Simulación de una célula solar de heterounión AlGaAs/GaAs: estructura del dispositivo, alineación de bandas, curva J–V, eficiencia cuántica externa y relación entre la intensidad de la luz solar y el voltaje de circuito abierto.

1. Introducción: ¿por qué utilizar una heterounión AlGaAs/GaAs?

El arseniuro de galio (GaAs) es un semiconductor III-V con una banda de energía directa que se utiliza ampliamente en dispositivos fotovoltaicos de alto rendimiento. Su relativamente alta capacidad de absorción por encima del borde de la banda permite que una capa delgada absorbente capte una fracción considerable de la luz solar incidente en longitudes de onda adecuadas. Sin embargo, una unión homojunción convencional de GaAs puede sufrir una absorción óptica no deseada y una recombinación de portadores minoritarios cerca de la superficie iluminada. La colocación de un semiconductor con una banda de energía más amplia en el lado iluminado puede reducir estas pérdidas cuando se eligen adecuadamente sus propiedades ópticas y electrónicas.

Este tutorial presenta un modelo de una heterounión de tipo p de Al0,3Ga0,7As y de tipo n de GaAs. Las dos capas superiores de AlGaAs forman una ventana/emisor de tipo p con una banda prohibida más amplia, mientras que la capa inferior de GaAs de tipo n proporciona la principal región de absorción óptica. La diferencia en la banda prohibida y la afinidad electrónica en su interfaz introduce discontinuidades en las bandas de conducción y valencia, además de la flexión electrostática producida por los dopantes ionizados. Por lo tanto, la heterounión resultante debe analizarse utilizando tanto los desplazamientos de banda del material como los niveles cuasi-Fermi de los portadores; tratarla como una unión PN de GaAs únicamente dejaría fuera aspectos físicos importantes.

Utilizaremos el solucionador unidimensional de deriva-difusión de OghmaNano, que estará acoplado a un cálculo de generación óptica. El modelo proporcionado incluye una curva característica de corriente-voltaje (J–V) obtenida con iluminación, opciones para cálculos que dependen de la eficiencia cuántica externa y la intensidad, y perfiles internos guardados. El flujo de trabajo se basa deliberadamente en un ejemplo ya configurado, por lo que el objetivo es comprender, ejecutar e inspeccionar el dispositivo en lugar de volver a introducir todos los parámetros desde cero.

En un dispositivo fotovoltaico, los fotones absorbidos generan pares electrón-hueco; los contactos selectivos extraen las cargas y la consiguiente división interna del nivel cuasi-Fermi produce un voltaje en circuito abierto. Un modelo útil debe relacionar la absorción óptica y la generación de carga con la electrostática de la unión, la extracción de cargas y la recombinación. Las secciones siguientes examinan directamente cada uno de estos vínculos.

2. Creación de la simulación a partir de los ejemplos de GaAs.

Abra OghmaNano y seleccione «Nueva simulación». En el navegador de simulaciones, abra las demostraciones de GaAs y, a continuación, seleccione la celda solar de heterounión AlGaAs/GaAs. El cuadro de diálogo de selección y la categoría de la demostración se muestran en ?? y ??. El ejemplo se abre en la ventana principal de la estructura del dispositivo (??).

La ventana principal contiene una representación gráfica tridimensional del dispositivo. La simulación física descrita aquí utiliza la variación espacial a lo largo del eje y, perpendicular a las capas. Por lo tanto, la lámina renderizada es una forma de visualizar la pila y los contactos, y no una prueba de una solución eléctrica tridimensional completa. Seleccione la pestaña «Estructura del dispositivo» para inspeccionar o ajustar las capas; las pestañas «Salida» y «Terminal» se utilizarán después de ejecutar la simulación.

Es útil guardar una copia independiente del ejemplo antes de realizar pruebas. Mantenga la versión original intacta para poder comparar los cambios realizados en el dopaje, la proporción de la aleación o los parámetros de la interfaz con una referencia de trabajo.

3. Inspección de la estructura epitaxial, el dopaje y la composición de la aleación.

Abra el editor de capas para examinar las cuatro regiones epitaxiales (??). A continuación, se resumen la geometría inicial y el dopaje exactos de este ejemplo. Todas las concentraciones se expresan como densidades volumétricas en m−3, tal como se almacenan en OghmaNano; para convertirlas a cm−3, divida por 106.

La heterointerfaz se encuentra en y = 0,40 µm, donde el emisor de tipo p de AlGaAs se une al absorbedor de tipo n de GaAs. Esto implica, simultáneamente, un cambio en la polaridad del dopaje mayoritario y un cambio en la composición del semiconductor. En cambio, la interfaz de 0,10 µm dentro del AlGaAs y la interfaz de 3,20 µm dentro del GaAs son principalmente cambios en la concentración de dopaje; estas fronteras no introducen un nuevo sistema de materiales.

Dopaje abierto / Iones procedentes de los controles eléctricos (??). El gráfico debe mostrar la alta densidad de aceptores cerca del contacto iluminado, la menor densidad de aceptores en el resto del emisor de AlGaAs, el absorbente de GaAs dopado con donantes y el contacto posterior de GaAs con un dopaje más elevado. El cambio de signo en el dopaje neto permite identificar la unión PN. El dopaje en sí mismo no es un parámetro de absorción óptica; interviene en la ecuación de Poisson a través de la carga espacial ionizada y afecta a la conductividad, la recombinación y la recolección de portadores.

A continuación, examine la composición de la aleación (??). Ambas capas de AlGaAs tienen g_x0 = g_x1 = 0.30: una fracción de aluminio constante a lo largo de todo su espesor. Ambas capas de GaAs tienen g_x0 = g_x1 = 0 en este ejemplo en particular. No hay una variación gradual en la composición en la estructura proporcionada. Una región de AlGaAs con una variación lineal requeriría puntos finales de composición desiguales y un modelo de material Lua capaz de evaluar la composición local en cada posición de la malla.

El efecto de la ventana de gran banda prohibida depende de la longitud de onda. Los fotones con energías inferiores al umbral de absorción del AlGaAs pueden atravesar más fácilmente la capa superior de semiconductor, mientras que los fotones con energías superiores a dicho umbral también pueden ser absorbidos en el emisor. La magnitud de esta ventaja depende de las constantes ópticas reales, el grosor de la capa y las propiedades de recolección internas; la fracción de Al por sí sola no establece una reducción cuantitativa de las pérdidas en la superficie frontal.

4. Modelos de materiales eléctricos y diferencias de banda en la heterounión.

Abra el editor de parámetros eléctricos e inspeccione los scripts de materiales de Lua asociados a las regiones (?? y ??). Este ejemplo evalúa los parámetros del material utilizando los scripts registrados, en lugar de establecer cada parámetro de banda de forma independiente con un valor fijo.

Las rutas de AlGaAs y GaAs Lua son distintas: Inorganic/AlGaAs/AlGaAs.lua y Inorganic/GaAs/GaAs.lua. El valor de la composición de la capa superior, 0,30, está disponible para el modelo de AlGaAs, lo que permite calcular las propiedades eléctricas que dependen de la composición. Los conjuntos de datos ópticos se configuran por separado: Inorganic/AlGaAs/Adachi para las dos capas de AlGaAs y Inorganic/GaAs/Adachi para las capas de GaAs. No se deben confundir los parámetros de la banda eléctrica y los conjuntos de datos de índice de refracción/absorción óptica.

En la heterointerfaz, el borde local de la banda de conducción está relacionado con la afinidad electrónica mediante una convención de la forma \(E_C=-\chi-q\phi\), y el borde de la banda de valencia mediante \(E_V=E_C-E_g\), siempre y cuando se utilice la misma energía de referencia en ambos lados. Las discontinuidades resultantes se expresan convencionalmente como \(\Delta E_C\) y \(\Delta E_V\). Dependen tanto de la diferencia de energía entre las bandas, que varía según la composición, como del modelo de afinidad electrónica. Por lo tanto, la mayor diferencia de energía entre las bandas del AlGaAs no determina, por sí sola, cómo se distribuye el desplazamiento total entre las bandas de conducción y valencia.

Desde el punto de vista físico, un pico en la banda de conducción puede dificultar la extracción de electrones cuando es lo suficientemente grande, mientras que una discontinuidad adecuada en la banda de valencia puede dificultar el movimiento no deseado de huecos en la dirección opuesta. Estos efectos compiten con la deriva, la difusión, el dopaje, la activación térmica y la recombinación. Por este motivo, la estructura de bandas simulada proporciona más información que la simple indicación de una diferencia en la banda prohibida.

4.1. Parámetros de transporte y recombinación.

OghmaNano resuelve las ecuaciones de Poisson y de continuidad de electrones y huecos, que están acopladas. En la aproximación de deriva-difusión, las densidades de corriente de electrones y huecos dependen de la movilidad de los portadores, los gradientes de densidad de los portadores y el campo electrostático. Utilizando la convención de signos habitual, estas pueden expresarse de la siguiente manera:

El campo eléctrico y las poblaciones de portadores se calculan de forma autoconsistente. Bajo iluminación, las ecuaciones de continuidad deben tener en cuenta, además, la fotogeneración \(G\) y la recombinación \(R\). Por ejemplo, utilizando la convención de corriente unidimensional habitual, \(dJ_n/dy=q(R-G)\) y \(dJ_p/dy=q(G-R)\) en estado estacionario. En consecuencia, su suma debe permanecer espacialmente constante en una solución ideal de estado estacionario, sin un término adicional de almacenamiento de carga distribuida.

El formato JSON permite definir el estado estacionario de la recombinación SRH (ss_srh_enabled = "True") y proporciona una energía de trampa nominal en el punto medio de la banda prohibida, la densidad de trampas \(N_t=5\times10^{19}\,\mathrm{m}^{-3}\) y las secciones transversales de captura \(\sigma_n=\sigma_p=10^{-22}\,\mathrm{m}^2\) en cada capa. Estos campos describen el modelo de defectos configurado; se debe verificar si un campo se toma directamente del JSON o se recalcula mediante el script de material elegido, comparándolo con los valores efectivos que informa OghmaNano. La tasa de un proceso SRH estándar de un solo nivel es:

En un semiconductor de banda prohibida directa, la recombinación radiativa de electrones libres a huecos libres también puede ser importante, y se representa convencionalmente con \(R_{\mathrm{rad}}=B(np-n_i^2)\). El programa también puede proporcionar coeficientes de Auger y otros canales a través de los modelos de materiales. No deduzca qué mecanismo predomina simplemente por la presencia de sus ajustes: utilice los archivos de recombinación generados, los interruptores realmente activados y los valores del modelo de materiales en el ejemplo en ejecución. Para este dispositivo, la interpretación adecuada se obtiene comparando las tasas en el mismo punto de voltaje y utilizando escalas verticales consistentes.

La vista del editor eléctrico se puede utilizar para examinar la movilidad y otras propiedades locales (??). Al experimentar con diferentes composiciones, deje desactivadas las opciones para modificar la base de datos del intervalo de banda y la afinidad electrónica, a menos que exista una razón específica para modificar los valores de Lua: las modificaciones manuales \(E_g\) o \(\chi\) pueden eliminar accidentalmente la dependencia de la composición prevista.

5. Contactos eléctricos y la malla de simulación.

El modelo tiene dos terminales eléctricos externos. El ánodo superior p, situado en y0, es el contacto activo; el cátodo inferior n, situado en y1, es el terminal de conexión a tierra. Ambos utilizan una barrera de conducción con portadores de carga mayoritarios y una barrera de bloqueo con portadores de carga minoritarios. Esta es una opción importante en el modelado: la estructura no se representa mediante contactos simétricos genéricos que extraen electrones y huecos de forma indiscriminada. Abra el editor de contactos para ver las filas de contactos (??).

En el ánodo, la mayoría de las cargas son huecos y la minoría son electrones. En el cátodo, estos roles se invierten. Por lo tanto, al aplicar un barrido, se modifica el potencial en el terminal p con respecto al terminal n, que está conectado a tierra. El modelo de contacto es diferente de las capas de contacto epitaxial altamente dopadas, que forman parte de la geometría del semiconductor. Las condiciones explícitas de los terminales determinan cómo abandonan las cargas el dominio de cálculo.

El solucionador eléctrico está configurado para una malla unidimensional en el eje y. Sus cuatro segmentos de malla rastrean los cuatro espesores epitaxiales, con un número nominal de puntos de 10, 17, 156 y 11, respectivamente. Esto representa aproximadamente 194 puntos especificados, aunque el número de nodos únicos que se utilizan realmente puede depender de cómo el solucionador gestione los límites compartidos. Ambas direcciones de la malla eléctrica lateral están desactivadas. La configuración de la malla se puede ver en ??.

La resolución de la malla es especialmente importante cerca de la heterointerfaz, a 0,40 µm, donde la curvatura electrostática y los desplazamientos de banda pueden variar en una distancia corta. Si la discontinuidad de banda o la densidad de portadores calculadas presentan un pico estrecho, una comprobación de la convergencia de la malla resulta más convincente que simplemente aceptar la configuración predeterminada. Repita el cálculo utilizando una malla más fina para el emisor/unión y compare los resultados de la curva J–V, así como los perfiles espaciales relevantes. Si estos cambian de manera significativa, la malla de referencia aún no estaba suficientemente refinada.

6. Ejecutar la simulación J–V con iluminación.

El modo predeterminado seleccionado en la configuración proporcionada es J–V. Su rango de barrido de voltaje está configurado de -0,10 V a +1,00 V, en incrementos de 0,02 V. La iluminación utiliza un espectro AM1.5G y la escala de intensidad de la fuente de luz de referencia es de un sol (Psun = 1). La generación óptica se acopla a la simulación eléctrica a través del modelo de generación de matriz de transferencia configurado. La temperatura establecida es de 300 K.

Antes de ejecutar la simulación, examine la pestaña de Resultados (??). Haga clic en Ejecutar simulación. La pestaña Terminal muestra el progreso y los resultados del solucionador; las capturas de pantalla de la terminal (?? y ??) muestran un estado inicial y un estado posterior del cálculo. Un cambio en la visualización de la terminal indica que el solucionador está funcionando, pero por sí solo no prueba que todos los puntos hayan convergido. Verifique si la simulación se ha completado, si hay errores y cuáles son los archivos de resultados.

Después de la ejecución, vuelva a la sección de resultados y abra jv.csv (??). La curva J–V iluminada difiere conceptualmente de la curva de la unión en polarización directa en condiciones de oscuridad. Una expresión simple de primer orden es \(J(V)=J_{\mathrm{dark}}(V)-J_{\mathrm{ph}}(V)\), para una convención de signos en la que la fotocorriente extraída es negativa. El signo que muestra el simulador en el gráfico sigue la convención de contacto configurada, por lo que las cantidades físicamente relevantes deben identificarse a partir de los puntos de intersección de voltaje y corriente, en lugar de asumir que todos los gráficos fotovoltaicos se dibujan con los mismos signos.

La densidad de corriente de cortocircuito, \(J_{SC}\), es la densidad de corriente en el punto \(V=0\), mientras que la tensión de circuito abierto, \(V_{OC}\), es la tensión en la que la densidad de corriente en los terminales es cero. El punto de máxima potencia se alcanza en el punto de polarización aplicado que maximiza la magnitud de la potencia suministrada a una carga externa, y el factor de llenado se define por:

Cuando se especifica de forma consistente la densidad de potencia óptica incidente \(P_{\mathrm{in}}\), la eficiencia de conversión se calcula de la siguiente manera \(\eta=|J_{\mathrm{mpp}}V_{\mathrm{mpp}}|/P_{\mathrm{in}}\). No se debe indicar simplemente la eficiencia basándose en la forma de la curva; también es necesario tener en cuenta la convención de potencia de iluminación y un punto de funcionamiento máximo de potencia identificado y fiable.

La curva J–V es la forma más sencilla de resumir el rendimiento, pero no explica por qué se produce una pérdida de corriente. Una disminución de la fotocorriente puede deberse a una absorción insuficiente, a una mala recolección de portadores o a un aumento de la recombinación; una tensión de circuito abierto más baja puede ser el resultado de una recombinación más intensa o de cambios en la electrostática de la unión. Por este motivo, las siguientes secciones utilizan datos con resolución espacial como evidencia diagnóstica, en lugar de basarse únicamente en la representación gráfica de la curva J–V.

La visualización device.csv (??) ofrece una herramienta de verificación independiente y útil para comprobar que las regiones físicas simuladas y sus límites corresponden a la geometría prevista. El panel de información de la simulación (??) es útil para comparar diferentes ejecuciones y verificar la configuración asociada a un resultado.

7. Diagramas de bandas, densidades de portadores y transporte a través de la heterounión.

Abra las capturas de pantalla guardadas desde la ventana de resultados y desplace el control deslizante de la captura a través de los puntos de sesgo. Las cuatro capturas de pantalla de cada magnitud que se muestran a continuación representan diferentes estados guardados de la misma simulación; sus escalas numéricas y etiquetas de sesgo deben leerse directamente en la ventana correspondiente. Al comparar dos estados, primero determine si comparten los mismos límites de los ejes y qué magnitud representada se está comparando.

7.1. Bandas de conducción y de valencia, niveles de Fermi.

El diagrama de bandas es el lugar más claro para identificar la heterounión AlGaAs/GaAs (??–??). La interfaz del material se encuentra en 0,40 µm. Un cambio brusco en los bordes de la banda local en ese punto refleja el desplazamiento del material, mientras que la curvatura que varía gradualmente en otras áreas refleja la electrostática. Esta distinción es fundamental: una heterounión no puede interpretarse únicamente en términos de una banda prohibida de GaAs que se curva continuamente.

En el equilibrio térmico, los potenciales electroquímicos de los electrones y las huecas coinciden, lo que da como resultado un nivel de Fermi común. Fuera del equilibrio, los niveles cuasi-Fermi de los electrones y las huecas pueden separarse. Su diferencia es una medida del desequilibrio local de los portadores y está relacionada con el producto local de las poblaciones de electrones y huecas. En un circuito abierto, el voltaje en los terminales refleja la diferencia entre los potenciales electroquímicos establecidos en los contactos selectivos; no se debe equiparar una única separación local del nivel cuasi-Fermi en una profundidad arbitraria con el voltaje medido en el circuito abierto.

A medida que cambia el voltaje aplicado, el potencial electrostático y la distribución de portadores responden de forma conjunta. Bajo un voltaje eléctrico directo, la barrera de la unión se reduce en relación con el equilibrio; durante el funcionamiento fotovoltaico, los fotoportadores establecen poblaciones fuera del equilibrio y generan un fotovoltaje. Cualquier cambio aparente en la curva del nivel cuasi-Fermi debe analizarse junto con el flujo de corriente y la resolución de la malla antes de interpretarlo como un potencial electroquímico abrupto.

7.2. Densidades de electrones y huecos.

Los diagramas de densidad de portadores (??–??) permiten diferenciar las regiones con la mayor concentración de portadores de aquellas en las que se inyectan o se generan fotográficamente portadores minoritarios. En el emisor de tipo p, la especie mayoritaria en equilibrio son los huecos; en el absorbedor de tipo n, son los electrones. Los perfiles de portadores minoritarios contienen información importante sobre la recolección y la recombinación, especialmente en el lado de GaAs de la unión.

Las concentraciones de electrones y huecos son sensibles a la densidad efectiva de estados, al desplazamiento de las bandas, al potencial electrostático y al equilibrio entre la generación y la recombinación. Por lo tanto, los cambios en la concentración no pueden atribuirse únicamente al perfil de dopaje. Un cambio brusco cerca de la heterointerfaz puede ser el resultado de los efectos combinados de la alineación local de las bandas y del transporte por deriva y difusión.

7.3. Densidades de corriente de electrones y huecos.

Las curvas que representan la corriente de electrones y de huecos (??–??) muestran cómo se distribuye la corriente total en los terminales entre los dos tipos de portadores en función de la profundidad. La fotogeneración crea tanto electrones como huecos, pero la forma en que cada tipo de portador contribuye a la corriente varía a lo largo del dispositivo, según su generación, recombinación, movilidad y campo eléctrico locales.

En un cálculo unidimensional en estado estacionario, la suma de las corrientes de electrones y huecos, considerando sus signos, debe ser constante en cualquier punto que no esté cerca de una fuente de corriente distribuida o de una pérdida modelada explícitamente. Sin embargo, cada componente no necesita ser constante: a medida que se generan y se recombinan los portadores de carga, los componentes de corriente de electrones y huecos intercambian contribuciones, manteniendo constante la corriente total. Esto constituye una comprobación de consistencia muy útil para validar una solución completa.

En algunos casos, las curvas pueden mostrar picos pronunciados en condiciones de baja corriente. Evite diagnosticar una barrera física al transporte basándose en una única curva con ruido: examine las bandas de energía, las densidades de portadores y los componentes de corriente con signo, y compruebe si la característica cambia al refinar la malla. La curva de movilidad independiente (??) ofrece una forma práctica de visualizar los coeficientes de transporte local modelados y de comprobar si varían en función del material o la composición.

8. Recombinación, tasas de portadores y fotogeneración.

La corriente generada por las células solares es el resultado de una competencia entre la generación y la pérdida de electrones. Los fotones absorbidos en el dispositivo crean portadores de carga, pero solo una fracción de estos portadores llega a los contactos selectivos. Las ecuaciones locales de continuidad de electrones y huecos reflejan este equilibrio. OghmaNano ofrece una variedad de tasas de producción, que pueden compararse espacialmente en lugar de solo a través de una corriente medida en el dispositivo.

8.1. Recombinación frente a sesgo aplicado.

Abra los perfiles de recombinación (??–??). La tasa de recombinación es una tasa volumétrica, que normalmente se expresa en número de portadores por metro cúbico por segundo; no debe compararse numéricamente con una densidad de corriente sin integrarla sobre una distancia y multiplicarla por la carga elemental. Para un dispositivo unidimensional, una densidad de corriente de recombinación ilustrativa es \(J_{\mathrm{rec}}=q\int R(y)\,dy\), sujeta a la definición elegida de la tasa neta y los límites.

No solo compare las alturas máximas, sino también el ancho y la ubicación de los picos. Un pico alto y estrecho en el espacio puede contribuir menos a la pérdida total que un pico moderado que se extiende por todo el absorbente. Utilice el mismo voltaje y la misma región al comparar los mecanismos. En una heterounión, la acumulación de portadores cerca de una discontinuidad de banda puede aumentar localmente la recombinación, pero el factor clave para el diagnóstico es determinar si dicha acumulación es realmente visible en los gráficos de densidad y de banda.

8.2. Tasas de recombinación electrón-hueco.

Las curvas que representan la relación entre la tasa de electrones y la de huecos (??–??) ayudan a comparar los valores de las tasas que se muestran en la ventana de visualización. Es importante distinguir la recombinación neta de cualquier proceso individual de captura, emisión, generación o transición de portadores libres. No todas las tasas representadas son necesariamente mecanismos de pérdida independientes; sumar las curvas mostradas sin verificar sus definiciones puede llevar a contar dos veces las vías de transferencia.

En el caso de un canal de recombinación radiativa neta, la conocida ley \(R_{\mathrm{rad}}=B(np-n_i^2)\) ilustra por qué la recombinación aumenta a medida que aumentan ambas poblaciones de portadores. La recombinación de SRH, en cambio, depende de la ocupación de las trampas y de la cinética de captura. El tamaño relativo de estos procesos depende de los parámetros efectivos del material utilizados en la simulación. Este tutorial no asume que la recombinación radiativa sea el proceso dominante en todas las capas o en todos los puntos de polarización, simplemente porque el GaAs es un semiconductor de banda prohibida directa.

8.3. Perfil de la generación.

La tasa de generación de portadoras ópticas es fundamentalmente diferente de la tasa de recombinación: es una fuente, no una pérdida. Para el flujo de fotones dependiente de la longitud de onda \(\Phi(\lambda,y)\) y el coeficiente de absorción \(\alpha(\lambda,y)\), existe una relación local sencilla \(G(y)=\int \alpha(\lambda,y)\Phi(\lambda,y)\,d\lambda\), y el cálculo preciso depende de la interferencia, la reflexión y las definiciones del campo del modelo óptico elegido.

Los perfiles de generación guardados (?? y ??) le permiten ver dónde se producen los fotoportadores. Una generación más intensa cerca del lado iluminado puede ser consecuencia de una absorción exponencial; la interferencia y la absorción dependiente de la longitud de onda pueden generar una dependencia de la profundidad más compleja. Un portador generado ópticamente no es automáticamente un portador recolectado, por lo que es necesario analizar la generación junto con los gráficos de corriente y recombinación.

9. Eficiencia cuántica externa: la recolección de portadores depende de la longitud de onda.

La eficiencia cuántica externa (EQE) mide el número de electrones recogidos a través del circuito externo por cada fotón que incide en el dispositivo a una longitud de onda específica, teniendo en cuenta el signo y la normalización utilizados por la salida. En un escenario ideal en el que se recoge un electrón por cada fotón, \(EQE(\lambda)=J_{\mathrm{photo}}(\lambda)/(q\Phi_{\mathrm{incident}}(\lambda))\), con la corriente espectral y el flujo de fotones expresados de forma coherente.

Para abrir el cálculo de la eficiencia cuántica externa (EQE), seleccione la opción de simulación de EQE en OghmaNano y ejecútela. A continuación, examine el resultado guardado en la sección de resultados (??). El archivo de simulación proporcionado también contiene una longitud de onda de prueba de EQE configurada en 710 nm; no debe confundirse esta configuración con un espectro de EQE de banda ancha completo, medido o calculado, a menos que se haya realizado realmente un barrido de longitudes de onda y el resultado contenga dicho espectro.

En el caso del GaAs, las energías de los fotones cercanas y superiores a su banda prohibida corresponden al límite infrarrojo cercano/visible de la respuesta fotovoltaica. El emisor de AlGaAs, con una banda prohibida más amplia, puede ser más transparente en una parte del rango de absorción útil del GaAs, lo que aumenta la fracción de luz disponible para el absorbedor. A longitudes de onda muy cortas, la absorción en el AlGaAs frontal y la recombinación de los portadores generados cerca de la superficie pueden reducir la eficiencia de recolección. A longitudes de onda más largas, cerca del límite de absorción del GaAs, la absorción incompleta en un absorbedor de espesor finito de 2,8 µm puede ser un factor importante. Las conclusiones espectrales cuantitativas deben obtenerse a partir de la curva de eficiencia cuántica externa (EQE) calculada y de los datos ópticos verificados, y no deducirse únicamente de la banda prohibida.

La eficiencia cuántica externa (EQE) no es equivalente a la absorbancia óptica: la absorbancia mide el número de fotones absorbidos, mientras que la EQE mide el número de portadores recolectados. La comparación de ambos valores revela las pérdidas eléctricas durante la recolección. Si la absorbancia es alta, pero la EQE es baja en una longitud de onda específica, se debe analizar el perfil de generación espacial y el comportamiento de recombinación y transporte de la capa en la que se están absorbiendo esos fotones.

10. Cálculos de la intensidad de la iluminación para Suns–Voc y Suns–Jsc.

10.1. Suns–Voc

La herramienta Suns–Voc analiza la dependencia del voltaje de circuito abierto en función de la intensidad de la iluminación. El circuito abierto se define por una corriente neta externa en los terminales igual a cero, por lo que los portadores fotogenerados acumulan un voltaje en lugar de suministrar energía a una carga. El ejemplo proporcionado contiene una configuración Suns–Voc que abarca un multiplicador de intensidad de 0,01 a 1000 unidades solares, utilizando incrementos multiplicativos de 1,2. Acceda a este modo de simulación y examine la selección de resultados (??) y la curva (??).

En un modelo idealizado de diodo con una física de recombinación aproximadamente independiente de la iluminación, la relación \(V_{OC}\approx(n_{\mathrm{id}}k_BT/q)\ln(J_{\mathrm{ph}}/J_0+1)\) predice un aumento aproximadamente logarítmico del voltaje de circuito abierto en función de la intensidad de la luz. Aquí, \(n_{\mathrm{id}}\) es un factor de idealidad efectivo. En un dispositivo de heterounión, la distribución local de portadores, los desplazamientos de banda, los canales de recombinación y el comportamiento en condiciones de alta inyección pueden cambiar con la intensidad, por lo que la pendiente efectiva no tiene por qué ser constante en todo el rango de medición.

El método Suns-Voc es útil para analizar la respuesta implícita del diodo en condiciones de corriente cero. Por sí solo, no incluye todas las pérdidas de voltaje causadas por el flujo de corriente a través de un contacto resistivo o una capa de transporte en condiciones de generación de energía. Por lo tanto, comparar el comportamiento de Suns-Voc con la curva J-V obtenida bajo iluminación puede ayudar a diferenciar las limitaciones relacionadas con la recombinación de las pérdidas de transporte dependientes de la corriente, aunque la interpretación de dicha diferencia requiere la coherencia de la iluminación, los modelos de recombinación y las definiciones de voltaje.

10.2. Suns–JSC

Suns–Jsc analiza la corriente de cortocircuito en función de la intensidad de la iluminación. El ejemplo está configurado para una simulación que comienza con 0,01 unidades de intensidad solar y termina con 10 unidades, con un factor de intensidad multiplicativo de 1,05 y el incremento inicial almacenado sundp = 0.01. Utilice el selector de simulación Suns–Jsc y examine el resultado en ?? y ??.

En el régimen más simple de eficiencia constante en la recolección, la corriente de cortocircuito varía aproximadamente de forma lineal con el flujo de fotones incidente, por lo que \(|J_{SC}|\propto P_{\mathrm{sun}}\). Una desviación sistemática de la linealidad puede indicar que la recolección, la recombinación o el transporte de portadores dependen de la intensidad. Sin embargo, la interpretación también debe tener en cuenta la forma en que el código modifica la escala de la iluminación óptica y la convergencia numérica de cada punto.

Las dos curvas de intensidad responden a preguntas complementarias: la curva Suns–Voc analiza el voltaje que se establece sin corriente externa, mientras que la curva Suns–Jsc analiza la corriente generada con un voltaje aplicado de aproximadamente cero. Deben interpretarse junto con la curva J–V estándar obtenida con una sola fuente de luz, y no como un sustituto de esta.

11. Modelado óptico y distribución espacial de la fotogeneración.

El solucionador eléctrico requiere una tasa de fotogeneración espacial, pero esta tasa se obtiene a partir del cálculo óptico. En el ejemplo actual, la fuente de luz está configurada para el espectro solar AM1.5G, que incide desde la parte superior (lado y0), y el modelo de generación es una matriz de transferencia. La malla espectral abarca de 320 a 1100 nm, con 201 puntos de longitud de onda configurados; una malla espacial óptica separada abarca todo el dispositivo de 3,4 µm, con 200 puntos configurados. Estas son discretizaciones ópticas y son distintas de la malla eléctrica descrita anteriormente.

Abra la interfaz óptica y seleccione las pestañas de salida disponibles (??–??). Las capturas de pantalla ilustran las diferentes vistas de los gráficos ópticos, incluidos los gráficos que pueden aparecer con pocos datos o vacíos para determinadas cantidades seleccionadas. Un panel en blanco no debe interpretarse automáticamente como una absorción óptica nula: primero, compruebe que se ha ejecutado el cálculo óptico correspondiente, que existe un conjunto de datos de salida adecuado y que sus rangos de longitud de onda o espaciales están cubiertos por los ejes seleccionados.

El método de la matriz de transferencia evalúa cómo las ondas ópticas que se propagan en dirección directa e inversa interactúan con una pila de capas que tienen índices de refracción complejos \(\tilde n(\lambda)=n(\lambda)+ik(\lambda)\). Su solución de campo puede tener en cuenta la reflexión y la interferencia; la absorción local se convierte entonces en una tasa de generación utilizando la energía de los fotones. Para el absorbedor de GaAs, el coeficiente de absorción dependiente de la longitud de onda es un dato esencial, ya que determina dónde se absorben los fotones de diferentes energías dentro de la capa de 2,8 µm.

Tenga especial cuidado al interpretar los datos ópticos de AlGaAs. El modelo de material eléctrico utiliza una fracción de aleación especificada explícitamente, mientras que la base de datos de material óptico seleccionada se utiliza de forma independiente. Antes de utilizar el cálculo para el diseño espectral cuantitativo, verifique que el conjunto de datos Inorganic/AlGaAs/Adachi proporcione realmente la dependencia de composición adecuada en las longitudes de onda relevantes. Una fracción de aleación eléctrica de 0,30 no prueba que todas las constantes ópticas varíen correctamente con la composición.

De manera similar, la estructura 1D simulada idealiza la geometría óptica. No modela de forma independiente una rejilla metálica frontal fabricada, la dispersión lateral de la corriente, la textura de la superficie, los recubrimientos antirreflectantes detallados o los defectos introducidos por un proceso epitaxial real, a menos que estas características se incluyan específicamente en los modelos ópticos y eléctricos. Por lo tanto, el análisis óptico es especialmente útil para comprender las tendencias e identificar las posibles pérdidas espectrales, mientras que la comparación con las células medidas requiere una estructura cuidadosamente adaptada y datos de materiales calibrados.

12. Supuestos, comprobaciones y limitaciones.

Este ejemplo debe considerarse como una demostración numérica práctica de una heterounión AlGaAs/GaAs, y no como una predicción validada de la eficiencia certificada de una célula solar específica. La estructura de cuatro capas, los contactos y la malla proceden de la configuración de simulación proporcionada, y las capturas de pantalla muestran que se han preparado varios cálculos y vistas de resultados. Además, una predicción cuantitativa fiable requiere materiales, óptica, coeficientes de recombinación, calidad de los contactos y convergencia numérica verificados de forma independiente.

Geometría y dimensionalidad. El visualizador 3D es una representación visual; la dependencia de la profundidad eléctrica y óptica en este tutorial es unidimensional. Efectos como el sombreado de la rejilla frontal, las pérdidas en los bordes, la caída lateral de voltaje y los contactos no uniformes quedan fuera de esta descripción básica unidimensional.

Coherencia entre el material y el modelo. La banda prohibida y la afinidad electrónica en una aleación cuya composición varía deben provenir de modelos coherentes. Los scripts eléctricos de Lua y los conjuntos de datos ópticos \(n,k\) son entradas distintas. Cualquier modificación que se aplique solo a un lado puede generar, de forma involuntaria, discontinuidades artificiales, especialmente en la heterointerfaz.

Recombinación e interfaces. Existen parámetros generales de SRH, pero esto no demuestra que se haya representado una interfaz real de AlGaAs/GaAs con una velocidad de recombinación interfacial validada experimentalmente. La calidad real de la interfaz puede influir en el voltaje medido y en la recolección de portadores. Los cambios en las trampas y en los procesos radiativos o de Auger deben probarse uno por uno y examinarse a través de los perfiles de velocidad.

Reproducibilidad numérica. Verifique la convergencia en el punto final para todo el rango de valores de J–V y de intensidad, realice un refinamiento de la malla cerca de la heterointerfaz y compruebe si las métricas fotovoltaicas clave y los perfiles internos son estables. El fallo de un punto específico con alta intensidad no es evidencia de un efecto físico del dispositivo. Utilice una línea de base invariable para distinguir las tendencias físicas de la sensibilidad del solucionador.

Análisis de las capturas de pantalla. Cada captura representa un estado seleccionado de los resultados de la simulación guardados, y los números de las figuras en este tutorial indican el índice de la captura de pantalla, no un voltaje aplicado garantizado. Consulte la anotación del voltaje real en el gráfico de OghmaNano antes de asignar un valor numérico de voltaje a un perfil específico. Evite deducir un valor numérico para \(V_{OC}\), \(J_{SC}\), el factor de llenado o la eficiencia a partir de una pequeña imagen en miniatura cuando el archivo de datos de salida proporciona los valores exactos.

13. Pruebas complementarias recomendadas.