Simulation d’une cellule solaire à hétérojonction GaAs/AlGaAs.

1. Introduction : les cellules solaires à base de GaAs et leurs applications.

Les cellules solaires à base d’arséniure de gallium (GaAs) sont utilisées dans des applications où un rendement élevé, un faible poids et une grande fiabilité sont plus importants que le coût. Le GaAs est un semi-conducteur à bande interdite directe, avec une bande interdite d’environ 1,42 eV, ce qui permet d’absorber efficacement la lumière du soleil sur une épaisseur de quelques micromètres. Cela le rend particulièrement intéressant pour les dispositifs photovoltaïques haute performance.

Les cellules solaires à base de GaAs sont largement utilisées dans les satellites et les engins spatiaux, où la surface disponible est limitée et la résistance aux radiations est importante (??). Elles sont également utilisées dans les systèmes photovoltaïques à concentration, où la lumière du soleil est concentrée sur une petite cellule semi-conductrice, et dans des applications spécialisées telles que les avions volant à haute altitude et les convertisseurs de puissance laser. Les cellules solaires spatiales modernes combinent souvent le GaAs avec d’autres semi-conducteurs du groupe III-V dans des structures à jonctions multiples afin d’obtenir un rendement plus élevé.

Dans ce tutoriel, nous simulons une cellule solaire à hétérojonction GaAs/AlGaAs. Une fine couche d’AlGaAs, présentant une bande interdite plus large, est placée au-dessus de la jonction GaAs afin de réduire l’absorption indésirable et les pertes dues à la recombinaison en surface. En utilisant OghmaNano, nous étudions la manière dont le dispositif absorbe la lumière du soleil, transporte les porteurs photo-générés et produit de l’énergie électrique, en combinant des calculs basés sur la matrice de transfert optique avec une modélisation par diffusion-dérive.

2. Conception et fonctionnement de la cellule solaire en GaAs/AlGaAs.

Nous allons simuler une cellule solaire hétérojonction GaAs/Al0,3Ga0,7As, composée d’une fine couche d’AlGaAs à large bande interdite, qui sert de fenêtre au-dessus d’une jonction p–n en GaAs. Bien que relativement simple, cet appareil illustre plusieurs aspects importants de la photovoltaïque des matériaux du groupe III–V, notamment l’absorption optique, la génération de porteurs de charge, le transport par dérive et diffusion, la recombinaison et l’influence des hétérojonctions semi-conductrices sur la collecte des porteurs.

Pour commencer, lancez OghmaNano et cliquez sur « Nouvelle simulation » dans le ruban « Fichier ». Cela ouvre la bibliothèque de dispositifs (??). Double-cliquez sur « Démonstrations GaAs » pour ouvrir les simulations GaAs disponibles (??). Sélectionnez la cellule solaire à hétérojonction GaAs/Al0,3Ga0,7As, choisissez un dossier de destination et cliquez sur « Enregistrer ».

Une fois le chargement terminé, OghmaNano affiche l’appareil dans la fenêtre. Structure du dispositif tab (??). Les flèches vertes indiquent l’éclairage provenant du haut, tandis que les zones colorées représentent les quatre couches semi-conductrices. La structure et les propriétés des matériaux peuvent être modifiées à l’aide de… éditeur de calques et éditeur de paramètres électriques.

L’appareil est constitué de quatre couches semi-conductrices, disposées de la surface éclairée au contact arrière :

L’absorbeur en GaAs est responsable de la conversion des photons incidents en paires électron-trou. Le GaAs possède une bande interdite directe d’environ 1,42 eV, ce qui lui confère un coefficient d’absorption élevé et permet à la lumière du soleil d’être absorbée dans une couche semi-conductrice relativement mince. L’émetteur de type p et l’absorbeur de type n forment la jonction photovoltaïque principale. La diffusion des porteurs à travers cette jonction crée une zone de déplétion et un champ électrique intrinsèque, ce qui contribue à séparer les électrons et les trous générés par la lumière et à les transporter vers leurs contacts respectifs. La couche Al0,3Ga0,7As, qui sert de fenêtre, introduit une hétérojonction semi-conductrice à la surface éclairée. L’ajout d’aluminium augmente la bande interdite par rapport au GaAs, ce qui rend la fenêtre plus transparente aux photons qui peuvent être absorbés dans le GaAs sous-jacent. La différence d’affinité électronique et de bande interdite crée également des discontinuités dans les bandes de conduction et de valence à l’interface. Ces discontinuités peuvent contribuer à réduire le transport des porteurs minoritaires vers la surface avant, ce qui diminue les pertes par recombinaison, bien qu’une différence de bande interdite excessive puisse entraver l’extraction des porteurs. La couche de fenêtre fortement dopée de type p+ et la couche de contact arrière fortement dopée de type n+ contribuent également à assurer des connexions électriques à faible résistance. À l’arrière, la transition entre l’absorbeur faiblement dopé et le contact fortement dopé crée un champ électrique supplémentaire qui peut repousser les trous minoritaires du contact arrière. La combinaison de l’épaisseur de la couche, du dopage et de l’alignement des bandes détermine donc l’efficacité avec laquelle les photons absorbés sont convertis en courant électrique.

La structure du dispositif peut être examinée et modifiée en cliquant sur le bouton « Éditeur de couches » situé à gauche de l’onglet « Structure du dispositif » dans la fenêtre principale. Ce bouton est représenté par trois barres horizontales de couleurs différentes, symbolisant un dispositif à couches. Cela ouvre l’« Éditeur de couches » (??), où l’épaisseur, le matériau optique et le type de chaque couche peuvent être modifiés. L’épaisseur des couches est particulièrement importante dans les cellules solaires, car elle détermine la quantité de lumière absorbée et la distance que les porteurs de charge photo-générés doivent parcourir avant d’atteindre les contacts.

Le ruban « Électrique » (??) permet d’accéder aux éditeurs « Dopage/Ions » et « Gradient/Contrainte ». L’éditeur de dopage (??) contrôle les concentrations de donneurs et d’accepteurs dans tout le dispositif. Ces valeurs déterminent la position et la largeur de la zone de déplétion, le champ électrique intégré et la conductivité électrique de chaque couche. Par conséquent, la modification du dopage peut avoir une influence considérable sur la collecte des porteurs, la recombinaison et les caractéristiques J–V qui en découlent.

L’éditeur de gradients/de contraintes (??) permet de contrôler les variables de composition des matériaux \(x\), \(y\) et \(z\). Ces variables peuvent être définies indépendamment au début et à la fin de chaque couche, ce qui permet de simuler à la fois des structures semi-conductrices à composition uniforme et à composition variable. Pour les alliages tels que AlxGa1-xAs, la fraction d’aluminium influence la largeur de bande et l’alignement des bandes avec le GaAs. La modification de la composition de l’alliage permet donc d’étudier l’impact des décalages de bande des hétérojonctions sur le transport et la recombinaison des porteurs de charge. L’interprétation de chaque variable de composition est définie par le modèle de matériau semi-conducteur sélectionné.

3. Lancer la simulation et analyser les résultats.

Pour lancer la simulation de la cellule solaire en GaAs/AlGaAs, cliquez sur le bouton bleu. Exécuter la simulation. bouton dans le Fichier ruban ou bouton-poussoir F9Ouvrez le Terminal tableau pour suivre le calcul (??). Au début, le résultat affiché dans la fenêtre du terminal peut sembler complexe, avec de nombreuses lignes d’informations numériques qui apparaissent à l’écran. Cependant, une fois que vous comprenez ce que représente chaque partie, il devient relativement facile d’interpréter ces informations.

La première étape de la simulation est le calcul optique, illustré par le texte coloré en haut de ??. OghmaNano calcule l’absorption optique et la photogénération à différentes longueurs d’onde dans tout le spectre solaire incident. Une fois ce calcul terminé, le programme lance la mesure de la courbe courant-tension (J–V), en appliquant une série de tensions à la cellule solaire et en calculant la densité de courant résultante.

Chaque ligne du calcul J–V correspond à une tension appliquée. La valeur indiquée par top= représente la tension appliquée à la borne supérieure, tandis que btm= représente la tension à la borne inférieure, qui est maintenue à 0 V. La densité de courant calculée est affichée en A/m² à côté de la tension appliquée. La quantité f()= est le résidu numérique du solveur électrique, qui indique dans quelle mesure la solution calculée satisfait les équations des semi-conducteurs. Des résidus plus faibles indiquent une meilleure convergence numérique.

À mesure que la tension appliquée augmente, le photCourant diminue progressivement en amplitude. Dans ??, la variation de tension se rapproche de la tension en circuit ouvert, VOC. Entre environ 0,92 V et 0,94 V, la densité de courant passe de négative à positive, ce qui indique que le courant net est passé par zéro. Il s’agit de la condition de circuit ouvert, où le courant direct de la diode équilibre exactement le courant photogénéré. La simulation se poursuit au-delà de VOC afin de caractériser la zone de polarisation directe de la courbe J–V, avant de s’arrêter lorsque la tension maximale spécifiée de 1,25 V est dépassée.

Pour chaque valeur de tension appliquée, OghmaNano effectue les calculs nécessaires. L’équation de Poisson ainsi que le/la/les équations de dérive-diffusion et d’équilibre des porteurs de chargeCes éléments décrivent la manière dont le potentiel électrostatique, les concentrations d’électrons et de trous, et les courants porteurs varient dans tout le dispositif :

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

Ici, \(G\) le taux de photogénération est-il calculé à partir du modèle optique, tandis que \(R\) représente la recombinaison des porteurs de charge, qui peut comprendre recombinaison radiative, Recombinaison de Shockley-Read-Hall et Recombinaison d’AugerL’équilibre entre la génération, la recombinaison et l’extraction des porteurs de charge détermine la puissance électrique produite par la cellule solaire. Pour plus d’informations, veuillez consulter le document suivant. théorie de la modélisation par dérive et diffusion.

Une fois le calcul terminé, sélectionnez le Résultat tab (??). OghmaNano enregistre ses résultats dans le répertoire de simulation, notamment : jv.csvqui contient la courbe J–V, et sim_info.datqui contient les principaux paramètres de performance des cellules photovoltaïques. optical_output et snapshots répertoires pour obtenir de plus amples informations sur les propriétés optiques et électriques. Consultez documentation des fichiers de sortie pour plus de détails.

Faites un double-clic sur jv.csv pour afficher la courbe tension-courant (J–V) éclairée (??). Le courant reste approximativement constant en polarisation inverse et en faible polarisation directe, avant d’augmenter rapidement lorsque la tension appliquée se rapproche de la tension en circuit ouvert. Faites un double-clic sur sim_info.dat pour examiner les performances du dispositif obtenues (??).

Les principaux résultats de la simulation de la cellule solaire en GaAs/AlGaAs sont résumés ci-dessous.

La densité de courant de court-circuit, JSC, mesure le photocorrent lorsque la tension appliquée est nulle. Son signe négatif reflète la convention selon laquelle le courant photovoltaïque circule dans le sens opposé au courant direct de la diode. L’amplitude, d’environ 26,9 mA cm⁻², indique qu’une fraction importante du rayonnement solaire incident est convertie en porteurs de charge collectés.

Le tension en circuit ouvert, V_OCest la tension à laquelle le courant net devient nul. Dans ces conditions, la photogénération est équilibrée par la recombinaison, et le dispositif ne peut plus fournir de courant à un circuit externe. La valeur de V calculée est :_OC de 0,922 V est inférieure à la tension intégrée de 1,387 V, ce qui témoigne de l’influence de la recombinaison et du nombre limité de porteurs maintenus sous illumination. Pour plus d’informations, consultez calcul du potentiel intégré.

Le facteur de remplissage indique à quel point la courbe J–V se rapproche d’une forme rectangulaire idéale, tandis que le rendement de conversion de puissance indique la proportion de la puissance optique incidente qui est convertie en puissance électrique :

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

Pour une densité de puissance incidente de 1 000 W/m² sous un éclairage AM1,5G, la densité de puissance maximale calculée de 200,48 W/m² correspond à rendement de conversion de puissance de 20,05 %.Le facteur de remplissage d’environ 80,8 % indique que le dispositif simulé maintient un courant photoélectrique important sur une grande partie de sa plage de tension de fonctionnement. Le point de puissance maximale se situe à environ 0,80 V. Sa position exacte dépend de la résolution de tension sélectionnée dans le Rédacteur en chef de J–V.

L’efficacité simulée est d’environ 20% démontre les excellentes performances photovoltaïques que l’on peut obtenir avec des cellules solaires à base de GaAs. La bande interdite directe du GaAs permet une forte absorption optique, tandis que la couche d’AlGaAs contribue à réduire les pertes optiques et de recombinaison à la surface avant. D’autres améliorations peuvent être obtenues en optimisant l’épaisseur des couches, les concentrations de dopage et la conception optique. Par exemple, l’ajout d’un revêtement antireflet peut augmenter la proportion de lumière solaire incidente absorbée par le dispositif ; voir le tutoriel sur le revêtement antireflet.

5. Examiner la simulation optique.

Cliquez sur l’onglet « Optique » situé en haut de la fenêtre principale pour ouvrir la barre d’outils optique (??). Notez que l’intensité lumineuse (en unités solaires) est réglée sur 1,0. Cliquez sur « Matrice de transfert » pour ouvrir l’éditeur de simulation optique.

La barre d’outils de l’éditeur vous permet de choisir la méthode de calcul du profil de génération optique : Matrice de transfert, Méthode des différences finies pour les matrices de transfert.ou des profils plus simples (Profil exponentiel, Profil plat., À partir d’un fichier., À partir des spectres QE., Valeur constanteDans cet exemple, le modèle mis en évidence est le suivant : Méthode des différences finies pour les matrices de transfert.Les méthodes de la matrice de transfert considèrent le dispositif comme une pile de couches minces et calculent les champs optiques se propageant dans le sens direct et inverse dans chaque couche, en tenant compte de la réflexion et des interférences à chaque interface, ainsi que de l’absorption à l’intérieur de chaque couche. Cliquez. Effectuer une simulation optique. pour recalculer les champs optiques sans avoir à relancer le modèle électrique. Pour plus d’informations, voir : Qu'est-ce que la méthode de la matrice de transfert ? et la méthode de la matrice de transfert dans OghmaNano. Le Distribution des photons tab (??) représente la densité de photons en fonction de la longueur d’onde et de la profondeur. Distribution des photons absorbés. tab (??) indique où ces photons sont absorbés. Taux de génération, Lumière réfléchie et Lumière transmise les onglets affichent le profil de génération intégré ainsi que les spectres de réflexion et de transmission.

Plusieurs éléments ressortent clairement de ces cartes :

• Les longueurs d’onde courtes sont absorbées près de la surface. Le GaAs absorbe très fortement la lumière bleue, de sorte que ces photons sont absorbés dans les premiers centaines de nanomètres, dans l’émetteur et près de la jonction.
• Les longueurs d’onde plus importantes pénètrent plus profondément et sont absorbées dans tout l’absorbeur en n-GaAs. C’est pourquoi l’épaisseur de l’absorbeur doit être de quelques micromètres.
• Au-delà d’une longueur d’onde d’environ 870 nm, les photons traversent l’ensemble du dispositif sans être absorbés. Ces photons ont une énergie inférieure à la bande interdite du GaAs et ne peuvent donc pas générer de porteurs de charge.
• Les lignes horizontales sombres que l’on observe à certaines longueurs d’onde (par exemple, près de 760 nm) correspondent aux creux du spectre AM1.5G incident, qui sont causés par l’absorption atmosphérique, et non aux caractéristiques du dispositif.

Chaque photon absorbé dans le GaAs crée une paire électron-trou ; la densité de photons absorbés devient ainsi le taux de génération \(G\) dans les équations de dérive-diffusion. La fenêtre en AlGaAs a une bande interdite plus large que le GaAs, de sorte que les photons dont l’énergie se situe entre les deux bandes interdites la traversent et sont absorbés dans le GaAs situé en dessous, où les porteurs ainsi créés peuvent être collectés. Les photons absorbés dans la fenêtre elle-même, ou dans le GaAs situé très près d’une surface non passivée, ont beaucoup plus de chances de se perdre par recombinaison.

6. Paramètres des matériaux électriques.

Retournez à la fenêtre principale et sélectionnez Structure du dispositif sélectionnez et cliquez Paramètres électriques dans la barre d’outils située à gauche. Cela ouvre Éditeur de paramètres électriques (??), qui contient un onglet pour chaque couche semi-conductrice. La capture d’écran montre l’élément Al._0.3Ga_0.7Une fois la fenêtre sélectionnée, avec les paramètres généraux : Al_xGa_{1 - x}Comme le modèle de matériau Lua l’indique dans Éditeur de codeLa fraction d’aluminium. \(x\) est contrôlé par le biais de Éditeur de gradients/de déformations (??). La barre d’outils permet également de contrôler les aspects de la physique électrique, notamment la dérive-diffusion et l’équilibre. Modèle de Shockley-Read-Hall (SRH) les pièges sont activés, tandis que les pièges dynamiques, la recombinaison d’Auger et le transport des excitons sont désactivés. Ces derniers modèles sont particulièrement utiles pour certains dispositifs semi-conducteurs désordonnés, mais ils ne sont pas nécessaires dans le cas présent.

OghmaNano permet de définir directement les propriétés des matériaux ou de les calculer à l’aide de ses base de données de matériauxPour les semiconducteurs inorganiques bien caractérisés, tels que le GaAs, l’AlGaAs et l’InGaAs, la base de données fournit des modèles pour les propriétés telles que la largeur de bande interdite et l’affinité électronique. mobilité des porteurs de charge et la recombinaison, y compris leur dépendance à la composition et à la température. Ces modèles sont mis en œuvre sous la forme de Scripts Lua, les matériaux disponibles étant répertoriés dans Bibliothèque de modèles de matériaux LuaLorsque Scénario lorsque le bouton est enfoncé, le simulateur utilise le modèle de matériau Lua sélectionné. Lorsqu’il n’est pas enfoncé, le simulateur utilise plutôt les valeurs saisies directement dans le Paramètres tab. Cette approche plus simple est particulièrement utile pour les semi-conducteurs dont la structure est désordonnée ou mal définie, car les paramètres des matériaux sont souvent modifiés de manière indépendante.

Les deux approches peuvent également être combinées, comme l’illustre l’onglet Paramètres (??). Dans cet onglet, des propriétés telles que la mobilité des porteurs, les densités d’états effectives, la largeur de bande et l’affinité électronique sont saisies directement, tandis que d’autres, notamment les paramètres des pièges SRH, sont fournis par le modèle Lua et sont accompagnés de la mention « Voir le script pour la valeur ». Pour contrôler ce comportement, cliquez sur la flèche à côté de « Script » et sélectionnez « Remplacer la base de données des matériaux » (??). Les paramètres cochés utilisent les valeurs des champs de texte, tandis que les paramètres non cochés utilisent la base de données des matériaux. Cela est utile pour étudier les décalages de bande des hétérojonctions ou pour faire varier les paramètres individuels sans modifier le modèle de matériau sous-jacent. Le même menu contient également l’option « Importer le script du matériau », qui permet de sélectionner un modèle Lua différent dans la base de données.

Dans cet exemple, les valeurs de mobilité des électrons et des trous dans la direction y, la largeur de bande interdite, l’affinité électronique, les densités d’états effectives et la permittivité relative sont remplacées, tandis que les paramètres de recombinaison continuent de provenir du modèle Lua. Cela est utile lors de l’étude de l’alignement des bandes d’une hétérojonction, car la modification de la largeur de bande interdite ou de l’affinité électronique permet de faire varier les décalages des bandes de conduction et de valence sans modifier la base de données partagée des matériaux. Les remplacements peuvent également être utilisés pour effectuer des analyses paramétriques et des comparaisons avec des données expérimentales.

Le Scénario le menu propose également Importer le script du modèle. option permettant de sélectionner un autre modèle de matériau dans la base de données. Pour plus d’informations, consultez définir les paramètres électriques à l’aide de Lua, le bibliothèque de modèles de matériaux et documentation de la base de données des matériauxLes définitions des matériaux spécifiques à chaque utilisateur sont stockées dans oghma_local.

7. Bandes d’énergie et niveaux quasi-Fermi.

L’un des outils les plus utiles pour comprendre le fonctionnement d’un dispositif à semi-conducteurs est le visionneuse d’imagesCela permet de représenter graphiquement des paramètres tels que les bandes d’énergie, les densités de porteurs et les champs électriques à différentes étapes d’une simulation. Par exemple, lors d’une mesure de la courbe J–V, l’observateur affiche la manière dont ces paramètres évoluent en fonction de la tension appliquée, tandis que dans une simulation transitoire, il montre leur évolution au fil du temps. Pour ouvrir l’observateur, accédez à Résultat sélectionnez l’onglet et cliquez deux fois dessus. snapshots dossier. La barre de défilement située en bas de la fenêtre vous permet de passer d’une étape à l’autre de la simulation. Consultez la section documentation de l’application de visualisation d’images pour plus d’informations.

Un point de départ intéressant consiste à comparer le comportement de l’appareil dans l’obscurité et sous éclairage. Pour simuler le fonctionnement de l’appareil dans l’obscurité, sélectionnez la bande optique et réglez l’intensité lumineuse (en unités solaires) sur zéro (??), puis relancez la simulation. Le diagramme des bandes d’énergie résultant, pour une tension d’environ 0 V, est présenté dans ??. On observe que les niveaux de Fermi des électrons et des trous coïncident et sont complètement plats dans tout l’appareil. C’est une caractéristique de l’équilibre thermique : bien que les bandes du semi-conducteur se courbent considérablement, aucun courant net ne circule dans l’appareil.

Réinitialisez maintenant l’intensité lumineuse à 1 Soleil et relancez la simulation. Le diagramme de bandes correspondant, à une tension d’environ 0 V, est présenté dans ??. Les bandes de conduction et de valence restent similaires à celles observées dans l’obscurité, mais les quasi-niveaux de Fermi des électrons et des trous ne coïncident plus. Au lieu de cela, ils se séparent, car les électrons et les trous générés par la lumière créent des populations de porteurs hors équilibre à l’intérieur du dispositif.

En examinant de plus près les diagrammes de bandes, on constate que la caractéristique la plus marquante est la forte courbure de la bande entre environ 0,25 µm et 0,55 µm. Cela correspond à la zone de déplétion de la jonction p–n du GaAs. Étant donné que l’absorbeur de type n est moins fortement dopé que l’émetteur de type p, la zone de déplétion s’étend principalement dans l’absorbeur. Le champ électrique interne qui en résulte contribue à séparer les paires électron-trou générées par la lumière, en dirigeant les électrons vers le contact de type n et les trous vers le contact de type p.

Une autre caractéristique intéressante se manifeste au niveau de la surface lumineuse, là où la fenêtre en AlGaAs rencontre l’émetteur en GaAs. La discontinuité dans la bande de conduction est due aux différentes affinités électroniques et aux différentes largeurs de bande des deux matériaux. Cette hétérojonction crée une barrière d’énergie qui contribue à empêcher les électrons minoritaires présents dans l’émetteur de type p d’atteindre la surface avant, où ils pourraient se recombiner. Un changement plus faible est également visible près de l’arrière de l’appareil, ce qui correspond à la transition vers la couche de contact n+ fortement dopée.

La différence entre les quasi-niveaux de Fermi de l’électron et du trou permet de déterminer à quel point le semi-conducteur s’éloigne de l’équilibre. Pour les statistiques des porteurs non dégénérées, les populations locales d’électrons et de trous sont liées à cette différence par :

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

Sous l’effet de l’éclairage, la photogénération augmente la concentration des porteurs de charge et crée une différence entre \(E_{F,n}\) et \(E_{F,p}\). Cette différence peut exister à l’intérieur du dispositif, même en cas de court-circuit, où la tension appliquée extérieure est nulle. En circuit ouvert, la tension aux bornes est déterminée par la séparation du niveau quasi-Fermi établie au niveau des contacts, \(qV_{OC}\) correspondant à cette séparation pour des contacts sélectifs idéaux. La recombinaison limite l’amplitude de cette différence et joue donc un rôle central dans la détermination de la tension en circuit ouvert. En faisant varier la tension à l’aide du curseur, vous pouvez observer comment les bandes d’énergie et les niveaux quasi-Fermi évoluent à mesure que la cellule solaire se rapproche de VOC.

9. Enquêtes complémentaires.

10. Résumé et principaux enseignements.

Dans ce tutoriel, nous avons simulé une cellule solaire à hétérojonction GaAs/Al0,3Ga0,7As, composée d’une couche de fenêtre AlGaAs à large bande interdite, d’un émetteur de type p en GaAs, d’un absorbeur de type n en GaAs et d’un contact arrière fortement dopé. Sous un éclairage équivalent à un ensoleillement d’une source, la simulation donne un courant de court-circuit de 26,91 mA/cm², une tension en circuit ouvert de 0,922 V, un facteur de remplissage de 80,8 % et un rendement de conversion de puissance de 20,05 %. Ces résultats démontrent comment les propriétés optiques et électriques d’une hétérostructure semi-conductrice se combinent pour déterminer ses performances photovoltaïques.

En analysant les profils de génération optique et les diagrammes de bandes d’énergie, nous avons pu observer comment la lumière du soleil est absorbée dans les couches de GaAs, comment le champ électrique interne sépare les porteurs générés par la lumière et comment l’hétérojonction AlGaAs/GaAs introduit des décalages de bandes qui influencent le transport et la recombinaison des porteurs. La comparaison du dispositif dans l’obscurité et sous illumination a également mis en évidence l’importance de la séparation du niveau quasi-Fermi et son lien avec la tension en circuit ouvert.

Enfin, nous avons étudié la manière dont OghmaNano combine calculs par la méthode de la matrice de transfert optique avec modélisation par dérive et diffusionet comment il Base de données des matériaux Lua et le système de modification des paramètres permet de contrôler les propriétés des semi-conducteurs. Ensemble, ces outils offrent un cadre pour étudier comment l’épaisseur des couches, le dopage, la composition de l’alliage et les propriétés des matériaux influencent les performances des dispositifs. La même approche peut être étendue à d’autres dispositifs photovoltaïques III-V et à d’autres hétérostructures semi-conductrices.