Simulation einer AlGaAs/GaAs-Heterostruktur-Solarzelle: Zellstruktur, Bandanordnung, Strom-Spannungs-Kennlinie (J–V), externe Quanteneffizienz (EQE) und Abhängigkeit der Leerlaufspannung von der einfallenden Strahlungsleistung (Suns–Voc).
1. Einleitung: Warum sollte eine AlGaAs/GaAs-Heterostruktur verwendet werden?
Galliumarsenid (GaAs) ist ein III-V-Halbleiter mit direkter Bandlücke, der in Hochleistungs-Photovoltaikanlagen weit verbreitet ist. Seine relativ hohe Absorption oberhalb der Bandkante ermöglicht es, dass eine dünne Absorberschicht einen beträchtlichen Teil des einfallenden Sonnenlichts bei geeigneten Wellenlängen einfängt. Eine herkömmliche GaAs-Homoverbindung kann jedoch unerwünschte optische Absorption und die Rekombination von Minderheitsträgern in der Nähe der beleuchteten Oberfläche aufweisen. Ein Halbleiter mit einer größeren Bandlücke, der auf der beleuchteten Seite angeordnet ist, kann diese Verluste reduzieren, wenn seine optischen und elektronischen Eigenschaften entsprechend ausgewählt werden.
In diesem Tutorial wird eine p-dotierte Al0,3Ga0,7As-/n-dotierte GaAs-Heteroverbindung modelliert. Die oberen beiden AlGaAs-Schichten bilden eine p-dotierte Fenster-/Emitter-Schicht mit einer größeren Bandlücke, während die darunterliegende n-dotierte GaAs-Schicht den Hauptbereich für die optische Absorption bildet. Der Unterschied in der Bandlücke und der Elektronenaffinität an der Grenzfläche führt zusätzlich zu den durch ionisierte Dotierstoffe verursachten elektrostatischen Verbiegungen zu Unterbrechungen in den Leitungs- und Valenzbändern. Die resultierende Heteroverbindung muss daher unter Verwendung sowohl der Bandunterschiede der Materialien als auch der Quasi-Fermi-Niveaus der Ladungsträger analysiert werden; eine Behandlung als reine GaAs-PN-Diode würde wichtige physikalische Aspekte übersehen.
Wir werden den eindimensionalen Drift-Diffusions-Solver von OghmaNano verwenden, der mit einer Berechnung der optischen Erzeugung gekoppelt ist. Das bereitgestellte Modell umfasst eine beleuchtete J–V-Messung, Optionen für die Berechnung der Quanteneffizienz (EQE) und der Intensitätsabhängigkeit sowie gespeicherte interne Profile. Der Arbeitsablauf basiert bewusst auf einem bereits konfigurierten Beispiel, sodass das Ziel darin besteht, das Gerät zu verstehen, zu simulieren und zu untersuchen, anstatt jeden Parameter von Grund auf neu einzugeben.
In einer photovoltaischen Vorrichtung erzeugen absorbierte Photonen Elektron-Loch-Paare; selektive Kontakte extrahieren die Ladungsträger, und die daraus resultierende interne Aufspaltung des Quasi-Fermi-Niveaus erzeugt eine Leerlaufspannung. Ein brauchbares Modell muss die optische Absorption und die Ladungserzeugung mit der Elektrostatik des Übergangs, der Ladungsträger-Extraktion und der Rekombination in Beziehung setzen. Die folgenden Abschnitte untersuchen jede dieser Zusammenhänge direkt.
2. Erstellung der Simulation anhand der GaAs-Demonstrationsmodelle
Öffnen Sie OghmaNano und wählen Sie „Neue Simulation“ aus. Im Simulationsbrowser öffnen Sie „GaAs-Demos“ und wählen dann „AlGaAs/GaAs-Heterostruktur-Solarzelle“ aus. Das Auswahldialogfeld und die Demo-Kategorie werden in ?? und ?? angezeigt. Das Beispiel wird im Hauptfenster für die Bauelementstruktur geöffnet (??).
Das Hauptfenster enthält eine dreidimensionale grafische Darstellung des Bauelements. Die hier beschriebene physikalische Simulation verwendet eine räumliche Variation entlang der y-Achse, die senkrecht zu den Schichten verläuft. Die gerenderte Schicht dient daher dazu, den Schichtstapel und die Kontakte zu visualisieren, und nicht als Beweis für eine vollständige dreidimensionale elektrische Berechnung. Wählen Sie das Register „Bauelementstruktur“ aus, um die Schichten zu überprüfen oder anzupassen; die Registerkarten „Ausgabe“ und „Anschluss“ werden nach der Ausführung verwendet.
Es ist ratsam, vor dem Experimentieren eine separate Kopie des Beispiels zu speichern. Behalten Sie die ursprüngliche Version bei, damit Änderungen an der Dotierung, der Legierungszusammensetzung oder den Grenzflächenparametern mit einer funktionierenden Referenz verglichen werden können.
3. Überprüfung der epitaktischen Schichtstruktur, der Dotierung und der Legierungszusammensetzung.
Öffnen Sie den Layer-Editor, um die vier epitaktischen Bereiche (??) zu untersuchen. Die genaue Ausgangsgeometrie und Dotierung dieses Beispiels sind unten zusammengefasst. Alle Konzentrationen werden als Volumenkonzentrationen in m−3 angegeben, so wie sie in OghmaNano gespeichert sind; um in cm−3 umzurechnen, teilen Sie durch 106.
| Schichtweise, von oben nach unten. | Dicke | Position von oben | Mehrheitsdotierung | Physische Rolle |
|---|---|---|---|---|
| p+ Al0,3Ga0,7As | 0,10 µm | 0–0,10 µm | NA = 2 × 1024 m−3 (2 × 1018 cm−3) | Stark dotierte vordere Kontakt-/Fensterschicht |
| p-dotiertes Al0,3Ga0,7As | 0,30 µm | 0,10–0,40 µm | NA = 3 × 1023 m−3 (3 × 1017 cm−3) | p-Dotierter Emitter mit großer Bandlücke |
| n-dotiertes GaAs-Absorbermaterial | 2,80 µm | 0,40–3,20 µm | ND = 3 × 1022 m−3 (3 × 1016 cm−3) | Hauptbereich für die Absorption von Photonen und die Ladungssammlung |
| n+-GaAs-Rückseitenkontakt | 0,20 µm | 3,20–3,40 µm | ND = 1 × 1024 m−3 (1 × 1018 cm−3) | Elektronenselektive Rückkontaktzone |
Die Heterogrenze befindet sich bei y = 0,40 µm, wo der p-dotierte AlGaAs-Emitter auf den n-dotierten GaAs-Absorber trifft. Dies stellt gleichzeitig eine Änderung der Dotierungspolarität und eine Änderung der Halbleiterzusammensetzung dar. Im Gegensatz dazu sind die 0,10 µm breite Grenzfläche innerhalb des AlGaAs und die 3,20 µm breite Grenzfläche innerhalb des GaAs hauptsächlich durch Änderungen der Dotierungskonzentration gekennzeichnet; diese Grenzflächen führen nicht zur Einführung eines neuen Materialsystems.
Offene Dotierung / Ionen aus den elektrischen Steuerelementen (??). Das Diagramm sollte die hohe Akzeptordichte in der Nähe des beleuchteten Kontakts, die geringere Akzeptordichte im restlichen AlGaAs-Emitter, den donorgedoteten GaAs-Absorber und den stärker dotierten GaAs-Rückkontakt darstellen. Die Änderung des Vorzeichens der Netto-Dotierung kennzeichnet den PN-Übergang. Die Dotierung ist selbst kein optisches Absorptionsparameter; sie beeinflusst die Poisson-Gleichung über die ionisierte Raumladung und wirkt sich auf die Leitfähigkeit, die Rekombination und die Trägererfassung aus.
Als Nächstes wird die Zusammensetzung der Legierung untersucht (??). Beide AlGaAs-Schichten weisen g_x0 = g_x1 = 0.30 auf: einen konstanten Aluminiumanteil über ihre gesamte Dicke. Beide GaAs-Schichten weisen g_x0 = g_x1 = 0 in diesem speziellen Beispiel auf. In der vorliegenden Struktur gibt es keine abgestufte Zusammensetzung. Eine linear abgestufte AlGaAs-Region würde unterschiedliche Endpunkte der Zusammensetzung und ein Lua-Materialmodell erfordern, das in der Lage ist, die lokale Zusammensetzung an jeder Gitterpunktposition zu berechnen.
Die Wirkung des Fensters mit der breiten Bandlücke ist wellenlängenabhängig. Photonen mit Energien unterhalb des Absorptionsanfangs von AlGaAs können das obere Halbleitermaterial leichter durchdringen, während Photonen mit Energien oberhalb dieses Anfangs auch im Emitter absorbiert werden können. Das Ausmaß dieses Vorteils hängt von den tatsächlichen optischen Konstanten, der Schichtdicke und den internen Sammlungseigenschaften ab; allein der Al-Anteil führt nicht zu einer quantitativen Reduzierung der Verluste an der Vorderfläche.
4. Modelle für elektrische Materialien und die Bandverschiebung an Heteroübergängen
Öffnen Sie den Editor für elektrische Parameter und überprüfen Sie die Lua-Materialskripte, die den Regionen (?? und ??) zugeordnet sind. In diesem Beispiel werden die Materialparameter mithilfe der registrierten Skripte ausgewertet, anstatt jeden Bandparameter einzeln auf einen festen Wert einzustellen.
Die AlGaAs- und GaAs-Lua-Pfade sind unterschiedlich: Inorganic/AlGaAs/AlGaAs.lua und Inorganic/GaAs/GaAs.lua. Der Wert für die Zusammensetzung der obersten Schicht von 0,30 steht für das AlGaAs-Modell zur Verfügung, wodurch die Berechnung von elektrischen Größen, die von der Zusammensetzung abhängen, ermöglicht wird. Die optischen Datensätze werden separat konfiguriert: Inorganic/AlGaAs/Adachi für die beiden AlGaAs-Schichten und Inorganic/GaAs/Adachi für die GaAs-Schichten. Elektrische Bandparameter und optische Datensätze für den Brechungsindex/die Absorption sollten nicht miteinander verwechselt werden.
An der Heterogrenze steht die lokale Leitbandkante in einer bestimmten Beziehung zur Elektronenaffinität, die durch die Formel \(E_C=-\chi-q\phi\) beschrieben wird, und die Valenzbandkante durch \(E_V=E_C-E_g\), vorausgesetzt, auf beiden Seiten wird die gleiche Referenzenergie verwendet. Die resultierenden Sprungstellen werden üblicherweise als \(\Delta E_C\) und \(\Delta E_V\) dargestellt. Sie hängen sowohl von der zusammensetzungsabhängigen Bandlücke als auch vom Modell der Elektronenaffinität ab. Die größere Bandlücke von AlGaAs bestimmt also nicht allein, wie die gesamte Sprungstelle zwischen dem Leitungs- und dem Valenzband aufgeteilt wird.
Physikalisch gesehen kann ein ausreichend großer Anstieg im Leitungsband die Extraktion von Elektronen behindern, während eine geeignete Unterbrechung im Valenzband die unerwünschte Bewegung von Löchern in die entgegengesetzte Richtung behindern kann. Diese Effekte stehen in Konkurrenz zu Drift, Diffusion, Dotierung, thermischer Aktivierung und Rekombination. Aus diesem Grund ist die simulierte Bandstruktur aussagekräftiger als die bloße Angabe einer Bandlückenunterschied.
4.1. Transport- und Rekombinationsparameter
OghmaNano löst die gekoppelten Poisson- und Kontinuitätsgleichungen für Elektronen und Löcher. In der Drift-Diffusions-Näherung hängen die Stromdichten von Elektronen und Löchern von der Trägermobilität, den Gradienten der Trägerdichte und dem elektrostatischen Feld ab. Unter Verwendung der üblichen Vorzeichenkonvention lassen sich diese wie folgt ausdrücken:
\[J_n=q\mu_n n\mathcal{E}+qD_n\frac{dn}{dy},\qquad J_p=q\mu_p p\mathcal{E}-qD_p\frac{dp}{dy}.\]Das elektrische Feld und die Trägerkonzentrationen werden selbstkonsistent berechnet. Unter Lichteinwirkung müssen die Kontinuitätsgleichungen zusätzlich die Photogenerierung \(G\) und die Rekombination \(R\) berücksichtigen. Beispielsweise bei der üblichen eindimensionalen Stromkonvention, \(dJ_n/dy=q(R-G)\) und \(dJ_p/dy=q(G-R)\) im stationären Zustand. Ihre Summe sollte daher in einer idealen stationären Lösung ohne einen zusätzlichen, verteilten Ladungsspeicherungsterm räumlich konstant bleiben.
Das JSON-Format ermöglicht die Beschreibung des stationären SRH-Rekombinationsprozesses (ss_srh_enabled = "True") und liefert eine typische mittlere Energie der Defektzustände, die Defektdichte \(N_t=5\times10^{19}\,\mathrm{m}^{-3}\) und die Einfangquerschnitte \(\sigma_n=\sigma_p=10^{-22}\,\mathrm{m}^2\) für jede Schicht. Diese Felder beschreiben das konfigurierte Defektmodell; es muss geprüft werden, ob ein Feld direkt aus dem JSON-Format übernommen oder vom ausgewählten Materialskript neu berechnet wird, und dies mit den von OghmaNano gemeldeten effektiven Werten verglichen werden. Die Geschwindigkeit eines standardmäßigen einstufigen SRH-Prozesses ist
In einem Halbleiter mit direkter Bandlücke kann auch die radiative Rekombination von freien Elektronen mit freien Löchern eine wichtige Rolle spielen, was üblicherweise durch \(R_{\mathrm{rad}}=B(np-n_i^2)\) dargestellt wird. Das Programm kann außerdem Auger-Koeffizienten und andere Kanäle über die Materialmodelle bereitstellen. Schließen Sie nicht allein aufgrund des Vorhandenseins der Einstellungen, welcher Mechanismus vorherrscht. Verwenden Sie stattdessen die grafisch dargestellten Rekombinationsdateien, die tatsächlich aktivierten Parameter und die Werte des Materialmodells im laufenden Beispiel. Für dieses Bauelement erhält man die korrekte Interpretation, indem man die Werte bei derselben Spannung und mit konsistenten vertikalen Skalen vergleicht.
Die Ansicht des elektrischen Editors kann verwendet werden, um die Mobilität und andere lokale Eigenschaften zu überprüfen (??). Bei Experimenten mit Zusammensetzungen sollten die Überschreibungen für die Datenbankwerte der Bandlücke und der Elektronenaffinität deaktiviert bleiben, es sei denn, es gibt einen bestimmten Grund, die Lua-Werte zu überschreiben: Manuell festgelegte Werte \(E_g\) oder \(\chi\) können versehentlich die beabsichtigte Abhängigkeit von der Zusammensetzung aufheben.
5. Elektrische Kontakte und das Simulationsnetz
Das Modell verfügt über zwei externe elektrische Anschlüsse. Die obere p-Anode bei y0 ist der angetriebene Kontakt, die untere n-Kathode bei y1 ist der geerdete Anschluss. Beide verwenden eine ohmsche Grenzschicht für die Mehrheitsträger und eine sperrende Grenzschicht für die Minderheitsträger. Dies ist eine wichtige Modellierungsentscheidung: Die Struktur wird nicht durch generische, symmetrische Kontakte dargestellt, die Elektronen und Löcher ununterschiedlich extrahieren. Öffnen Sie den Kontakteditor, um die Kontaktreihen (??) anzuzeigen.
An der Anode ist das Mehrheitsträger das Loch und das Minderheitsträger das Elektron. An der Kathode sind die Rollen vertauscht. Eine angelegte Spannung verändert daher das Potential am p-Anschluss relativ zum geerdeten n-Anschluss. Das Kontaktmodell unterscheidet sich von den hochdotierten epitaktischen Kontaktschichten, die Teil der Halbleiterstruktur sind. Die expliziten Anschlussbedingungen bestimmen, wie die Ladungsträger das Berechnungsgebiet verlassen.
Der elektrische Solver ist für ein eindimensionales y-Gitter konfiguriert. Seine vier Gittersegmente verfolgen die vier epitaktischen Schichtdicken mit jeweils einer nominalen Anzahl von 10, 17, 156 und 11 Punkten. Dies entspricht ungefähr 194 definierten Punkten, obwohl die tatsächliche Anzahl der verwendeten eindeutigen Knoten davon abhängen kann, wie der Solver mit gemeinsamen Grenzen umgeht. Beide lateralen Richtungen des elektrischen Gitters sind deaktiviert. Die Gittereinstellungen sind in ?? sichtbar.
Die Auflösung des Gitters spielt eine besonders wichtige Rolle in der Nähe der Heterogrenzfläche bei 0,40 µm, wo elektrostatische Krümmung und Bandverschiebung über eine kurze Distanz variieren können. Wenn die berechnete Bandunterbrechung oder die Trägerdichte eine schmale Spitze aufweist, ist eine Konvergenzprüfung des Gitters überzeugender als die bloße Akzeptanz der Standardeinstellungen. Führen Sie eine Berechnung mit einem feineren Gitter für den Emitter/Übergang durch und vergleichen Sie die J–V-Ergebnisse sowie die relevanten räumlichen Profile. Wenn sich diese signifikant ändern, war das Ausgangsgitter noch nicht ausreichend fein aufgelöst.
6. Ausführen der simulierten J–V-Messung mit Beleuchtung
Der standardmäßig in der mitgelieferten Konfiguration ausgewählte Modus ist J–V. Die Spannungsänderung ist so eingestellt, dass sie in Schritten von 0,02 V von −0,10 V bis +1,00 V verläuft. Für die Beleuchtung wird ein AM1.5G-Spektrum verwendet, und die Referenzintensität der Lichtquelle entspricht der Intensität eines Sonnenlichts (Psun = 1). Die optische Erzeugung wird über das konfigurierte Transfermatrix-Generierungsmodell in die elektrische Simulation eingekoppelt. Die eingestellte Temperatur beträgt 300 K.
Bevor Sie die Simulation starten, überprüfen Sie den Reiter „Ausgabe“ (??). Klicken Sie auf „Simulation starten“. Im Reiter „Terminal“ werden Fortschritt und die Ergebnisse der Berechnung angezeigt; die zugehörigen Screenshots des Terminals (?? und ??) zeigen einen frühen und einen späteren Zustand der Berechnung. Eine sich ändernde Terminalanzeige ist ein Hinweis darauf, dass die Berechnung läuft, aber sie ist allein kein Beweis dafür, dass alle Punkte konvergiert sind. Überprüfen Sie, ob die Berechnung abgeschlossen ist, ob Fehler aufgetreten sind, und ob die entsprechenden Ausgabedateien erstellt wurden.
Nach der Ausführung kehren Sie zu „Ausgabe“ zurück und öffnen jv.csv (??). Die angezeigte J–V-Kurve unterscheidet sich konzeptionell von der Kennlinie einer Halbleiterdiode im Durchlassbereich bei Dunkelheit. Eine einfache, lineare Näherungsformel ist \(J(V)=J_{\mathrm{dark}}(V)-J_{\mathrm{ph}}(V)\), wobei eine Konvention für die Vorzeichen verwendet wird, bei der der extrahierte Photostrom negativ ist. Die vom Simulator gezeichnete Vorzeichenkurve folgt der konfigurierten Kontaktkonvention, daher sollten die physikalisch relevanten Größen anhand der Spannungs- und Stromwerte ermittelt werden, anstatt davon auszugehen, dass jede Photovoltaik-Darstellung mit den gleichen Vorzeichen gezeichnet wird.
Die Kurzschlussstromdichte \(J_{SC}\) ist die Stromdichte an der Stelle \(V=0\), während die Leerlaufspannung \(V_{OC}\) die Spannung ist, bei der die Stromdichte an den Anschlüssen Null beträgt. Der Punkt maximaler Leistung wird bei der angelegten Vorspannung erreicht, die die Größe der an eine externe Last abgegebenen Leistung maximiert, und der Füllfaktor wird definiert durch:
\[FF=\frac{|J_{\mathrm{mpp}}V_{\mathrm{mpp}}|}{|J_{SC}|V_{OC}}.\]Bei einer konstant festgelegten optischen Leistungsdichte des einfallenden Lichts \(P_{\mathrm{in}}\) ergibt sich die Umwandlungseffizienz wie in \(\eta=|J_{\mathrm{mpp}}V_{\mathrm{mpp}}|/P_{\mathrm{in}}\) dargestellt. Geben Sie die Effizienz nicht einfach anhand der Form der Kurve an: Es sind auch die Konventionen für die Beleuchtungsleistung und ein zuverlässig bestimmter Betriebspunkt mit maximaler Leistung erforderlich.
Die J–V-Kurve ist die einfachste Möglichkeit, die Leistung zusammenzufassen, erklärt aber nicht, warum ein Stromverlust auftritt. Eine Abnahme des Photostroms kann auf unzureichende Absorption, eine schlechte Ladungsträgererfassung oder eine erhöhte Rekombination zurückzuführen sein; eine niedrigere Leerlaufspannung kann durch eine stärkere Rekombination oder veränderte elektrostatische Eigenschaften des Übergangs entstehen. Aus diesem Grund verwenden die folgenden Abschnitte räumlich aufgelöste Daten als diagnostisches Werkzeug und verlassen sich nicht allein auf die J–V-Kurve.
Die device.csv-Visualisierung (??) bietet eine nützliche, unabhängige Möglichkeit, zu überprüfen, ob die simulierten physikalischen Bereiche und ihre Grenzen mit der beabsichtigten Geometrie übereinstimmen. Das Informationsfeld für die Simulation (??) ist hilfreich, wenn verschiedene Simulationsläufe verglichen und die mit einem Ergebnis verbundenen Einstellungen überprüft werden sollen.
7. Bandstrukturen, Trägerdichten und Transport durch die Heteroverbindung
Öffnen Sie die gespeicherten Momentaufnahmen im Ausgabefenster und bewegen Sie den Schieberegler für die Momentaufnahmen durch die verschiedenen Bias-Punkte. Die vier Screenshots für jede unten aufgeführte Größe zeigen verschiedene gespeicherte Zustände derselben Berechnung; die numerischen Skalen und Bias-Beschriftungen sollten direkt im entsprechenden Fenster abgelesen werden. Vergleichen Sie zwei Zustände, indem Sie zunächst feststellen, ob sie die gleichen Achsenbereiche aufweisen und welche der dargestellten Größen verglichen werden.
7.1. Leitungs- und Valenzbänder, Fermi-Niveau
Das Banddiagramm ist der beste Ort, um die AlGaAs/GaAs-Heteroverbindung (??–??) zu identifizieren. Die Materialgrenzfläche befindet sich bei 0,40 µm. Eine abrupte Änderung der lokalen Bandkanten an dieser Stelle spiegelt die Materialverschiebung wider, während die allmählich veränderliche Krümmung an anderer Stelle die elektrostatischen Eigenschaften widerspiegelt. Diese Unterscheidung ist von zentraler Bedeutung: Eine Heteroverbindung kann nicht allein anhand einer kontinuierlich gebogenen GaAs-Bandlücke interpretiert werden.
Im thermodynamischen Gleichgewicht fallen die elektrochemischen Potentiale von Elektronen und Löchern zusammen, was zu einem gemeinsamen Fermi-Niveau führt. Außerhalb des Gleichgewichts können sich die Quasi-Fermi-Niveaus von Elektronen und Löchern voneinander unterscheiden. Ihre Differenz ist ein Maß für das lokale Nichtgleichgewicht der Ladungsträger und steht in Beziehung zum lokalen Produkt der Elektronen- und Löcherkonzentrationen. Bei offenem Stromkreis spiegelt die Klemmenspannung die Differenz zwischen den an den selektiven Kontakten hergestellten elektrochemischen Potentialen wider; man sollte nicht eine einzelne, lokale Differenz der Quasi-Fermi-Niveaus in einer beliebigen Tiefe mit der gemessenen Spannung im offenen Stromkreis gleichsetzen.
Wenn sich die angelegte Vorspannung ändert, reagieren das elektrostatische Potenzial und die Ladungsträgerverteilung gemeinsam. Unter positiver elektrischer Vorspannung wird die Potentialbarriere im Vergleich zum Gleichgewichtszustand verringert; im photovoltaischen Betrieb erzeugen Photonen Ladungsträger, die ein Nichtgleichgewicht erzeugen und eine Photospannung aufbauen. Jede erkennbare Stufe in einer Quasi-Fermi-Niveau-Kurve sollte zusammen mit dem Stromfluss und der Netzauflösung untersucht werden, bevor sie als ein physikalisch abrupter elektrochemischer Potentialunterschied interpretiert wird.
7.2. Elektron- und Lochdichte
Die Diagramme der Trägerdichte (??–??) unterscheiden zwischen den Bereichen mit der dominanten Trägerart und den durch Injektion oder Photoanregung erzeugten Trägern der Minderheitsart. Durch den p-dotierten Emitter sind die Gleichgewichtsträger Löcher, während es sich im n-dotierten Absorber um Elektronen handelt. Die Profile der Minderheitsträger liefern wichtige Informationen über die Sammlung und Rekombination, insbesondere auf der GaAs-Seite des Übergangs.
Die Konzentrationen von Elektronen und Löchern sind empfindlich gegenüber der effektiven Zustandsdichte, den Bandversatzwerten, dem elektrostatischen Potenzial und dem Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Rekombination. Konzentrationsänderungen können daher nicht ausschließlich dem Dotierungsprofil zugeschrieben werden. Eine abrupte Änderung in der Nähe der Heterogrenze kann auf die kombinierten Auswirkungen der lokalen Bandanordnung und des Drift-Diffusions-Transports zurückzuführen sein.
7.3. Stromdichten von Elektronen und Löchern
Die Diagramme für den Elektronen- und Lochstrom (??–??) zeigen, wie sich der Gesamtstrom an den Anschlüssen auf die beiden Trägertypen verteilt, und zwar in Abhängigkeit von der Tiefe. Die photoelektrische Erzeugung erzeugt sowohl Elektronen als auch Löcher, aber die Art und Weise, wie jede dieser Spezies zum Strom beiträgt, ändert sich im Laufe des Gerätes, und zwar in Abhängigkeit von der lokalen Erzeugung, Rekombination, Mobilität und dem elektrischen Feld.
In einer stationären, eindimensionalen Berechnung sollte die Summe der positiven und negativen Elektronen- und Lochströme konstant sein, sofern keine explizit modellierten, verteilten Stromquellen oder -verluste vorhanden sind. Jede einzelne Komponente muss jedoch nicht konstant sein: Da Ladungsträger erzeugt und rekombiniert werden, tauschen die Elektronen- und Lochstromkomponenten ihre Beiträge aus, wobei der Gesamtstrom konstant bleibt. Dies ist eine effektive Möglichkeit, die Konsistenz einer vollständigen Lösung zu überprüfen.
Einige Diagramme können bei niedrigen Stromstärken besonders ausgeprägt erscheinen. Vermeiden Sie es, anhand einer einzelnen, verrauschten Kurve auf eine physische Transportbarriere zu schließen: untersuchen Sie stattdessen die Bandkanten, die Trägerdichten und die Vorzeichen der Stromkomponenten zusammen und prüfen Sie, ob sich das Muster ändert, wenn das Netz feiner wird. Das separate Diagramm zur Darstellung der Beweglichkeit (??) bietet eine praktische Möglichkeit, die modellierten lokalen Transportkoeffizienten zu betrachten und festzustellen, ob sie sich mit dem Material oder der Zusammensetzung ändern.
8. Rekombination, Trägerkonzentrationen und photoinduzierte Ladungsträgererzeugung
Der Strom, der in einer Solarzelle erzeugt wird, ist das Ergebnis eines Zusammenspiels zwischen Erzeugung und Verlust. In der Zelle absorbierte Photonen erzeugen Ladungsträger, aber nur ein Teil dieser Ladungsträger erreicht die selektiven Kontakte. Die lokalen Gleichungen für die Elektronen- und Lochkontinuität beschreiben dieses Gleichgewicht. OghmaNano ermöglicht die Erzeugung einer Reihe von unterschiedlichen Ausgangsleistungen, die räumlich verglichen werden können, anstatt nur durch einen in die Zelle integrierten Strom.
8.1. Rekombination im Vergleich zur Anwendung einer Vorspannung
Öffnen Sie die Rekombinationsprofile (??–??). Eine Rekombinationsrate ist eine Volumenrate, die üblicherweise in der Einheit Anzahl der Ladungsträger pro Kubikmeter pro Sekunde angegeben wird; sie sollte nicht ohne vorherige Integration über eine Strecke und Multiplikation mit der Elementarladung numerisch mit einer Stromdichte verglichen werden. Für eine eindimensionale Anordnung ist eine beispielhafte Rekombinationsstromdichte \(J_{\mathrm{rec}}=q\int R(y)\,dy\), wobei die gewählte Definition der Netto-Rate und der Grenzen berücksichtigt wird.
Vergleichen Sie nicht nur die maximalen Werte, sondern auch die Breite und die Position der Kurven. Ein räumlich eng begrenzter, hoher Peak kann möglicherweise weniger zum Gesamtverlust beitragen als eine moderate Kurve, die sich über den gesamten Absorber erstreckt. Verwenden Sie beim Vergleich von Mechanismen die gleiche Spannung und den gleichen Bereich. In einer Heteroverbindung kann die Anreicherung von Ladungsträgern in der Nähe einer Bandkantenverschiebung die Rekombination lokal erhöhen, aber das entscheidende Kriterium ist, ob eine solche Anreicherung tatsächlich in den Dichte- und Banddiagrammen sichtbar ist.
8.2. Elektron-Loch-Rekombinationsraten
Die zugehörigen Ausgaben für die Elektronen- und Loch-Rekombinationsraten (??–??) ermöglichen den Vergleich der in der Momentaufnahme dargestellten Raten. Es ist wichtig, die Netto-Rekombination von jeder einzelnen Einfang-, Emissions-, Erzeugungs- oder Übergangsrate für freie Ladungsträger zu unterscheiden. Nicht jede dargestellte Rate stellt notwendigerweise einen unabhängigen Verlustmechanismus dar; das einfache Addieren der angezeigten Kurven, ohne deren Definitionen zu überprüfen, kann dazu führen, dass Transferwege doppelt gezählt werden.
Bei einem nettoradiativen Rekombinationskanal veranschaulicht das bekannte Gesetz \(R_{\mathrm{rad}}=B(np-n_i^2)\), warum die Rekombination zunimmt, wenn sowohl die Anzahl der Ladungsträger als auch deren Konzentration steigen. Die SRH-Rekombination hängt hingegen von der Besetzung von Fallen und der Geschwindigkeit der Einfangprozesse ab. Das relative Ausmaß dieser Prozesse hängt von den effektiven Materialparametern während des Prozesses ab. In dieser Anleitung wird nicht davon ausgegangen, dass die radiative Rekombination in allen Schichten oder bei allen Arbeitspunkten vorherrscht, nur weil GaAs ein Halbleiter mit direkter Bandlücke ist.
8.3. Generationsprofil
Die optische Erzeugungsrate von Trägern unterscheidet sich grundlegend von einer Rekombinationsrate: Sie stellt eine Quelle und nicht einen Verlust dar. Für die wellenlängenabhängige Photonenflussdichte \(\Phi(\lambda,y)\) und den Absorptionskoeffizienten \(\alpha(\lambda,y)\) gilt eine einfache lokale Beziehung \(G(y)=\int \alpha(\lambda,y)\Phi(\lambda,y)\,d\lambda\), wobei die genaue Berechnung von Interferenz, Reflexion und den Felddefinitionen des gewählten optischen Modells abhängt.
Die gespeicherten Generationsprofile (?? und ??) ermöglichen es Ihnen, zu erkennen, wo Photonen Ladungsträger erzeugen. Eine stärkere Generation in der Nähe der beleuchteten Seite kann auf eine exponentielle Absorption zurückzuführen sein; Interferenz und wellenlängenabhängige Absorption können zu einer komplexeren Tiefenabhängigkeit führen. Ein optisch erzeugter Ladungsträger ist nicht automatisch ein gesammelter Ladungsträger, weshalb die Generation zusammen mit den Strom- und Rekombinationskurven untersucht werden muss.
9. Externe Quanteneffizienz: Wellenlängenabhängige Ladungsträgererfassung
Die externe Quanteneffizienz (EQE) misst die Anzahl der Elektronen, die über den externen Stromkreis gesammelt werden, pro einfallendem Photon auf dem Bauelement bei einer bestimmten Wellenlänge, wobei das Vorzeichen und die Normalisierung berücksichtigt werden, die vom Ausgangssignal verwendet werden. In einem idealen Modell, bei dem pro Photon ein Elektron gesammelt wird \(EQE(\lambda)=J_{\mathrm{photo}}(\lambda)/(q\Phi_{\mathrm{incident}}(\lambda))\), werden der spektrale Strom und der Photonenfluss konsistent dargestellt.
Um die EQE-Berechnung zu öffnen, wählen Sie in OghmaNano die Option für die EQE-Simulation aus und führen Sie diese aus. Anschließend können Sie das gespeicherte Ergebnis unter „Ausgabe“ (??) einsehen. Die mitgelieferte Simulationsdatei enthält außerdem eine konfigurierte EQE-Testwellenlänge von 710 nm. Diese Einstellung sollte nicht mit einem vollständigen, gemessenen oder berechneten Breitband-EQE-Spektrum verwechselt werden, es sei denn, es wurde tatsächlich eine Wellenlängenvariation durchgeführt und die Ausgabe enthält dieses Spektrum.
Bei GaAs entsprechen Photonenenergien in der Nähe und oberhalb seiner Bandlücke dem nahen Infrarot- bzw. sichtbaren Bereich der photovoltaischen Reaktion. Der AlGaAs-Emitter mit seiner größeren Bandlücke kann in einem Teil des nützlichen GaAs-Absorptionsbereichs transparenter sein, wodurch der Anteil des für den Absorber verfügbaren Lichts erhöht wird. Bei sehr kurzen Wellenlängen kann die Absorption im vorderen AlGaAs und die Rekombination von in der Nähe der Oberfläche erzeugten Ladungsträgern die Effizienz der Ladungssammlung verringern. Bei längeren Wellenlängen in der Nähe des GaAs-Absorptionsrandes kann eine unvollständige Absorption in einem Absorber mit einer bestimmten Dicke von 2,8 µm von Bedeutung sein. Quantitative Schlussfolgerungen bezüglich des Spektrums sollten aus der berechneten EQE-Kurve und den verifizierten optischen Datensätzen gezogen werden und nicht einfach anhand der Bandlücke geschätzt werden.
Die externe Quanteneffizienz (EQE) ist nicht dasselbe wie die optische Absorption: Die Absorption misst die Anzahl der absorbierten Photonen, während die EQE die Anzahl der gesammelten Ladungsträger misst. Ein Vergleich beider Werte zeigt elektrische Verlustmechanismen bei der Ladungssammlung auf. Wenn die Absorption bei einer bestimmten Wellenlänge hoch ist, die EQE jedoch niedrig, sollte das räumliche Erzeugungsprofil sowie das Rekombinations- und Transportverhalten der Schicht, in der die Photonen absorbiert werden, untersucht werden.
10. Berechnungen zur Lichtstärke für Suns–Voc und Suns–Jsc.
10.1. Suns–Voc
Suns–Voc untersucht, wie die Leerlaufspannung von der Lichtstärke abhängt. Ein offener Stromkreis ist durch einen Nullwert des gesamten externen Stroms an den Anschlüssen definiert, sodass die durch Licht erzeugten Ladungsträger stattdessen eine Spannung aufbauen, anstatt Leistung an einen Verbraucher abzugeben. Das bereitgestellte Beispiel enthält eine Suns–Voc-Konfiguration, die einen Intensitätsbereich von 0,01 bis 1000 Sonnenlichteinheiten mit multiplikativen Schritten von 1,2 abdeckt. Rufen Sie diesen Simulationsmodus auf und überprüfen Sie die Ausgabeeinstellungen (??) und die Kurve (??).
In einem idealisierten Diodenmodell mit annähernd beleuchtungsunabhängiger Rekombinationsphysik sagt die Beziehung \(V_{OC}\approx(n_{\mathrm{id}}k_BT/q)\ln(J_{\mathrm{ph}}/J_0+1)\) einen ungefähr logarithmischen Anstieg der Leerlaufspannung mit zunehmender Lichtintensität voraus. Hierbei ist \(n_{\mathrm{id}}\) ein effektiver Idealitätsfaktor. In einer Heterostruktur können sich die lokale Ladungsträgerverteilung, die Bandversätze, die Rekombinationskanäle und das Verhalten bei hoher Injektion mit der Intensität ändern, sodass die effektive Steigung nicht über den gesamten Messbereich konstant sein muss.
Suns–Voc ist nützlich, um die implizite Diodencharakteristik bei Nullstrom zu untersuchen. Es berücksichtigt jedoch nicht alle Spannungsverluste, die durch den Stromfluss durch einen Widerstandskontakt oder eine Transportschicht unter Stromerzeugungsbedingungen entstehen. Ein Vergleich des Suns–Voc-Verhaltens mit der beleuchteten J–V-Kurve kann daher dazu beitragen, re kombinationsbedingte Einschränkungen von stromabhängigen Transportverlusten zu trennen, obwohl die Interpretation einer solchen Differenz eine Konsistenz der Beleuchtung, der Rekombinationsmodelle und der Spannungsdefinitionen erfordert.
10.2. Suns – Jsc
Suns–Jsc untersucht den Kurzschlussstrom in Abhängigkeit von der Lichtstärke. Das Beispiel ist so konfiguriert, dass eine Messreihe bei 0,01 Sonnen beginnt und bei 10 Sonnen endet, wobei ein multiplikativer Intensitätsfaktor von 1,05 und die gespeicherte Anfangsänderung sundp = 0.01 verwendet werden. Verwenden Sie den Simulationsauswahlschalter von Suns–Jsc und überprüfen Sie das Ergebnis in ?? und ??.
In dem einfachsten Regime mit konstanter Sammlungseffizienz skaliert der Kurzschlussstrom annähernd linear mit dem einfallenden Photonenfluss, also \(|J_{SC}|\propto P_{\mathrm{sun}}\). Eine systematische Abweichung von der Linearität kann auf eine Intensitätsabhängigkeit der Ladungsträgererzeugung, -rekombination oder des -transports hindeuten. Bei der Interpretation sollte jedoch auch berücksichtigt werden, wie der Code seine optische Beleuchtungsskalierung ändert und wie die numerische Konvergenz jedes Punktes aussieht.
Die beiden Intensitätsmessungen beantworten sich gegenseitig ergänzende Fragen: „Suns–Voc“ betrachtet die Spannung, die ohne externen Strom entsteht, während „Suns–Jsc“ den erzeugten Strom bei ungefähr null angelegter Spannung misst. Beide Messungen sollten zusammen mit der üblichen J–V-Kurve bei Standardlichtstärke (einmalige Sonnenbestrahlung) interpretiert werden, nicht als Ersatz dafür.
11. Optische Modellierung und die räumliche Verteilung der photogenerierten Ladungsträger
Der elektrische Solver benötigt eine räumliche Photogenerierungsrate, diese Rate wird jedoch durch die optische Berechnung bereitgestellt. In dem vorliegenden Beispiel ist die Lichtquelle für das AM1.5G-Sonnenspektrum konfiguriert, das von der oberen Seite (y0) einstrahlt, und das Generationsmodell ist eine Transfermatrix. Das Spektralnetz erstreckt sich über den Bereich von 320–1100 nm mit 201 konfigurierten Wellenlängenpunkten; ein separates optisches räumliches Netz erstreckt sich über das gesamte Gerät mit einer Größe von 3,4 µm und umfasst 200 konfigurierte Punkte. Dies sind optische Diskretisierungen und unterscheiden sich von dem zuvor beschriebenen elektrischen Netz.
Öffnen Sie die optische Schnittstelle und wählen Sie die verfügbaren Ausgabetabs aus (??–??). Die Screenshots veranschaulichen die verschiedenen Ansichten der optischen Darstellung, einschließlich Darstellungen, die für bestimmte ausgewählte Größen möglicherweise nur spärlich oder gar nicht befüllt sind. Eine leere Anzeige sollte nicht automatisch als Nullwert für die optische Absorption interpretiert werden: prüfen Sie zunächst, ob die entsprechende optische Berechnung durchgeführt wurde, ob ein geeigneter Datensatz für die Ausgabe vorhanden ist und ob dessen Wellenlängen- oder räumliche Bereiche von den ausgewählten Achsen abgedeckt werden.
Die Transfermatrix-Methode berechnet, wie sich sich vorwärts und rückwärts ausbreitende optische Wellen mit einer Schicht aus Materialien mit komplexen Brechungsindizes \(\tilde n(\lambda)=n(\lambda)+ik(\lambda)\) wechselwirken. Die Feldlösung kann Reflexion und Interferenz berücksichtigen; die lokale Absorption wird dann mithilfe der Photonenenergie in eine Generationsrate umgerechnet. Für den GaAs-Absorber ist der wellenlängenabhängige Absorptionskoeffizient eine wesentliche Eingangsgröße, da er bestimmt, wo Photonen mit unterschiedlichen Energien innerhalb der 2,8 µm dicken Schicht absorbiert werden.
Achten Sie besonders auf eine korrekte Interpretation der optischen Daten von AlGaAs. Das elektrische Materialmodell verwendet einen explizit angegebenen Legierungsanteil, während die ausgewählte Datenbank für optische Materialien unabhängig referenziert wird. Bevor Sie die Berechnung für eine quantitative spektrale Auslegung verwenden, stellen Sie sicher, dass der Datensatz Inorganic/AlGaAs/Adachi tatsächlich die entsprechende Abhängigkeit der Zusammensetzung bei den relevanten Wellenlängen liefert. Ein elektrischer Legierungsanteil von 0,30 beweist nicht, dass jede optische Konstante korrekt mit der Zusammensetzung variiert.
In ähnlicher Weise idealisiert die simulierte eindimensionale Struktur die optische Geometrie. Sie modelliert nicht eigenständig ein gefertigtes vorderes Metallgitter, die laterale Stromverteilung, die Oberflächenstruktur, detaillierte Antireflexbeschichtungen oder Defekte, die durch einen realen epitaktischen Prozess entstehen, es sei denn, diese Merkmale sind explizit in den optischen und elektrischen Modellen enthalten. Die optische Analyse ist daher besonders nützlich, um Trends zu verstehen und wahrscheinliche spektrale Verluste zu identifizieren, während ein Vergleich mit gemessenen Zellen eine sorgfältig angepasste Struktur und kalibrierte Materialdaten erfordert.
12. Annahmen, Überprüfungen und Einschränkungen
Dieses Beispiel sollte als eine funktionierende, numerische Darstellung einer AlGaAs/GaAs-Heteroverbindung betrachtet werden, nicht als eine validierte Vorhersage des zertifizierten Wirkungsgrads einer bestimmten, hergestellten Solarzelle. Die vierlagige Struktur, die Kontakte und die Netzstruktur stammen aus der mitgelieferten Simulationskonfiguration, und die Screenshots zeigen, dass mehrere Berechnungen und Ausgabesichten vorbereitet wurden. Eine zuverlässige, quantitative Vorhersage erfordert zusätzlich unabhängig verifizierte Materialien, Optiken, Rekombinationskoeffizienten, Kontaktqualität und numerische Konvergenz.
Geometrie und Dimensionalität. Der 3D-Viewer stellt eine visuelle Darstellung dar; die elektrische und optische Tiefenabhängigkeit in diesem Tutorial ist eindimensional. Effekte wie die Schattierung durch das Vordergitter, Randverluste, laterale Spannungsabfälle und ungleichmäßige Kontakte fallen außerhalb dieser grundlegenden 1D-Beschreibung.
Konsistenz der Materialmodelle. Die Bandlücke und die Elektronenaffinität einer Legierung, die von der Zusammensetzung abhängt, sollten aus konsistenten Modellen abgeleitet werden. Die elektrischen Lua-Skripte und die optischen \(n,k\)-Datensätze stellen unterschiedliche Eingabedaten dar. Jegliche Änderungen, die nur auf einer Seite vorgenommen werden, können unbeabsichtigt künstliche Diskontinuitäten erzeugen, insbesondere an der Heterogrenze.
Rekombination und Grenzflächen. Es liegen großflächige SRH-Parameter vor, aber das beweist nicht, dass eine reale AlGaAs/GaAs-Grenzfläche mit einer experimentell validierten Grenzflächenrekombinationsgeschwindigkeit modelliert wurde. Die tatsächliche Qualität der Grenzfläche kann die gemessene Spannung und die Ladungsträgererfassung beeinflussen. Änderungen an den Fallen und den radiativen/Auger-Prozessen sollten einzeln getestet und anhand der Ratenprofile untersucht werden.
Numerische Reproduzierbarkeit. Überprüfen Sie die Konvergenz der Berechnungen für den gesamten J–V- und Intensitätsbereich, führen Sie eine Verfeinerung des Berechnungsrasters in der Nähe der Heterogrenze durch und prüfen Sie, ob die wichtigsten photovoltaischen Kennwerte und internen Profile stabil sind. Das Versagen eines bestimmten Punktes bei hoher Intensität ist kein Beweis für einen physikalischen Effekt des Bauelements. Verwenden Sie eine unveränderte Ausgangsbasis, um physikalische Trends von der Empfindlichkeit des Lösers zu unterscheiden.
Interpretation von Screenshots. Jeder Screenshot stellt einen ausgewählten Zustand aus der gespeicherten Simulationsausgabe dar. Die Abbildungsnummern in diesem Tutorial beziehen sich auf den Index des Screenshots und nicht auf eine garantierte angelegte Spannung. Bevor Sie einer bestimmten Profilkurve einen numerischen Spannungswert zuweisen, lesen Sie die tatsächliche Spannungsangabe in der OghmaNano-Grafik. Vermeiden Sie es, aus einer kleinen Bildvorschau einen numerischen Wert für \(V_{OC}\), \(J_{SC}\), den Füllfaktor oder den Wirkungsgrad abzuleiten, wenn die Ausgabedatei die genauen Werte enthält.