Simulation einer GaAs/AlGaAs-Heteroübergangs-Solarzelle

1. Einleitung: Galliumarsenid-Solarzellen und ihre Anwendungen

Galliumarsenid-Solarzellen (GaAs) werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine hohe Umwandlungseffizienz, ein geringes Gewicht und eine hohe Zuverlässigkeit wichtiger sind als die Kosten. GaAs ist ein Halbleiter mit einer direkten Bandlücke von etwa 1,42 eV, wodurch Sonnenlicht innerhalb weniger Mikrometer Material effizient absorbiert werden kann. Dies macht es besonders attraktiv für leistungsstarke photovoltaische Geräte.

Auf Galliumarsenid (GaAs) basierende Solarzellen werden in großem Umfang in Satelliten und Raumfahrzeugen eingesetzt, wo die verfügbare Oberfläche begrenzt ist und die Strahlungsbeständigkeit eine wichtige Rolle spielt (??). Sie werden auch in konzentrierenden Photovoltaikanlagen verwendet, bei denen Sonnenlicht auf eine kleine Halbleiterzelle fokussiert wird, sowie in speziellen Anwendungen wie Hochflugszeugen und Laser-Energieumwandlern. Moderne Solarzellen für den Einsatz im Weltraum kombinieren häufig GaAs mit anderen III–V-Halbleitern in Mehrfachspeicherstrukturen, um höhere Wirkungsgrade zu erzielen.

In diesem Tutorial simulieren wir eine Heteroübergangs-Solarzelle aus GaAs/AlGaAs. Eine dünne AlGaAs-Schicht mit einer größeren Bandlücke wird über dem GaAs-Übergang angeordnet, um unerwünschte Absorption und Oberflächenrekombinationsverluste zu reduzieren. Mithilfe von OghmaNano untersuchen wir, wie das Bauelement Sonnenlicht absorbiert, photogenerierte Ladungsträger transportiert und elektrische Energie erzeugt, wobei wir optische Transfermatrix-Berechnungen mit Drift-Diffusions-Modellierung kombinieren.

2. Herstellung und Funktionsweise von Solarzellen aus GaAs/AlGaAs

Wir werden eine GaAs/Al0,3Ga0,7As-Heterostruktur-Solarzelle simulieren, die aus einer dünnen, breitbandigen AlGaAs-Schicht besteht, die sich über einer GaAs-p-n-Übergangsschicht befindet. Obwohl dieses Bauelement relativ einfach ist, veranschaulicht es mehrere wichtige Aspekte der III-V-Photovoltaik, darunter die optische Absorption, die Erzeugung von Ladungsträgern, den Drift-Diffusions-Transport, die Rekombination und den Einfluss von Halbleiter-Heterostrukturen auf die Ladungsträgererfassung.

Um zu beginnen, starten Sie OghmaNano und klicken Sie im Menü „Datei“ auf „Neue Simulation“. Dadurch wird die Gerätebibliothek geöffnet (??). Doppelklicken Sie auf „GaAs-Beispiele“, um die verfügbaren GaAs-Simulationen zu öffnen (??). Wählen Sie die GaAs/Al0,3Ga0,7As-Heterostruktur-Solarzelle aus, wählen Sie einen Zielordner und klicken Sie auf „Speichern“.

Nach dem Laden zeigt OghmaNano das Gerät im Register „Gerätestruktur“ (??) an. Die grünen Pfeile zeigen die Beleuchtung von oben an, während die farbigen Bereiche die vier Halbleiterschichten darstellen. Die Struktur und die Materialeigenschaften können mit dem Schichteneditor und dem Editor für elektrische Parameter geändert werden.

Das Gerät besteht aus vier Halbleiterschichten, die von der beleuchteten Oberfläche bis zum hinteren Kontakt angeordnet sind:

Der GaAs-Absorber ist dafür verantwortlich, einfallende Photonen in Elektron-Loch-Paare umzuwandeln. GaAs hat eine direkte Bandlücke von etwa 1,42 eV, was ihm einen hohen Absorptionskoeffizienten verleiht und es ermöglicht, dass Sonnenlicht in einer relativ dünnen Halbleiterschicht absorbiert wird. Der p-dotierte Emitter und der n-dotierte Absorber bilden den primären photovoltaischen Übergang. Die Diffusion von Ladungsträgern über diesen Übergang erzeugt eine Verarmungszone und ein eingebautes elektrisches Feld, das dazu beiträgt, photogenerierte Elektronen und Löcher zu trennen und zu ihren jeweiligen Kontakten zu transportieren. Die Al0,3Ga0,7As-Schicht erzeugt an der beleuchteten Oberfläche einen Halbleiter-Heteroübergang. Durch die Zugabe von Aluminium wird die Bandlücke im Vergleich zu GaAs vergrößert, wodurch die Schicht für Photonen, die im darunter liegenden GaAs absorbiert werden können, transparenter wird. Der Unterschied in der Elektronenaffinität und der Bandlücke erzeugt auch Leitungs- und Valenzbanddiskontinuitäten an der Grenzfläche. Diese können dazu beitragen, den Transport von Minoritätsträgern zur Vorderseite zu unterdrücken und Rekombinationsverluste zu reduzieren, obwohl übermäßig große Bandunterschiede die Extraktion von Ladungsträgern behindern können. Die stark dotierte p+-Schicht und die n+-Rückkontaktschicht tragen ebenfalls dazu bei, niederohmige elektrische Verbindungen herzustellen. An der Rückseite erzeugt der Übergang zwischen der schwach dotierten Absorberschicht und der stark dotierten Kontaktschicht ein zusätzliches elektrisches Feld, das Minoritätslöcher von dem Rückkontakt abstoßen kann. Die Kombination aus Schichtdicke, Dotierung und Bandanordnung bestimmt daher, wie effizient absorbierte Photonen in elektrischen Strom umgewandelt werden.

Die Struktur des Bauelements kann untersucht und geändert werden, indem man auf die Schaltfläche „Layereditor“ auf der linken Seite des Tabs „Bauelementstruktur“ im Hauptfenster klickt. Die Schaltfläche wird durch drei farbige horizontale Balken dargestellt, die ein geschichtetes Bauelement symbolisieren. Dadurch wird der Layereditor (??) geöffnet, in dem die Dicke, das optische Material und die Art jeder Schicht geändert werden können. Die Schichtdicke ist besonders wichtig bei Solarzellen, da sie bestimmt, wie viel Licht absorbiert wird und wie weit die durch Licht erzeugten Ladungsträger wandern müssen, bevor sie die Kontakte erreichen.

Die elektrische Band (??) ermöglicht den Zugriff auf die Editoren für Dotierung/Ionen und Gradienten/Spannung. Der Dotierungseditor (??) steuert die Konzentrationen von Donoren und Akzeptoren im gesamten Bauelement. Diese bestimmen die Position und Breite der Verarmungszone, das eingebaute elektrische Feld und die elektrische Leitfähigkeit jeder Schicht. Folglich kann eine Änderung der Dotierung die Ladungsträgererfassung, die Rekombination und die daraus resultierenden J–V-Kennlinien erheblich beeinflussen.

Der Gradienten-/Dehnungseditor (??) steuert die Variablen für die Materialzusammensetzung \(x\), \(y\) und \(z\). Diese können unabhängig voneinander am Anfang und Ende jeder Schicht festgelegt werden, wodurch sowohl uniforme als auch schichtweise abgestufte Halbleiterstrukturen simuliert werden können. Bei Legierungen wie AlxGa1-xAs beeinflusst der Aluminiumanteil die Bandlücke und die Bandanordnung mit GaAs. Eine Änderung der Legierungszusammensetzung bietet daher eine Möglichkeit, zu untersuchen, wie sich die Bandversätze an Heterostrukturübergängen auf den Ladungsträgertransport und die Rekombination auswirken. Die Interpretation jeder Variablen für die Zusammensetzung wird durch das ausgewählte Halbleitermodell definiert.

3. Die Simulation durchführen und die Ergebnisse analysieren.

Um die Simulation der GaAs/AlGaAs-Solarzelle auszuführen, klicken Sie auf das blaue Simulation starten Schaltfläche in Datei Band oder Druck F9Öffnen Sie Terminal Tab um die Berechnung zu verfolgen (??). Anfangs mag die Ausgabe im Terminal kompliziert erscheinen, da viele Zeilen mit numerischen Informationen auf dem Bildschirm angezeigt werden. Sobald man jedoch versteht, was die einzelnen Teile bedeuten, ist die Ausgabe relativ einfach zu interpretieren.

Die erste Phase der Simulation ist die optische Berechnung, die durch den farbigen Text oben in ?? dargestellt wird. OghmaNano berechnet die optische Absorption und die Photogenerierung bei verschiedenen Wellenlängen über das gesamte Spektrum des einfallenden Sonnenlichts. Sobald diese Berechnung abgeschlossen ist, beginnt das Programm mit der Messung der Strom-Spannungs-Kennlinie (J–V), wobei eine Reihe von Spannungen an die Solarzelle angelegt und die resultierende Stromdichte berechnet wird.

Jede Zeile der J–V-Berechnung entspricht einer angelegten Spannung. Der Wert, der mit top= gekennzeichnet ist, gibt die an den oberen Kontakt angelegte Spannung an, während btm= die Spannung am unteren Kontakt angibt, die auf 0 V gehalten wird. Die berechnete Stromdichte wird in A/m² neben der angelegten Spannung angezeigt. Die Größe f()= ist der numerische Restwert des elektrischen Solvers und gibt an, wie genau die berechnete Lösung die Halbleitergleichungen erfüllt. Kleinere Restwerte deuten auf eine bessere numerische Konvergenz hin.

Mit zunehmender angelegter Spannung nimmt der Photostrom allmählich in seiner Stärke ab. In ?? nähert sich die Spannungsänderung der Leerlaufspannung (VOC). Zwischen etwa 0,92 V und 0,94 V ändert sich die Stromdichte von negativ zu positiv, was darauf hindeutet, dass der Netto strom durch Null gegangen ist. Dies ist der Leerlaufzustand, in dem der Vorwärtsstrom der Diode genau dem durch Licht erzeugten Strom entspricht. Die Simulation wird über VOC hinaus fortgesetzt, um den Bereich der Vorwärtsvorspannung der J–V-Kurve zu charakterisieren, bevor sie gestoppt wird, wenn die angegebene maximale Spannung von 1,25 V überschritten wird.

Bei jeder angelegten Spannung löst OghmaNano die Poisson-Gleichung zusammen mit den Drift-Diffusions- und den Gleichungen für die Ladungsträgerkontinuität. Diese beschreiben, wie sich das elektrostatische Potenzial, die Elektronen- und Lochkonzentrationen sowie die Ladungsträgerströme im gesamten Bauelement verändern:

\[ \nabla\cdot(\varepsilon\nabla\varphi) = -q\,(p-n+N_D^+-N_A^-) \] \[ \nabla\cdot\mathbf{J}_n = q(R-G), \qquad \nabla\cdot\mathbf{J}_p = -q(R-G) \]

Hierbei ist \(G\) die Photogenerierungsrate, die anhand des optischen Modells berechnet wird, während \(R\) die Trägerrekombination darstellt, die radiative Rekombination, Shockley-Read-Hall-Rekombination und Auger-Rekombination umfassen kann. Das Gleichgewicht zwischen Generierung, Rekombination und Trägerentnahme bestimmt die elektrische Leistung der Solarzelle. Für weitere Informationen siehe die Theorie der Drift-Diffusions-Modellierung.

Sobald die Berechnung abgeschlossen ist, wählen Sie die Registerkarte „Ausgabe“ (??) aus. OghmaNano schreibt seine Ergebnisse in das Simulationsverzeichnis, einschließlich jv.csv, das die J–V-Kurve enthält, und sim_info.dat, das die wichtigsten Kennwerte der photovoltaischen Leistung enthält. Die Verzeichnisse optical_output und snapshots enthalten weitere Informationen über das optische und elektrische Verhalten. Weitere Details finden Sie in der Dokumentation zu den Ausgabedateien.

Doppelklicken Sie auf jv.csv, um die beleuchtete J–V-Kurve (??) anzuzeigen. Der Strom bleibt bei umgekehrter Vorspannung und geringer Vorwärtsvorspannung ungefähr konstant, bevor er schnell ansteigt, wenn sich die angelegte Spannung der Leerlaufspannung nähert. Doppelklicken Sie auf sim_info.dat, um die ermittelten Leistungskennwerte des Bauelements zu untersuchen (??).

Die wichtigsten Ergebnisse der Simulation der GaAs/AlGaAs-Solarzelle sind im Folgenden zusammengefasst.

Die Kurzschlussstromdichte, JSC, misst den Photostrom, wenn die angelegte Spannung null ist. Das negative Vorzeichen spiegelt die Konvention wider, dass der photovoltaische Strom in die entgegengesetzte Richtung des Durchlassstroms der Diode fließt. Der Wert, der ungefähr 26,9 mA cm⁻² beträgt, zeigt, dass ein erheblicher Teil des einfallenden Sonnenlichts in gesammelte Ladungsträger umgewandelt wird.

Die Leerlaufspannung, VOC, ist die Spannung, bei der der Netto-Strom Null wird. Unter diesen Bedingungen wird die durch Licht erzeugte Ladung durch Rekombination ausgeglichen, und das Bauelement kann keinen Strom mehr an einen externen Stromkreis liefern. Die berechnete VOC von 0,922 V ist niedriger als die in das Bauelement eingebaute Spannung von 1,387 V, was den Einfluss der Rekombination und die begrenzte Anzahl an Ladungsträgern widerspiegelt, die unter Lichteinwirkung aufrechterhalten werden. Weitere Informationen finden Sie unter Berechnung des eingebauten Potentials.

Der Füllfaktor beschreibt, wie nah die J–V-Kurve einer idealen rechteckigen Form kommt, während der Wirkungsgrad der Energieumwandlung den Anteil der einfallenden optischen Leistung angibt, der in elektrische Leistung umgewandelt wird:

\[ \mathrm{FF}=\frac{|J_{mp}|V_{mp}}{|J_{SC}|V_{OC}}, \qquad \mathrm{PCE}=\frac{|J_{mp}|V_{mp}}{P_{in}} \]

Bei einer auftreffenden Leistungsdichte von 1000 W m⁻² unter AM1.5G-Beleuchtung entspricht die berechnete maximale Leistungsdichte von 200,48 W m⁻² einer Energieumwandlungseffizienz von 20,05 %. Der Füllfaktor von etwa 80,8 % zeigt, dass das simulierte Bauelement über einen großen Teil seines Betriebsspannungsbereichs einen erheblichen Photostrom aufrechterhält. Der maximale Leistungspunkt liegt bei etwa 0,80 V. Seine genaue Position hängt von der im J–V-Editor ausgewählten Spannungsauflösung ab.

Die simulierte Effizienz von etwa 20 % zeigt, wie hoch die mit GaAs-basierten Solarzellen erreichbare photovoltaische Leistung ist. Die direkte Bandlücke von GaAs ermöglicht eine starke optische Absorption, während die AlGaAs-Schicht dazu beiträgt, optische Verluste und Rekombinationsverluste an der Vorderseite zu reduzieren. Weitere Verbesserungen können durch die Optimierung der Schichtdicken, Dotierkonzentrationen und des optischen Designs erzielt werden. Beispielsweise kann das Aufbringen einer Antireflexionsschicht den Anteil des einfallenden Sonnenlichts, der von der Zelle absorbiert wird, erhöhen; siehe das Tutorial zur Antireflexionsschicht.

5. Untersuchen Sie die optische Simulation.

Klicken Sie auf die Registerkarte „Optisch“ oben im Hauptfenster, um das optische Menü zu öffnen (??). Beachten Sie, dass die Lichtintensität auf 1,0 eingestellt ist. Klicken Sie auf „Transfermatrix“, um den Editor für die optische Simulation zu öffnen.

Die Symbolleiste des Editors ermöglicht es Ihnen, die Berechnungsmethode für das optische Generationsprofil auszuwählen: Transfermatrix, Finite-Differenzen-TMM oder einfachere Profile (exponentielles Profil, flaches Profil, aus Datei, aus Quantenausbeute-Spektren, konstanter Wert). In diesem Beispiel ist das hervorgehobene Modell die Finite-Differenzen-TMM. Transfermatrix-Methoden behandeln die Komponente als eine Schicht aus dünnen Filmen und berechnen die sich in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung ausbreitenden optischen Felder in jeder Schicht, wobei die Reflexion und Interferenz an jeder Grenzfläche sowie die Absorption innerhalb jeder Schicht berücksichtigt werden. Klicken Sie auf „Optische Simulation ausführen“, um die optischen Felder neu zu berechnen, ohne das elektrische Modell erneut auszuführen. Weitere Informationen finden Sie unter Was ist die Transfermatrix-Methode und Die Transfermatrix-Methode in OghmaNano. Die Registerkarte „Photonenverteilung“ (??) zeigt die Photonenkonzentration als Funktion der Wellenlänge und der Tiefe, und die Registerkarte „Absorbierte Photonenverteilung“ (??) zeigt, wo diese Photonen absorbiert werden. Die Registerkarten „Generierungsrate“, „Reflektiertes Licht“ und „Transmittiertes Licht“ zeigen das integrierte Generationsprofil sowie die Reflexions- und Transmissionsspektren.

An diesen Karten lassen sich mehrere Merkmale deutlich erkennen:

• Kurze Wellenlängen werden in der Nähe der Oberfläche absorbiert. GaAs absorbiert blaues Licht sehr stark, daher werden diese Photonen innerhalb der ersten wenigen hundert Nanometer, im Emitter und in der Nähe des Übergangs, absorbiert.
• Längere Wellenlängen dringen tiefer ein und werden im gesamten n-GaAs-Absorber absorbiert. Aus diesem Grund muss der Absorber eine Dicke im Mikrometerbereich aufweisen.
• Bei Wellenlängen von etwa 870 nm und darüber durchdringen Photonen das gesamte Bauelement, ohne absorbiert zu werden. Diese Photonen haben Energien, die unterhalb der Bandlücke von GaAs liegen, und können daher keine Ladungsträger erzeugen.
• Die dunklen, horizontalen Linien bei bestimmten Wellenlängen (zum Beispiel in der Nähe von 760 nm) entsprechen den Absenkungen im einfallenden AM1.5G-Spektrum, die durch atmosphärische Absorption verursacht werden, und nicht den Eigenschaften des Geräts.

Jedes in dem GaAs-Material absorbierte Photon erzeugt ein Elektron-Loch-Paar; diese absorbierte Photonenanzahl wird zur Erzeugungsrate \(G\) in den Drift-Diffusions-Gleichungen. Das AlGaAs-Fenster hat eine größere Bandlücke als GaAs, sodass Photonen mit Energien zwischen den beiden Bandlücken es durchdringen und im darunter liegenden GaAs absorbiert werden, wo die entstehenden Ladungsträger gesammelt werden können. Photonen, die im Fenster selbst oder in GaAs in unmittelbarer Nähe einer nicht passivierten Oberfläche absorbiert werden, gehen mit viel größerer Wahrscheinlichkeit durch Rekombination verloren.

6. Elektrische Materialparameter

Kehren Sie zum Hauptfenster zurück, wählen Sie die Registerkarte „Gerätestruktur“ aus und klicken Sie in der linken Symbolleiste auf „Elektrische Parameter“. Dadurch wird der Editor für elektrische Parameter (Electrical parameter editor (??)) geöffnet, der eine Registerkarte für jede Halbleiterschicht enthält. Der Screenshot zeigt das ausgewählte Fenster „Al0.3Ga0.7As“, wobei das allgemeine Lua-Materialmodell „AlxGa1-xAs“ im Code-Editor angezeigt wird. Der Aluminiumanteil \(x\) wird über den Editor für Gradienten/Spannungen (??) gesteuert. Die Symbolleiste steuert auch die elektrischen physikalischen Eigenschaften: Drift-Diffusions- und Gleichgewichtsfalle Shockley–Read–Hall (SRH) sind aktiviert, während dynamische Fallen, Auger-Rekombination und Exzitonen-Transport deaktiviert sind. Die letzteren Modelle sind besonders nützlich für bestimmte ungeordnete Halbleiterbauelemente, sind hier aber nicht erforderlich.

OghmaNano ermöglicht die direkte Angabe von Materialeigenschaften oder deren Berechnung mithilfe der Materialdatenbank. Für gut charakterisierte anorganische Halbleiter wie GaAs, AlGaAs und InGaAs stellt die Datenbank Modelle für Eigenschaften wie Bandlücke, Elektronenaffinität, Ladungsträgermobilität und Rekombination bereit, einschließlich ihrer Abhängigkeit von der Zusammensetzung und der Temperatur. Diese Modelle werden als Lua-Skripte implementiert, wobei die verfügbaren Materialien in der Lua-Materialmodellbibliothek aufgeführt sind. Wenn die Schaltfläche „Skript“ gedrückt wird, verwendet der Simulator das ausgewählte Lua-Materialmodell. Wenn sie nicht gedrückt wird, verwendet der Simulator stattdessen die Werte, die direkt in der Registerkarte „Parameter“ eingegeben wurden. Dieser einfachere Ansatz ist besonders nützlich für ungeordnete oder weniger gut charakterisierte Halbleiter, bei denen Materialparameter oft unabhängig voneinander variiert werden.

Die beiden Ansätze können auch kombiniert werden, wie im Reiter „Parameter“ (??) dargestellt. Hier werden Eigenschaften wie Trägermobilität, effektive Zustandsdichten, Bandlücke und Elektronenaffinität direkt eingegeben, während andere, einschließlich der SRH-Fallenparameter, vom Lua-Modell bereitgestellt und mit dem Hinweis „Wert im Skript“ versehen werden. Um dieses Verhalten zu steuern, klicken Sie auf den Pfeil neben „Skript“ und wählen Sie „Materialdatenbank überschreiben“ (??). Ausgewählte Parameter verwenden die Werte in den Textfeldern, während nicht ausgewählte Parameter die Materialdatenbank verwenden. Dies ist nützlich, um Heteroübergangs-Bandversätze zu untersuchen oder einzelne Parameter zu variieren, ohne das zugrunde liegende Materialmodell zu ändern. Im selben Menü befindet sich auch die Option „Materialskript importieren“, mit der ein anderes Lua-Modell aus der Datenbank ausgewählt werden kann.

In diesem Beispiel werden die Elektronen- und Lochmobilität in y-Richtung, die Bandlücke, die Elektronenaffinität, die effektiven Zustandsdichten und die relative Permittivität überschrieben, während die Rekombinationsparameter weiterhin aus dem Lua-Modell übernommen werden. Dies ist nützlich, wenn die Bandanordnung einer Heteroverbindung untersucht wird, da durch die Änderung der Bandlücke oder der Elektronenaffinität die Verschiebung der Leitungs- und Valenzbänder variiert werden kann, ohne die gemeinsame Materialdatenbank zu ändern. Überschreibungen können auch für Parameterscans und Vergleiche mit experimentellen Daten verwendet werden.

Das Menü „Skript“ bietet außerdem die Option „Materialskript importieren“, mit der ein anderes Materialmodell aus der Datenbank ausgewählt werden kann. Weitere Informationen finden Sie unter Elektrische Parameter mit Lua definieren, Materialmodellbibliothek und Dokumentation zur Materialdatenbank. Benutzerspezifische Materialdefinitionen werden in oghma_local gespeichert.

7. Energiebänder und Quasi-Fermi-Niveaus

Eines der nützlichsten Werkzeuge, um ein Halbleiterbauelement zu verstehen, ist die Momentaufnahmefunktion. Diese ermöglicht es, Größen wie die Energiebänder, die Trägerdichte und die elektrischen Felder in verschiedenen Schritten während einer Simulation darzustellen. Beispielsweise zeigt die Momentaufnahmefunktion während eines J–V-Messlaufs, wie sich diese Größen mit der angelegten Spannung verändern, während sie in einer transienten Simulation ihre Entwicklung im Laufe der Zeit anzeigt. Um die Momentaufnahmefunktion zu öffnen, gehen Sie zum Reiter „Ausgabe“ und doppelklicken Sie auf den Ordner snapshots. Mit dem Schieberegler am unteren Rand des Fensters können Sie zwischen den Simulationsschritten wechseln. Weitere Informationen finden Sie in der Dokumentation zur Momentaufnahmefunktion unter snapshot viewer documentation.

Ein interessanter Ausgangspunkt ist der Vergleich des Bauelements im Dunkeln und bei Beleuchtung. Um das Bauelement im Dunkeln zu simulieren, wählen Sie das optische Band aus und setzen die Lichtintensität (in Sonnen) auf Null (??), und führen Sie dann die Simulation erneut aus. Das resultierende Energiediagramm bei etwa 0 V ist in ?? dargestellt. Beachten Sie, dass die Fermi-Niveaus für Elektronen und Löcher übereinstimmen und über das gesamte Bauelement vollkommen flach sind. Dies ist charakteristisch für ein thermisches Gleichgewicht: Obwohl sich die Halbleiterbänder erheblich verformen, fließt kein Netto-Strom durch das Bauelement.

Stellen Sie nun die Beleuchtungsstärke wieder auf 1 Sonnenlichteinheit ein und führen Sie die Simulation erneut aus. Das entsprechende Banddiagramm bei etwa 0 V ist in ?? dargestellt. Die Leitungs- und Valenzbänder bleiben ähnlich wie im Dunkeln, aber die quasi-Fermi-Niveaus für Elektronen und Löcher fallen nicht mehr zusammen. Stattdessen trennen sie sich, da durch die einfallende Strahlung erzeugte Elektronen und Löcher eine nicht-gleichgewichtige Ladungsträgerverteilung innerhalb des Bauelements erzeugen.

Bei genauerer Betrachtung der Banddiagramme zeigt sich, dass das auffälligste Merkmal die starke Bandbiegung zwischen etwa 0,25 µm und 0,55 µm ist. Dies entspricht der Verarmungszone des GaAs-p-n-Übergangs. Da der n-Dotierte Absorber weniger stark dotiert ist als der p-dotierte Emitter, erstreckt sich die Verarmungszone hauptsächlich in den Absorber hinein. Das resultierende interne elektrische Feld unterstützt die Trennung der durch Licht erzeugten Elektronen-Loch-Paare und treibt die Elektronen zum n-dotierten Kontakt und die Löcher zum p-dotierten Kontakt.

Eine weitere interessante Eigenschaft zeigt sich an der beleuchteten Oberfläche, wo die AlGaAs-Schicht auf die GaAs-Emitter-Schicht trifft. Die Diskontinuität im Leitungsband entsteht durch die unterschiedlichen Elektronenaffinitäten und Bandlücken der beiden Materialien. Dieser Heteroübergang erzeugt eine Energiebarriere, die dazu beiträgt, dass sich Minderheitselektronen im p-dotierten Emitter nicht bis zur Vorderseite ausbreiten, wo sie rekombinieren könnten. Eine geringere Veränderung ist auch in der Nähe der Rückseite des Bauelements sichtbar, was dem Übergang in die stark dotierte n+-Kontaktschicht entspricht.

Die Differenz zwischen den Quasi-Fermi-Niveaus von Elektronen und Löchern gibt Aufschluss darüber, wie weit das Halbleitermaterial vom Gleichgewichtszustand entfernt ist. Für nicht-entartete Ladungsträgerstatistik stehen die lokalen Elektronen- und Löcherkonzentrationen in folgender Beziehung zu dieser Differenz:

\[ np = n_i^2 \exp\left(\frac{E_{F,n}-E_{F,p}}{k_B T}\right) \]

Unter Lichteinwirkung erhöht die Photogenerierung die Anzahl der Ladungsträger und erzeugt eine Aufspaltung zwischen \(E_{F,n}\) und \(E_{F,p}\). Diese Aufspaltung kann auch bei Kurzschluss im Inneren des Bauelements bestehen, wenn die von außen angelegte Spannung null ist. Bei Leerlauf wird die Abschlussspannung durch die an den Kontakten etablierte quasi-Fermi-Level-Differenz bestimmt, wobei \(qV_{OC}\) dieser Differenz für ideale selektive Kontakte entspricht. Die Rekombination begrenzt, wie groß diese Aufspaltung werden kann, und spielt daher eine zentrale Rolle bei der Bestimmung der Leerlaufspannung. Indem Sie den Spannungsbereich mithilfe des Schiebereglers durchlaufen, können Sie beobachten, wie sich die Energiebänder und quasi-Fermi-Level entwickeln, während sich die Solarzelle dem Wert VOC nähert.

9. Weitere Untersuchungen

10. Zusammenfassung und was Sie gelernt haben

In diesem Tutorial haben wir eine GaAs/Al0,3Ga0,7As-Heterostruktur-Solarzelle simuliert, die aus einer AlGaAs-Schicht mit großer Bandlücke, einem p-dotierten GaAs-Emitter, einem n-dotierten GaAs-Absorber und einem stark dotierten Rückkontakt besteht. Unter Standard-Testbedingungen (entsprechend einer Sonneneinstrahlung von 1000 W/m²) liefert die Simulation einen Kurzschlussstrom von 26,91 mA/cm², eine Leerlaufspannung von 0,922 V, einen Füllfaktor von 80,8 % und einen Wirkungsgrad von 20,05 %. Diese Ergebnisse zeigen, wie die optischen und elektrischen Eigenschaften einer Halbleiter-Heterostruktur zusammenwirken, um die photovoltaische Leistung zu bestimmen.

Durch die Analyse der optischen Anregungsprofile und der Energiediagramme konnten wir beobachten, wie Sonnenlicht in den GaAs-Schichten absorbiert wird, wie das vorhandene elektrische Feld die durch Licht erzeugten Ladungsträger trennt und wie die AlGaAs/GaAs-Heteroverbindung Bandversätze erzeugt, die den Ladungsträgertransport und die Rekombination beeinflussen. Der Vergleich des Bauelements im Dunkeln und unter Lichteinwirkung zeigte zudem die Bedeutung der Aufspaltung des quasi-Fermi-Niveaus und dessen Zusammenhang mit der Leerlaufspannung.

Abschließend untersuchten wir, wie OghmaNano optische Transfermatrixberechnungen mit Drift-Diffusions-Modellierung kombiniert, und wie seine Lua-Materialdatenbank und das System zur Parameterüberschreibung die Steuerung von Halbleitereigenschaften ermöglichen. Zusammen bieten diese Werkzeuge einen Rahmen für die Untersuchung, wie sich Schichtdicke, Dotierung, Legierungszusammensetzung und Materialeigenschaften auf die Leistung von Bauelementen auswirken. Der gleiche Ansatz kann auf andere III–V-Photovoltaikbauelemente und Halbleiter-Heterostrukturen ausgeweitet werden.