CC BY
20
УНИВЕРСИТЕТ ИТМО
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИИ ВЕСТНИК ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИИ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ март-апрель 2021 Том 21 № 2 http://ntv.ifmo.ru/
SCIENTIFIC AND TECHNICAL JOURNAL OF INFORMATION TECHNOLOGIES, MECHANICS AND OPTICS March-April 2021 Vol. 21 No 2 http://ntv.ifmo.ru/en/
ISSN 2226-1494 (print) ISSN 2500-0373 (online)
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ MATERIAL SCIENCE AND NANOTECHNOLOGIES
ао1: 10.17586/2226-1494-2021-21-2-191-197 УДК 539.23
Численное моделирование функциональных характеристик солнечных элементов на основе гетероструктур InGaAsN/Si
Олег Васильевич Девицкий1 Сохибжон Ориф угли Санакулов2
1,2 Федеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук, Ростов-на-Дону, 344006, Российская Федерация
2 Северо-Кавказский федеральный университет, Ставрополь, 355017, Российская Федерация
1 у2517@гашЫег.гин, https://orcid.org/0000-0003-3153-696X
2 [email protected], https://orcid.org/0000-0002-3620-9792 Аннотация
Предмет исследования. Впервые выполнено численное моделирование и оптимизация вольтамперных характеристик принципиально нового однопереходного солнечного элемента на основе гетероструктуры ^Оа!^^!^^,^. Интеграция многокомпонентных слоев А3В5 и разбавленных нитридов А3В5К с кремниевыми подложками на данный момент является технологически сложным процессом. Несмотря на всю сложность данной интеграции существуют определенные предпосылки, которые возможно позволят получить слои ^Оа^АБ^Ку с относительно низкой плотностью дефектов. Твердый раствор ^Оа^АБ^^, является перспективным для применения в оптоэлектронике, но в то же время малоизученным. Метод. Численное моделирование проводилось с помощью программного продукта АБОИ^ НЕТ v2.5. При расчете параметров солнечного элемента 1п0 02Оа0 98Asl-уNу/Si изменялась концентрация азота у в диапазоне 0-5 %; толщина слоя 1п0 02Оа0 98А$1_)Ду варьировалась в пределах 0,3-0,8 мкм; степени легирования базы и эмиттера солнечного элемента менялись в интервале 1016-81019 см-3. Исследованы зависимости вольтамперной и спектральной характеристик от толщины и состава эмиттера, степени легирования слоев. Основные результаты. Показано, что солнечные элементы, состоящие из гетероперехода 1п0 02Оа0 98Aso 98К 02^, могут достигать эффективности 22,2 % при освещении АМ1.5. Результаты моделирования влияния концентрации азота на величину эффективности солнечных элементов показали, что изменение концентрации азота от 0 до 5 % в слое 1п0 02Оа0 98Asl-уNу приводит к снижению эффективности от 21,9 до 21,82 % соответственно. Этот факт прежде всего обусловлен снижением значения ширины запрещенной зоны эмиттера и, как следствие, уменьшением величины напряжения холостого хода солнечного элемента. Установлено, что увеличение концентрации примеси в эмиттере Inoo2Gao98Aso98Noo2 в диапазоне 1016-81019 см-3 приводит к росту эффективности солнечного элемента с 17,11 до 21,89 %. При увеличении концентрации примеси в базе р^ в интервале 1016-5 1017 см-3 наблюдается устойчивый рост эффективности вплоть до 22,2 %, а после — монотонное снижение до 10,87 % при концентрации примеси 51017 см-3. При снижении толщины эмиттера квантовая эффективность солнечного элемента увеличивается вследствие снижения числа фотогенерированных носителей заряда. Практическая значимость. В результате численного моделирования в программном продукте АБОИ^ НЕТ v2.5 определено, что напряжение холостого хода солнечных элементов на основе гетероструктуры и-1п0 02Оа0 98А$0 98К0 02/р^ составляет 716,8 мВ, при плотности тока короткого замыкания 36,52 мА/см2, факторе заполнения — 84,81 % и эффективности 22,2 %. Ключевые слова
гетероструктуры, InОaAsN, АБОКБ НЕТ, солнечные элементы, многокомпонентные твердые растворы, А3В5К^ Благодарности
Публикация подготовлена в рамках реализации государственного задания «Разработка и создание полупроводниковых гетероинтерфейсов на основе многокомпонентных материалов для устройств СВЧ-электроники и фотоники» на 2021 г. (номер государственной регистрации АААА-А19-119040390081-2). Ссылка для цитирования: Девицкий О.В., Санакулов С.О. Численное моделирование функциональных характеристик солнечных элементов на основе гетероструктур InОaAsN/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
© Девицкий О.В., Санакулов С.О., 2021
Numerical simulation of functional characteristics of solar elements InGaAsN/Si
Oleg V. Devitsky1^, Sohibjon O. Sanakulov2
!>2 Federal Research Center the Southern Scientific Centre of the Russian Academy of Sciences, Rostov-on-Don, 344006, Russian Federation
2 North-Caucasus Federal University, Stavropol, 355017, Russian Federation
1 [email protected], https://orcid.org/0000-0003-3153-696X
2 [email protected], https://orcid.org/0000-0002-3620-9792 Abstract
For the first time, numerical simulation and optimization of the current-voltage characteristics of a fundamentally new single-junction solar cell based on the InxGa1_xAs1_yNy/Si heterostructure were carried out. The integration of multicomponent layers A3B5 and dilute nitrides A3B5N with silicon substrates is currently a technologically complex process. Despite the complexity of this integration, there are certain prerequisites that may make it possible to obtain InxGa1_xAs1_yNy layers with a relatively low defect density. The InxGa1_xAs1_yNy solid solution is quite promising for use in optoelectronics, but at the same time it is poorly studied. Numerical modeling was carried out using the AFORS HET v2.5 software product. When numerically calculating the parameters of the solar cell In0 02Ga0 9sAs1-yNy/Si, we obtained the following data: the nitrogen concentration y varied in the range from 0 to 5 %; the thickness of the In0 02GaQ 98As1_yNy layer varied within 0,3-0,8 p,m; the degree of doping of the base and the emitter of the SC varied in the range 1016-8'1019 cm-3. The dependences of the current-voltage and spectral characteristics on the thickness and composition of the emitter, as well as the degree of doping of the layers were investigated. It is shown that solar cells consisting of the In0 02Ga0 98As0 98N0 02/Si heterojunction can achieve an efficiency of 22.2 % under illumination AM1.5. Modeling the effect of nitrogen concentration on the efficiency of solar cells showed that a change in nitrogen concentration from 0 to 5 % in the In0 02Ga0 98As1-yNy layer leads to a decrease in the efficiency of 21.9 % to 21.82 %, respectively. This fact is primarily due to a decrease in the value of the energy gap of the emitter and, as a consequence, to a decrease in the value of the open circuit voltage of the solar cell. It was found that an increase in the impurity concentration in the In0 02Ga0 98As0 98N0 02 emitter in the range 1016-8'1019 cm-3 leads to an increase in the solar cell efficiency from 17.11 % to 21.89 %, respectively. With an increase in the impurity concentration in the p-Si base in the range from 1016-51017 cm-3, a steady increase in efficiency is observed up to 22.2 %, and then a monotonic decrease to 10.87 % at an impurity concentration of 5-1017 cm-3. With a decrease in the emitter thickness, the quantum efficiency of a solar cell increases due to a decrease in the number of photogenerated charge carriers. As a result of numerical simulation in the AFORS HET v2.5 software product, it was determined that the open-circuit voltage of solar cells based on the n-In0 02GaQ 9sAs0 98N0 02/p-Si heterostructure is 716.8 mV, at a short-circuit current density of 36.52 mA/cm2, fill factor equal to 84.81 % and efficiency equal to 22.2 %.
Keywords
heterostructures, InGaAsN, AFORS HET, solar cells, multicomponent solid solutions, A3B5 nitrides Acknowledgments
The publication was prepared as a part of the state assignment "Development and creation of semiconductor heterointerfaces based on multicomponent materials for microwave electronics and photonics devices" for 2021 (state registration number AAAA-A19-119040390081-2).
For citation: Devitsky O.V., Sanakulov S.O. Numerical simulation of functional characteristics of solar elements InGaAsN/Si. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2021, vol. 21, no. 2, pp. 191-197 (in Russian). doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-2-191-197
Введение
На данный момент не существует работ, которые сообщали бы о достижении однокаскадными солнечными элементами (СЭ) с непрямым переходом предела Шокли-Квайссера [1], который ограничивает эффективность СЭ на уровне 30 %. Однако современные подходы к исследованиям СЭ на основе ге-тероструктур многокомпонентных соединений дают надежду на то, что эффективность СЭ приблизится к теоретически возможным 30 % уже в ближайшее десятилетие. Например, в работе [2] показана перспективная идея создания СЭ на основе наногетерострук-тур многокомпонентных нитридов А3В5, в частности, ОаАв^^БЪ/ОаАв (К = 6 %, БЪ = 2,9 %) с максимальной эффективностью 27,52 %. В работе [3] исследуется возможность применения наногетерострукту-ры и-А11пК/р-Б1 в качестве высокоэффективного СЭ. Авторами работы было установлено, что гетерострук-туры А1КЫУБ1 (толщина эмиттера — 10 нм, ширина
запрещенной зоны ^(АПпК!) = 2,63 эВ, степень легирования и-типа 1019 см-3 и поверхностной рекомбинацией 10 см/с) показывает эффективность преобразования солнечной энергии 18 % при освещении АМ1.5 в случае применения низкокачественных кремниевых подложек, и эффективность до 23,6 % в случае применения высококачественных кремниевых подложек. Также было определено, что по сравнению со стандартными кремниевыми СЭ внешняя квантовая эффективность СЭ А11пКУБ1 увеличивается при длинах волн 300500 нм, что делает их перспективными для применения в космическом пространстве. Численное моделирование двухпереходного СЭ на основе гетероструктуры Оа1пР/Б1 [4] показало, что добавление верхнего перехода с шириной запрещенной зоны 1,6-1,9 эВ к стандартному кремниевому СЭ обеспечивает эффективность более 38 %. Наиболее перспективными, по мнению автора, являются однопереходные СЭ ва1пР/Б1 с ^(ваШР) = 1,8 эВ, поскольку они могут достигать эффективности 20,8 % при АМ1.5. Более высокая эф-
фективность таких СЭ может быть достигнута за счет оптимизации конструкции и расширения спектрального диапазона чувствительности СЭ в длинноволновую область.
На данный момент в литературе нет результатов, которые описывали характеристики или получение СЭ на основе гетероструктуры 1пхОа1-хА81-уКу^1. В работе [5] рассмотрено получение СЭ на основе слоев 1п0 07Оа0 93А$0 98К 02 с шириной запрещенной зоны 1,0 эВ решеточно-согласованных с подложкой ОаАв. Такие СЭ достигали значения внутренней квантовой эффективности более 70 %. Кроме того, исследователями было установлено, что на характеристики СЭ большое влияние оказывают концентрация азота и дефекты в слое 1пхОа1-хА81-уКу, а также степень его легирования.
Заметим, что подобные, а возможно даже более лучшие, результаты могут быть получены и для СЭ на основе гетероструктур 1пхОа1-хА81-уКу^1, так как включение азота будет способствовать увеличению значения запрещенной зоны в ^Оа^Ав^уКу. На начальных стадиях исследования таких СЭ стадию непосредственного измерения световой вольтамперной характеристики и спектральной характеристики в целях экономии времени и ресурсов можно заменить процессом их компьютерного моделирования. Теоретические аспекты работы подобных СЭ были описаны в [6-9]. В работах [10-12] приведен пример использования моделирования математического пакета АБОЕБ НЕТ. Перспективы получения подобных СЭ рассмотрены в [13].
Цель настоящей работы — моделирование и оптимизация вольтамперных характеристик СЭ на основе гетероструктур 1пхОа1-хА81-уКу^1.
Детали моделирования
Численное моделирование выполнено с помощью программного продукта АБОЕ^ НЕТ [14]. Данную программу разработал коллектив исследователей из Берлинского центра материалов и энергии имени Гельмгольца. С помощью АБОЕ^ НЕТ возможно построение одномерной модели СЭ на основе гомо- и гетеропереходов тонких пленок. Моделирование СЭ состоит из моделирования электрофизических и оптических характеристик. В основе процесса моделирования лежит численное решение уравнений непрерывности и уравнения Пуассона для каждого активного p-n перехода СЭ. Результатом моделирования является построение зонной диаграммы, вольтамперной и спектральной характеристик и ряда других электрофизических характеристик.
Рис. 1. Конструкция моделируемого солнечного элемента на основе гетероструктуры InxGa1-xAs1-yNy/Si Fig. 1. Design of a simulated solar cell based on the InxGa1-xAs1-yNy/Si heterostructure
Объект моделирования — n+-p структура на основе гетероструктуры In0,02Ga0,98As1-yNy на кремниевой подложке, конструкция СЭ представлена на рис. 1. СЭ состоит из базы в виде кремниевой подложки p-типа толщиной 380 мкм и тонкого слоя InxGa1_xAs1_yNy — эмиттера. В качестве широкозонного окна использован слой Al0 8Ga0 2As толщиной 0,8 мкм. В разработанной модели верхний (Ag/Al) и нижний (Ni/Al) контакты рассматривались как омические. Скорость поверхностной рекомбинации электронов и дырок на границе контактов принималась равной 107 см/с. Численный расчет параметров СЭ проводился при спектре солнечного излучения АМ1.5 в спектральном диапазоне от 300 до 1200 нм, освещение осуществлялось с фронтальной части.
Параметры In0 02Ga0 98As0 98N0 02/Si, используемые в процессе численного моделирования СЭ, представлены в таблице. При расчете параметров СЭ InxGa1_xAs1_yN/Si концентрация азота y изменялась в диапазоне 0-5 %; толщина слоя In0 02Ga0 98As1-yNy варьировалась в пределах 0,3-0,8 мкм; степень легирования базы и эмиттера СЭ менялись в интервале 1016-8 1019 см-3.
При моделировании СЭ в AFORS HET необходимо определить основные параметры полупроводниковых слоев: ширину запрещенной зоны Eg, сродство к электрону, диэлектрическую постоянную, эффективную плотность состояний в валентной зоне NV и зоне проводимости NC, подвижность электронов и дырок, тепловую скорость электронов и дырок, плотность.
Особенность численного моделирования СЭ на основе твердых растворов InxGa1-xAs1-yNy состоит в том, что подобные разбавленные нитриды имеют достаточно сложную и малоизученную зонную структуру.
Таблица. Параметры In0,02Ga0,98As0,98N0,02/Si
Table. In0 02Ga0.98As0.98N0 02/Si parameters
Материал Толщина слоя, мкм Концентрация легирующей примеси, см-3 Ширина запрещенной зоны, эВ Тип дефекта Плотность дефектов, см-3
n-In0,02Ga0,93As0,98N0,02 0,3-0,8 1016-8 1019 1,11 Одиночный 1015
p-Si 380 1,12 Одиночный 1010
Установлено, что внедрение малых долей атомов азота в систему 1пва(А8) приводит к расщеплению зоны проводимости на две подзоны: Е_ и Е+ [15], поэтому при расчете значения при различных концентрациях азота (у) использовались зависимости, представленные в работе [16]. Остальные параметры эмиттера 1п0 02^^ 98А81_уКу рассчитаны с использованием правила Вегарда [17] и постоянных величин для бинарных соединений 1пА8, 1пК, ваА8, ваК [18-21].
Результаты моделирования и обсуждение
В работе определены зависимости ширины запрещенной зоны от концентрации индия (х) и азота (у) в 1пхОа1-хА81-уКу (рис. 2). Поскольку на данный момент времени нет достоверных данных о получении твердых растворов 1пхОа1-хА81-уКу с у более чем 4 %, то целесообразно ограничить при моделировании изменение у в диапазоне 0-5 % [22]. Из рис. 2 видно, что с внедрением 1 % азота в твердый раствор 1пхва1-хА8 величина снижается скачком, например, разница между
Е?(1п0,02Оа0,98А80,99К0,01) и ^(Ч^С3*)^^ составляет 0,276 эВ. Увеличение концентрации азота от 1 до 5 % снижает значение Ег(1п002Оа0,98А81-уКу) более плавно, причем при у более 1,3 % Ег(1п0 02Оа0,98А81-уКу) достигает значения меньше, чем у кремния, и составляет 1,084 эВ.
Результаты моделирования влияния концентрации азота на величину эффективности СЭ показали, что изменение концентрации азота от 0 до 5 % в слое 1п0 02Оа0,98А81-уКу приводит к снижению эффективности СЭ с 21,9 % до 21,82 % соответственно. Этот факт прежде всего обусловлен снижением значения эмиттера и, как следствие, уменьшением величины напряжения холостого хода иос СЭ. Также следует отметить, что с ростом у в 1п0,02Оа0,98А81-уЫу/Б1 снижается
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 Концентрация Ых, отн. ед.
Рис. 2. Зависимости ширины запрещенной зоны Eg от концентрации индия x при концентрации азота y от 0 до 5 % в InxGa1-xAs1-yNy Fig. 2. Dependences of the band gap Eg on the indium concentration x at a nitrogen concentration y from 0 to 5 % in InxGai_xAsi_yNy
величина рассогласования параметров кристаллической решетки Да слоя эмиттера и базы. В модели были учтены одиночные дефекты как в слое 1п0 02Оа0,98А81-уЫу, так и в кремниевой подложке.
Из полученных результатов видно, что оптимальный состав эмиттера для данного СЭ — 1п0 02Оа0,98А80,98К0 02, такой состав эмиттера будет обеспечивать согласование и не увеличивать дефектность слоя 1п0,02Оа0,98А80,98К0,02.
Увеличение концентрации примеси в эмиттере 1п0 02ва0 98А80 98К0 02 в диапазоне 1016-8-1019 см-3
Толщина, нм 500 700
10" 1018 1019 Концентрация примеси, см-3
300 500 700 900 Длина волны, нм
1100
Рис. 3. Зависимость эффективности солнечного элемента от концентрации примеси базы (кривая 1, левая шкала), эмиттера (кривая 2, левая шкала) и от толщины эмиттера (кривая 3, правая шкала) (а) и спектральные зависимости внешнего
квантового выхода при различной толщине эмиттера (b) Fig. 3. Dependence of the solar cell efficiency on the impurity concentration of the base (curve 1, left scale), emitter (curve 2, left scale) and on the emitter thickness (curve 3, right scale) (a) and spectral dependences of the external quantum efficiency at different
emitter thicknesses (b)
300 500 700 900 1100 300 500 700 900 1100
Длина волны, нм Длина волны, нм
Рис. 4. Спектральные зависимости внешнего квантового выхода при разной концентрации примеси в эмиттере (а) и базе (b) Fig. 4. Spectral dependences of the external quantum efficiency at different impurity concentrations in the emitter (a) and base (b)
приводит к росту эффективности СЭ от 17,11 % до 21,89 % соответственно (рис. 3, а). Это происходит за счет повышения поглощения в коротковолновом диапазоне длин волн 300-650 нм, и наглядно иллюстрируется графиком спектральной зависимости внешнего квантового выхода при разной концентрации примеси в эмиттере, изображенного на рис. 4, а. При увеличении концентрации примеси в базе в интервале от 1016-5-1017 см-3 наблюдается устойчивый рост эффективности до 22,2 %, а далее монотонное снижение до 10,87 % при концентрации примеси 5-1017 см-3.
На рис. 3, Ь представлен график (также на рис. 3, а (кривая 3)) спектральной зависимости внешнего квантового выхода при различной толщине эмиттера, из которого очевидно, что при снижении толщины эмиттера квантовая эффективность СЭ увеличивается вследствие снижения числа фотогенерированных носителей заряда.
При достижении толщины, превышающей величину диффузионной длины слоя, повышается вероятность того, что некоторая часть носителей заряда сможет рекомбинировать уже в эмиттере и, в свою очередь, повлечет за собой снижение квантовой и общей эффективности СЭ. Оптимальной толщиной эмиттера для данного СЭ можно считать 300 нм, так как слои с меньшей толщиной изготавливать технологически сложно.
Представленные результаты показывают, что параметры СЭ разбавленных нитридов Л3В5К/Б1 достигают заметно более высоких значений, чем Л3В5К/ваЛ8 [7]. Однако показанные в данной работе высокие расчетные значения эффективности СЭ и-1п002Оа0,98Л80,98К0,02/£>-Б1 компенсируются сложностью их изготовления на практике. Возможными способами решения проблемы получения высококачественных тонких пленок раз-
бавленных нитридов Л3В5К на кремниевой подложке могут быть применения метода импульсного лазерного напыления для их получения, а также использование буферных слоев, компенсирующих возникновение механических напряжений.
Заключение
Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что максимальной эффективностью обладают солнечные элементы на основе гетероструктуры и-1п0 02ваф 98Лв0 98К0 02/р-Б1 со следующими параметрами слоев: эмиттер и-1п002Оа0,98Л80,98К002 толщиной 300 нм с концентрацией примеси 8-1019 см-3; база р-Б1 толщиной 380 мкм с концентрацией примеси 5-1017 см-3.
Установлено, что при увеличении концентрации азота в слое 1п002Оа0,98Л81-уЫ>, до 5 % приводит к снижению эффективности солнечных элементов от 21,9 до 21,82 % соответственно. Это объясняется снижением значения ширины запрещенной зоны эмиттера и, как следствие, уменьшением величины напряжения холостого хода солнечного элемента.
Увеличение концентрации примеси в эмиттере 1п0 02ваф 98Л80 98К0 02 в диапазоне 1016-8-1019 см-3 приводит к росту эффективности солнечного элемента с 17,11 до 21,89 %. Повышение концентрации примеси в базе р-Б1 в интервале 1016-5-1017 см-3 приводит к возрастанию эффективности вплоть до 22,2 %, а после — к снижению до 10,87 % при концентрации примеси 5-1017 см-3. Численное моделирование показало, что напряжение холостого хода данных солнечных элементов составляет 716,8 мВ, при плотности тока короткого замыкания 36,52 мА/см2, факторе заполнения — 84,81 % и эффективности 22,2 %.
Литература
1. Shockley W., Queisser H.J. Detailed balance limit of efficiency ofp-n junction solar cells // Journal of Applied Physics. 1961. V. 32. N 3. P. 510-519. doi: 10.1063/1.1736034
2. Bellil W., Aissat A., Vilcot J.P. Optimization and comparison between the efficiency of GaNAsSb and GaInNAs single solar cells deposed on GaAs // Procedia Computer Science. 2019. V. 151. P. 1028-1033. doi: 10.1016/j.procs.2019.04.145
3. Blasco R., Naranjo F.B., Valdueza-Felip S. Design of AlInN on silicon heterojunctions grown by sputtering for solar devices // Current Applied Physics. 2020. V. 20. N 11. P. 1244-1252. doi: 10.1016/j.cap.2020.07.018
4. Essig S., Ward S., Steiner M.A., Friedman D.J., Geisz J.F., Stradins P., Young D.L. Progress towards a 30% efficient GaInP/Si tandem solar cell // Energy Procedia. 2015. V. 77. P. 464-469. doi: 10.1016/j.egypro.2015.07.066
5. Kurtz S.R., Allerman A.A., Jones E.D., Gee J.M., Banas J.J., Hammons B.E. InGaAsN solar cells with 1.0 eV band gap, lattice matched to GaAs // Applied Physics Letters. 1999. V. 74. N 5. P. 729731. doi: 10.1063/1.123105
6. Prete P., Lovergine N. Dilute nitride III-V nanowires for high-efficiency intermediate-band photovoltaic cells: Materials requirements, self-assembly methods and properties // Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. 2020. V. 66. N 4. P. 100510. doi: 10.1016/j.pcrysgrow.2020.100510
7. Kim T.W., Mawst L.J., Kim Y., Kim K., Lee J., Kuech T.F. 13.2% efficiency double-hetero structure single-junction InGaAsN solar cells grown by MOVPE // Journal of Vacuum Science & Technology A. 2015. V. 33. N 2. P. 021205. doi: 10.1116/1.4906511
8. Arbez G., Wheeldon J., Walker A., Hinzer K., Schriemer H. Modeling and simulation of triple junction solar cells // Proceedings of SPIE. 2010. V. 7750. P. 775032. doi: 10.1117/12.876131
9. Cariou R., Benick J., Feldmann F., Hohn O., Hauser H., Beutel P., Razek N., Wimplinger M., Blasi B., Lackner D., Hermle M., Siefer G., Glunz S.W., Bett A.W., Dimroth F. III-V-on-silicon solar cells reaching 33% photoconversion efficiency in two-terminal configuration // Nature Energy. 2018. V. 3. N 4. P. 326-333. doi: 10.1038/s41560-018-0125-0
10. 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 // Електротехнша i Електромеханша. 2017. № 6. С. 47-52. doi: 10.20998/2074-272X.2017.6.07
11. Gudovskikh A.S., Kaluzhniy N.A., Lantratov V.M., Mintairov S.A., Shvarts M.Z., Andreev V.M. Numerical modelling of GaInP solar cells with AlInP and AlGaAs windows // Thin Solid Films. 2008. V. 516. N 20. P. 6739-6743. doi: 10.1016/j.tsf.2007.12.016
12. Aydin K., Leite M.S., Atwater H.A. Increased cell efficiency in InGaAs thin film solar cells with dielectric and metal back reflectors // Proc. 34th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC). 2009. P. 001713-001717. doi: 10.1109/PVSC.2009.5411432
13. Lunin L.S., Lunina M.L., Devitsky O.V., Sysoev I.A. Pulsed laser deposition of AlxGa1 xAs and GaP thin films onto Si substrates for photoelectric converters // Semiconductors. 2017. V. 51. N 3. P. 387391. doi: 10.1134/S1063782617030174
14. Varache R., Leendertz C., Gueunier-Farret M.E., Haschke J., Muñoz D., Korte L. Investigation of selective junctions using a newly developed tunnel current model for solar cell applications // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2015. V. 141. P. 14-23. doi: 10.1016/j.solmat.2015.05.014
15. Dilute III-V nitride semiconductors and material systems: Physics and Technology / ed. by A. Erol. Berlin: Springer-Verlag, 2008. 590 p. (Springer Materials Science, V. 105). doi: 10.1007/978-3-540-74529-7
16. Kudrawiec R. Alloying of GaN^As^ with InNxAs1 x: A simple formula for the band gap parametrization of Ga1_),InyNxAs1_x alloys // Journal of Applied Physics. 2007. V. 101. N 2. P. 023522. doi: 10.1063/1.2424528
17. Vurgaftman I., Meyer J.R., Ram-Mohan L.R. Band parameters for III-V compound semiconductors and their alloys // Journal of Applied Physics. 2001. V. 89. N 11. P. 5815-5875. doi: 10.1063/1.1368156
18. Vurgaftman I., Meyer J.R. Band parameters for nitrogen-containing semiconductors // Journal of Applied Physics. 2003. V. 94. N 6. P. 3675-3696. doi: 10.1063/1.1600519
19. Ajnef N., Jemmali W.Q., Habchi M.M., Rebey A. Biaxial strain effects on the band structure and absorption coefficient of GaAs¡ x ^Nj-Bi^/GaAs MQWs calculated using k.p method // Optik. 2020. V. 223. P. 165484. doi: 10.1016/j.ijleo.2020.165484
References
1. Shockley W., Queisser H.J. Detailed balance limit of efficiency ofp-n junction solar cells. Journal of Applied Physics, 1961, vol. 32, no. 3, pp. 510-519. doi: 10.1063/1.1736034
2. Bellil W., Aissat A., Vilcot J.P. Optimization and comparison between the efficiency of GaNAsSb and GaInNAs single solar cells deposed on GaAs. Procedia Computer Science, 2019, vol. 151, pp. 10281033. doi: 10.1016/j.procs.2019.04.145
3. Blasco R., Naranjo F.B., Valdueza-Felip S. Design of AlInN on silicon heterojunctions grown by sputtering for solar devices. Current Applied Physics, 2020, vol. 20, no. 11, pp. 1244-1252. doi: 10.1016/j.cap.2020.07.018
4. Essig S., Ward S., Steiner M.A., Friedman D.J., Geisz J.F., Stradins P., Young D.L. Progress towards a 30% efficient GaInP/Si tandem solar cell. Energy Procedia, 2015, vol. 77, pp. 464-469. doi: 10.1016/j.egypro.2015.07.066
5. Kurtz S.R., Allerman A.A., Jones E.D., Gee J.M., Banas J.J., Hammons B.E. InGaAsN solar cells with 1.0 eV band gap, lattice matched to GaAs. Applied Physics Letters, 1999, vol. 74, no. 5, pp. 729-731. doi: 10.1063/1.123105
6. Prete P., Lovergine N. Dilute nitride III-V nanowires for high-efficiency intermediate-band photovoltaic cells: Materials requirements, self-assembly methods and properties. Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials, 2020, vol. 66, no. 4, pp. 100510. doi: 10.1016/j.pcrysgrow.2020.100510
7. Kim T.W., Mawst L.J., Kim Y., Kim K., Lee J., Kuech T.F. 13.2% efficiency double-hetero structure single-junction InGaAsN solar cells grown by MOVPE. Journal of Vacuum Science & Technology A, 2015, vol. 33, no. 2, pp. 021205. doi: 10.1116/1.4906511
8. Arbez G., Wheeldon J., Walker A., Hinzer K., Schriemer H. Modeling and simulation of triple junction solar cells. Proceedings of SPIE, 2010, vol. 7750, pp. 775032. doi: 10.1117/12.876131
9. Cariou R., Benick J., Feldmann F., Höhn O., Hauser H., Beutel P., Razek N., Wimplinger M., Bläsi B., Lackner D., Hermle M., Siefer G., Glunz S.W., Bett A.W., Dimroth F. III-V-on-silicon solar cells reaching 33% photoconversion efficiency in two-terminal configuration. Nature Energy, 2018, vol. 3, no. 4, pp. 326-333. doi: 10.1038/s41560-018-0125-0
10. 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. Electrical Engineering & Electromechanics, 2017, no. 6, pp. 47-52. doi: 10.20998/2074-272X.2017.6.07
11. Gudovskikh A.S., Kaluzhniy N.A., Lantratov V.M., Mintairov S.A., Shvarts M.Z., Andreev V.M. Numerical modelling of GaInP solar cells with AlInP and AlGaAs windows. Thin Solid Films, 2008, vol. 516, no. 20, pp. 6739-6743. doi: 10.1016/j.tsf.2007.12.016
12. Aydin K., Leite M.S., Atwater H.A. Increased cell efficiency in InGaAs thin film solar cells with dielectric and metal back reflectors. Proc. 34th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2009, pp. 001713-001717. doi: 10.1109/PVSC.2009.5411432
13. Lunin L.S., Lunina M.L., Devitsky O.V., Sysoev I.A. Pulsed laser deposition of AlxGa1 xAs and GaP thin films onto Si substrates for photoelectric converters. Semiconductors, 2017, vol. 51, no. 3, pp. 387-391. doi: 10.1134/S1063782617030174
14. Varache R., Leendertz C., Gueunier-Farret M.E., Haschke J., Muñoz D., Korte L. Investigation of selective junctions using a newly developed tunnel current model for solar cell applications. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2015, vol. 141, pp. 14-23. doi: 10.1016/j.solmat.2015.05.014
15. Dilute III-V nitride semiconductors and material systems: Physics and Technology. Ed. by A. Erol. Berlin, Springer-Verlag, 2008, 590 p., Springer Materials Science, vol. 105. doi: 10.1007/978-3-540-74529-7
16. Kudrawiec R. Alloying of GaNjAs^ with InNxAs1 x: A simple formula for the band gap parametrization of Ga1_yInyNxAs1 x alloys. Journal of Applied Physics, 2007, vol. 101, no. 2, pp. 023522. doi: 10.1063/1.2424528
17. 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, no. 11, pp. 5815-5875. doi: 10.1063/1.1368156
18. Vurgaftman I., Meyer J.R. Band parameters for nitrogen-containing semiconductors. Journal of Applied Physics, 2003, vol. 94, no. 6, pp. 3675-3696. doi: 10.1063/1.1600519
19. Ajnef N., Jemmali W.Q., Habchi M.M., Rebey A. Biaxial strain effects on the band structure and absorption coefficient of GaAs¡ x yNxBiy/GaAs MQWs calculated using k.p method. Optik, 2020, vol. 223, pp. 165484. doi: 10.1016/j.ijleo.2020.165484
20. Song J., Luo Z., Liu X., Li E., Jiang C., Huang Z., Li J., Guo X., Ding Z., Wang J. The study on structural and photoelectric properties of zincblende InGaN via first principles calculation // Crystals. 2020. V. 10. N 12. P. 1159. doi: 10.3390/cryst10121159
21. Kawamura T., Fujita Y., Hamaji Y., Akiyama T., Kangawa Y., Gorczyca I., Suski T., Wierzbowska M., Krukowski S. First-principles calculation of band gaps of Al[ ^In^N alloys and short period Al1_xInxN/Al1_J,InyN superlattices // Physica Status Solidi B. 2020. V. 257. N 4. P. 1900530. doi: 10.1002/pssb.201900530
22. Geppert T., Wagner J., Köhler K., Ganser P., Maier M. Preferential formation of Al-N bonds in low N-content AlGaAsN // Applied Physics Letters. 2002. V. 80. N 12. P. 2081-2083. doi: 10.1063/1.1464660
20. Song J., Luo Z., Liu X., Li E., Jiang C., Huang Z., Li J., Guo X., Ding Z., Wang J. The study on structural and photoelectric properties of zincblende InGaN via first principles calculation. Crystals, 2020, vol. 10, no. 12, pp. 1159. doi: 10.3390/cryst10121159
21. Kawamura T., Fujita Y., Hamaji Y., Akiyama T., Kangawa Y., Gorczyca I., Suski T., Wierzbowska M., Krukowski S. First-principles calculation of band gaps of Al[ ^In^N alloys and short period Alj JnN/Alj^InyN superlattices. Physica Status Solidi B, 2020, vol. 257, no. 4, pp. 1900530. doi: 10.1002/pssb.201900530
22. Geppert T., Wagner J., Köhler K., Ganser P., Maier M. Preferential formation of Al-N bonds in low N-content AlGaAsN. Applied Physics Letters, 2002, vol. 80, no. 12, pp. 2081-2083. doi: 10.1063/1.1464660
Авторы
Девицкий Олег Васильевич — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Федеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук, Ростов-на-Дону, 344006, Российская Федерация; старший научный сотрудник, Северо-Кавказский федеральный университет, Ставрополь, 355017, Российская Федерация, ^ 57193670678, https://orcid.org/0000-0003-3153-696X, [email protected] Санакулов Сохибжон Ориф угли — студент, Северо-Кавказский федеральный университет, Ставрополь, 355017, Российская Федерация, https://orcid.org/0000-0002-3620-9792, [email protected]
Authors
Oleg V. Devitsky — PhD, Senior Researcher, Federal Research Center the Southern Scientific Centre of the Russian Academy of Sciences, Rostov-on-Don, 344006, Russian Federation; Senior Researcher, North-Caucasus Federal University, Stavropol, 355017, Russian Federation, S3 57193670678, https://orcid.org/0000-0003-3153-696X, [email protected]
Sohibjon O. Sanakulov — Student, North-Caucasus Federal University, Stavropol, 355017, Russian Federation, https://orcid.org/0000-0002-3620-9792, [email protected]
Статья поступила в редакцию 28.01.2021 Одобрена после рецензирования 22.02.2021 Принята к печати 21.03.2021
Received 28.01.2021
Approved after reviewing 22.02.2021
Accepted 21.03.2021
Работа доступна по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial»
