CC BY
1НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ
НАУКА И МИРОВОЗЗРЕНИЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОДНОКАСКАДНОГО СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОПЕРЕХОДА ШР - СЕ
Бесполудин Владислав Валерьевич
студент Института нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного федерального университета, РФ, г. Таганрог
Основная цель данного исследования заключается в увеличении КПД однокаскадного солнечного элемента на основе гетероперехода 1пР - Ge посредством изменения таких параметров как толщина слоя 1пР, степень легирования 1пР, и текстурирование поверхности, с использованием программы РСШ [3;4]. Сочетание таких материалов как 1пР и Ge является привлекательным, из-за их различной ширины запрещенной зоны, что в сочетании друг с другом позволяет достигать высоких значений эффективности солнечных элементов. В этом исследовании, верхняя слой изготовлен из 1пР п - типа (1,35 эВ), а нижний слой изготовлен из Ge р - типа (0,66 эВ). Одним из недостатков однокомпонентных солнечных элементов является невозможность поглощать фотоны в широком солнечном спектре от 300 нм до 2500 нм. Для этих целей используют солнечные элементы из различных материалов и с разной шириной запрещенной зоны, как показали исследование данное решение является хорошим подходом к повышению эффективности фотогальванических устройств с одним р - п переходом [4]. В процессе моделирования мы используем слой Ge р - типа толщиной 100 мкм, и слой 1пР п - типа толщиной от 4 мкм до 1 мкм, площадь устройства составляет 110 см2. Моделирование проводилась при стандартных условиях, температуры и освещения.
Исходя из вышеизложенного, мы ожидаем, что сочетание материалов с энергетическими запрещенными зонами, 0,66 эВ и 1,35 эВ дадут высокую эффективность и возможность поглощать фотоны солнечного излучения в широком спектре. Еще одним из достоинств использования сочетания 1пР - Ge является периоды их решёток 5.87 А для 1пР и 5,65 А для Ge, что снижает возникновение дислокаций несоответствия, а также высокая подвижность электронов данных материалов, 5400 - 3900 см2/ В с для 1пР и Ge соответственно. На рисунке 1 показана структура однокаскадного солнечного элемента на основе гетероперехода 1пР - Ge [1;3;5]. Моделирование проводилось на основе стандартной "диффузионно-дрейфовой" одномерной модели. В этой модели совместно решается система одномерных уравнений с использованием дискретной сетки. Система представлена уравнением Пуассона и двумя уравнениями переноса заряда в случае электронов и дырок.
В процессе моделирования менялись такие параметры как толщины слоя 1пР, степень легирования слоя 1пР, а также текстурирование фронтальной поверхности для снижения оптических потерь в верхнем слое. При моделировании толщина верхнего слоя 1пР была изменена с 4 мкм до 1 мкм. Влияния изменения толщины слоя 1пР на фотоэлектрические характеристики солнечного элемента отражено на рисунке 2. При изменении толщины слоя 1пР с 4 мкм до 1 мкм происходит увеличение КПД солнечного элемента с 18,9% до 25,45%. Данное увеличения КПД связанно с тем что верхний слой 1пР генерирует основную часть электронов, которым необходимо пройти
Рисунок 2. ВЛХ ш1т>ми каОногп солнечного мементо 1пР - Се а) При то гщине слоя 1пР 1 мк м 6) При толщине слоя 1пР 4 мкм
определенное расстояния, чтобы добраться до слоя Ge, и чем меньше это расстояние тем выше вероятность. При увеличении легирования фронтального слоя 1пР от 1017 до 1020 происходит снижение КПД с 25,45 до 14,6% рисунок 3. Причина снижения производительности связанна с изменением ширины запрещенной зоны слоя 1пР, в результате чего изменяется и диапазон поглощаемых фотонов [3;4].
- II и 14: са
и И
и н
«4 ч
«1 -и •и ; i ! * ' < С4
•14 н
•К •и ■
с» 4 а
-и <444
44 41 и II
4) _ М
а" 41 т • 1 >4 См Хф 04 :• ч 6
Рисунок 3. Влияния степени легирования на ВЛХ солнечного элемента а) При
В данной работе также было проведено влияние текстурирования на КПД данного устройства, и оно показало что применения слоя текстур в толщину 0,2 мкм и углом в 71 может незначительно улучшать КПД устройства с 25,45% до 26,3%, за счет снижение оптических потерь и лучшей передачи фотонов в глубину материала [4]. В данном исследовании мы показали, что расширенный спектральный охват за счет тщательного подбора материалов, оптимизации толщины, а также степени легирования фронтального слоя 1пР и текстурирования фронтальной поверхности привело к повышение производительности однокаскадного солнечного элемента на основе гетероперехода 1пР -Ge с 18,49% до 26,3%. Данные показатели КПД значительно выше, чем показатели производительности однокаскадного солнечного элемента на основе гомоперехода Ge при тех же параметрах толщины степени легирования и текстурирования фронтальной слоя.
