельным переходом (ТП), рассчитанные в [21, 22], свидетельствуют о неполноте моделей, основанных на ФСДУ Шокли.
Кроме ограничений применимости ФСДУ, связанных с квантовыми явлениями, реальные многопереходные гетероструктурные ФЭП содержат структурные несовершенства, вследствие которых КПД этих ФЭП оказывается ниже теоретических значений [23]. Напряженно-деформированное состояние гетероструктур существенно влияет на
энергетическую зонную структуру полупроводниковых слоев, что также следует учитывать в модели ФЭП [24].
Таким образом, моделирование многопереходных гетероструктурных ФЭП с учетом всех факторов, определяющих их эффективность, является сложной научно-технической задачей, не решенной в настоящее время.
Для оценки тенденций изменения КПД используются одноэкспоненциальные аппроксимации ВАХ гетероструктур [25]:
I (и) = г -1^
ехр|ееи + )}- Г
1 акТ ]
и + 1Я,
Я
(1)
як
Пусть ФЭП состоит из N последовательно включенных гетеро структурных элементов, содержащих п-р переход. Обозначим параметры ВАХ структурного элемента с номером ¡, I = 1,.. .N1
1р1 - фототок, - обратный ток насыщения, а( - коэффициент неидеальности п-р перехода, - сосредоточенное последовательное сопротивление, - шунтирующее сопротивление.
Эквивалентная схема структурного элемента ФЭП, соответствующая ВАХ (1), показана на рис. 1.
Рисунок 1 - Эквивалентная схема структурного элемента ФЭП
Параметры ВАХ каждого структурного элемента определяются его физическими свойствами: I - интегральная характеристика спектральной
чувствительности; /0г зависит от толщины, концентрации примесей и других структурных дефектов; а1 « 1, если вклад области пространственного заряда п-р перехода мал, и а ~ 2 в противном случае; - омическое
сопротивление элемента и контактного слоя; ЯзЫ - сопротивление поверхностного слоя и каналов протекания тока в п-р переходе, созданных структурными дефектами.
Модель 1. В электрической схеме ФЭП структурные элементы соединяются последовательно. Параллельно цепи последовательно соединенных структурных элементов включается обходной диод (ОД).
Напряжение на контактах ФЭП получим, используя формулу:
U (Ie ) = (^е ) , (2)
i=1
где üt (Ie) являются решениями уравнения (1) с заданными значениями Ie для каждого последовательно соединенного структурного элемента. Сила тока на выходе
I(U) = Ie(U) + Id(U), (3)
где Id(U) - сила тока через ОД.
Ток короткого замыкания Isc ФЭП с многокаскадной последовательной структурой и параллельно соединенным с ней ОД определяется наименьшим значением фототока min(I I = 1,...,N). Чтобы увеличить ток короткого
замыкания до значения Isc = max(Ipi, I = 1,...,N), каждый каскад должен
содержать параллельно включенный ОД.
Модель 2. Электрическая эквивалентная схема структурного элемента ФЭП с параллельным ОД показана на рис. 2. ВАХ структурного элемента имеет вид
r fe(ü + IRS) 1 Л ü + IRS т ( I eü , 1 i , ^ b1--^ + Iod expi--—
I(ü) = IP -10 expi^^)-1
У Rsh
V l adkT\
, (4)
где - обратный ток насыщения, аа - коэффициент неидеальности п-р перехода обходного диода.
Рисунок 2 - Эквивалентная схема структурного элемента
с параллельным ОД
Напряжение U на контактах ФЭП получим, используя формулу (2), где U (Ie) являются решениями уравнения (4) с заданными значениями Ie для каждого последовательно соединенного структурного элемента. В модели 2 Ie - сила тока на выходе ФЭП.
Результаты расчетов ВАХ Структура трех- и четырехкаскадных ФЭП рассмотрена в [15]. Результаты расчетов ВАХ приведены на рис. 3 и в табл.: № 1 -трехкаскадный ФЭП (модель 1); № 2 - четырехкаскадный ФЭП, фотоактивные слои оптимизированы по фототоку (модель 1); № 3 -четырехкаскадный ФЭП, фотоактивные слои не оптимизированы по фототоку (модель 1); № 4 - четырехкаскадный ФЭП, фотоактивные слои не оптимизированы по фототоку (модель 2); № 5 - четырехкаскадный ФЭП, фотоактивные слои не оптимизированы по фототоку (модель 1). КПД рассчитывался для условий AM0. Рассчитанные значения Тока короткого замыкания Isc, напряжения холостого хода Voc, коэффициента заполнения ВАХ FF, КПД согласуются с экспериментальными данными [15].
О 1 2 3 Ц V 4
Рисунок 3 - Вольтамперные характеристики ФЭП № 1, № 2, № 3, № 4, № 5
Таблица - Параметры ФЭП
№ Лс? А иос, V КПД, %
1 0,18 2,73 0,82 24,7
2 0,15 3,79 0,81 27,9
3 0,15 3,8 0,85 29,6
4 0,17 3,8 0,76 29,8
5 0,16 3,8 0,82 30,3
КПД и иос четырехкаскадного ФЭП № 2 больше, чем трехкаскадного ФЭП № 1, хотя значение 1зс у него меньше. ФЭП № 1 и № 2 оптимизированы по фототоку, т.е. значения фототока 1Р равны для каждого каскада, входящего в ФЭП.
Обеспечить согласование каскадов по фототоку практически удается не всегда. Для ФЭП № 3 значения фототока различных каскадов составляют 0,15 А, 0,16 А, 0,17 А, а значение 1зс определяется меньшим из них. Значения ^^ и КПД ФЭП № 3 больше, чем ФЭП № 2. Чтобы получить вклад всех каскадов в 1с, рассчитана ВАХ по модели 2 с теми же значениями 1Р для
различных каскадов - ФЭП № 4. Несмотря на то, что Isc больше на 13,3 %, КПД больше только на 0,7 % для ФЭП № 4 в сравнении с ФЭП № 2. КПД изменился незначительно, так как в точке максимальной мощности сила тока во всех каскадах одинакова. Следовательно, усложнение конструкции ФЭП за счет включения ОД в каждый каскад не целесообразно.
Одной из основных тенденций совершенствования многокаскадных ФЭП является повышение минимального фототока каскадов. Для ФЭП № 5 значения Ip различных каскадов составляют 0,16 А и 0,17 А, при этом КПД увеличился на 2,4 % в сравнении с ФЭП № 3. Согласование каскадов по фототоку - следующий важный фактор повышения эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую. В случае согласованных значений Ip = 0,17 А для всех четырех каскадов КПД = 31,9 %.
Заключение
Основной проблемой для создания многокаскадных ФЭП является подбор полупроводниковых материалов, обладающих оптимальными оптическими параметрами, обеспечивающими согласование спектральной чувствительности каскадов, близкими значениями постоянной кристаллической решетки, коэффициентов термического расширения. Созданию идеальных гетероструктур препятствуют процессы дефектообразования на всех этапах технологического цикла.
Основными структурными дефектами в гетеропереходах являются пластинчатые выделения, наклонные к поверхности подложки, дислокационные петли и когерентные включения, группирующиеся вблизи пластинчатых выделений. В гетеропереходах наблюдается дислокационная сетка.
Морфология поверхности эпитаксиальных слоев непосредственно зависит от состояния поверхности подложки. Для получения эпитаксиальных слоев с улучшенной морфологией поверхности необходима подготовка поверхности подложки пред процессом роста. Морфология поверхности
эпитаксиальных слоев очень чувствительна к несоответствию параметров решетки подложки и эпитаксиального слоя на гетерогранице.
В четырех- и пятикомпонентных гетероструктурах параметр решетки может быть изменен путем изменения состава и выращивания изопериодическиой структуры. Количество дислокаций несоответствия, возникающих из-за несоответствия между параметрами решетки подложки и слоя, зависит также от кристаллографической ориентации подложки. На дефектообразование, кроме несоответствия параметров решетки, влияет несоответствие коэффициентов термического расширения подложки и слоя.
Неконтролируемые структурные дефекты являются причиной уменьшения времени жизни и подвижности фото генерированных носителей заряда, что является причиной снижения параметров ФЭП: УоС, КПД.
Внутренние деформации в напряженных гетероструктурах, зависящие от концентрации компонент и толщин слоев, влияют на изменение зонной диаграммы и других параметров гетероструктур, что является одной из причин рассогласования по фототоку. Использование контролируемого распределения примесей позволяет уменьшить внутренние напряжения и деформации.
В оптимизированном каскадном ФЭП, в котором фотоактивные слои соединены туннельно-тонкими p+-n+-переходами, должен быть обеспечен баланс между потоком электронов через туннельный барьер и потоком поступающих дырок. В противном случае возникает область объемного пространственного заряда, электрическое поле которой препятствует туннелированию.
Расчет вольтамперных характеристик многокаскадных фотоэлектрических преобразователей показывает, что существует резерв повышения КПД за счет оптимизации параметров слоев и технологических режимов.
Библиографический список
1. Алферов, Ж.И. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики / Ж.И. Алферов, В.М. Андреев, В.Д. Румянцев // Физика и техника полупроводников. - 2004. - Т. 32. - В. 8. - С. 937-946.
2. Концентраторные фотоэлектрические модули со спектральным расщеплением света с солнечными элементами на основе структур AlGaAs/GaAs/GaSb и GaInP/InGaAs(P) / А.С. Власов, В.П. Хвостиков, Л.Б. Карлина и др. // Журнал технической физики. - 2013. - Т. 83. - № 7. С. - 106110.
3. Short circuit current and efficiency improvement of SiGe solar cell in a GaAsP-SiGe dual junction solar cell on a Si substrate / X. Zhao, D. Li, T. Zhang et al // Solar Energy Materials and Solar Cells. - 2017. - V. 159. - I. 1. - P. 94-101.
4. Interstitial light-trapping design for multi-junction solar cells / A. Mellor, N.P. Hylton, S.A. Maier et al // Solar Energy Materials and Solar Cells. - 2017. -V. 159. - I. 1. - P. 219-226.
5. Формирование квантовых точек InAs на подложках GaAs методом ионно-лучевого осаждения / Л.С. Лунин, И.А. Сысоев, С.Н. Чеботарев и др. // Наука Юга России. - 2010. - Т. 6. - № 4. С. 46-49.
6. GaAsSb capping layers for improved performance of InAs/GaAs quantum dot solar cells / A.D. Utrilla, D.F. Reyes, J.M. Llorens et al // Solar Energy Materials and Solar Cells. - 2017. - V. 159. - I. 1. - P. 282-289.
7. Зависимость характеристик солнечных элементов на основе AlGaAs от толщины и уровня легирования базы / Д.А. Арустамян, С.Н. Чеботарев, М.Л. Лунина и др. // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. - 2016. - № 4 (55). - С. 7-12.
8. Optimization and optical characterization of vertical nanowire arrays for core-shell structure solar cells / M. Foldyna, A.S. Togonal, Rusli et al // Solar Energy Materials and Solar Cells. - 2017. - V. 159. - I. 1. - P. 640-648.
9. Моделирование кремниевых тонкопленочных трехкаскадных солнечных элементов a-Si:H/^C-Si:O/^C-Si:H / С.Н. Чеботарев, А.С.
Пащенко, Л.С. Лунин и др. // Наука Юга России. - 2013. - Т. 9. - № 4. - С. 18-25.
10. Моделирование двух и трехслойных просветляющих покрытий для гетероструктурных солнечных элементов / С.Б. Мусалинов, И.В. Бычков, А.П. Анзулевич и др. // Вестник Челябинского государственного университета. - 2015. - № 7 (362). - С. 60-63.
11. Богатов, Н.М. Распределение заряда в резком несимметричном равновесном n-р-переходе / Н.М. Богатов // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. - 2016. - Т.13. -№3. С.12-17.
12. Analysis of performance-limiting defects in pn junction GaAs solar cells grown by water-mediated close-spaced vapor transport epitaxy / J.W. Boucher, A.L. Greenaway, K.E. Egelhofer et al // Solar Energy Materials and Solar Cells. -2017. - V. 159. - I. 1. - P. 546-552.
13. Чеботарев, С.Н. Наноструктуры AIVBIV и AInBm для устройств оптоэлектроники / С.Н. Чеботарев, М.Л. Лунина, Д.Л. Алфимова - Ростов н/Д: ЮНЦ РАН, 2014. - 275 с.
14. Initial results of the monolithically grown six-junction inverted metamorphic multi-junctionsolar cell / P. Patel, D. Aiken, D. Chumney et al // 38th IEEE Photovoltaic Specialist Conference (PVSC). - 2012. - P. 1-4.
15. Богатов, Н.М. О проблемах создания четырехкаскадных солнечных элементов с согласованной кристаллической решеткой / Н.М. Богатов, И.И. Нестеренко, А.Ф. Скачков // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. - 2017. - №4. - В. 1. С. 7480.
16. Development of InGaP/GaAs/InGaAs inverted triple junction concentrator solar cells / K. Sasaki, T. Agui, K. Nakaido et al // 9th International Conference on Concentrating Photovoltaic Systems. - 2013. - P. 22-25.
17. Present status in the development of III-V multi-junction solar cells / S. Philipps, W. Guter, E. Welser et al // Next Generation of Photovoltaics, Luxembourg, Springer Verlag. - 2012. - P. 1-22.
18. Shockley, W. The theory of p-n junctions in semiconductors and p-n junction transistors / W. Shockley // Bell Syst. Tech. J. - 1949. - V. 28. - No. 7. -P. 435-439.
19. Зи, С. Физика полупроводниковых приборов. Кн. 1. / С. Зи - М.: Мир, 1984. - 456 с.
20. Pulfrey, D.L. Understanding Modern Transistors and Diodes / D.L. Pulfrey - Cambridge University Press, 2010. - 335 p.
21. Каскадные солнечные элементы на основе наногетероструктур GaP/Si/Ge / Л.С. Лунин, М.Л. Лунина, А.С. Пащенко и др. // Письма в ЖТФ. -2019. - Т. 45. - В. 6. - С. 7-9.
22. Photovoltaic Performance of a Nanowire/Quantum Dot Hybrid Nanostructure Array Solar Cell / Y. Wu, X. Yan, X. Zhang et al // Nanoscale Research Letters. - 2018. - URL: https://doi.org/10.1186/s11671-018-2478-5.
23. Моделирование функциональных характеристик фотоэлектрических преобразователей на основе многокомпонентного твердого раствора AlxGai-xAs, полученного жидкофазной эпитаксией / Д.А. Арустамян, С.Н. Чеботарев, Л.С. Лунин и др. // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. - 2016. -№ 4. - C. 5-12.
24. Лунин, Л.С. Напряженно-деформируемое состояние гетероструктуры In1-xGaxAs/GaAs / Л.С. Лунин, В.В. Нефёдов // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. - 2019. - Т. 16. - № 1. - C. 83-87.
25. Лунин, Л.С. Моделирование и исследование характеристик фотоэлектрических преобразователей на основе GaAs и GaSb / Л.С. Лунин, А.С. Пащенко // Журнал технической физики. - 2011. - Т. 81. - № 9. - С. 7176.
