Προσομοίωση ετεροσύνδεσης ηλιακού στοιχείου AlGaAs/GaAs: Δομή της συσκευής, ευθυγράμμιση των ενεργειακών ζωνών, καμπύλη J–V, εξωτερική κβαντική απόδοση (EQE) και σχέση Suns–Voc.

1. Εισαγωγή: Γιατί να χρησιμοποιήσουμε μια ετεροσύνδεση AlGaAs/GaAs;

Το αρσενικούχο γάλλιο (GaAs) είναι ένας ημιαγωγός τύπου III-V με άμεσο ενεργειακό χάσμα, ο οποίος χρησιμοποιείται ευρέως σε φωτοβολταϊκές συσκευές υψηλής απόδοσης. Η σχετικά ισχυρή απορρόφησή του σε μήκη κύματος πάνω από το ενεργειακό χάσμα επιτρέπει σε μια λεπτή απορροφητική στρώση να συλλέξει ένα σημαντικό ποσοστό της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στα κατάλληλα μήκη κύματος. Ωστόσο, μια συμβατική ομοαρμογή GaAs μπορεί να υποστεί ανεπιθύμητη οπτική απορρόφηση και ανασυνδυασμό μειονοτικών φορέων κοντά στην φωτιζόμενη επιφάνεια. Ένας ημιαγωγός με ευρύτερο ενεργειακό χάσμα, τοποθετημένος στην φωτιζόμενη πλευρά, μπορεί να μειώσει αυτές τις απώλειες όταν οι οπτικές και ηλεκτρονικές του ιδιότητες επιλέγονται κατάλληλα.

Αυτό το εκπαιδευτικό υλικό μοντελοποιεί μια ετεροσύνδεση τύπου p-Al0.3Ga0.7As / τύπου n-GaAs. Οι δύο επάνω στρώσεις AlGaAs σχηματίζουν μια περιοχή τύπου p με μεγαλύτερο ενεργειακό χάσμα, η οποία λειτουργεί ως παράθυρο/εκπομπός, ενώ η υποκείμενη στρώση τύπου n-GaAs παρέχει την κύρια περιοχή οπτικής απορρόφησης. Η διαφορά στο ενεργειακό χάσμα και στην ηλεκτρονιακή συγγένεια στην επιφάνειά τους εισάγει ασυνέχειες στη ζώνη αγωγιμότητας και στη ζώνη σθένους, επιπλέον της ηλεκτροστατικής κάμψης που προκαλείται από τα ιονισμένα προσθετικά. Ως εκ τούτου, η προκύπτουσα ετεροσύνδεση πρέπει να αναλυθεί χρησιμοποιώντας τόσο τις διαφορές ενεργειακού χάσματος των υλικών όσο και τα επίπεδα σχεδόν-Fermi των φορέων. Η αντιμετώπισή της ως μιας απλής διόδου PN GaAs θα παραλείψει σημαντικές φυσικές ιδιότητες.

Θα χρησιμοποιήσουμε τον μονοδιάστατο επιλυτή μεταφοράς-διάχυσης της OghmaNano, σε συνδυασμό με υπολογισμό οπτικής δημιουργίας. Το παρεχόμενο μοντέλο περιλαμβάνει μια σάρωση J–V υπό φωτισμό, επιλογές για υπολογισμούς EQE και υπολογισμούς που εξαρτώνται από την ένταση, καθώς και αποθηκευμένα εσωτερικά προφίλ. Η ροή εργασίας έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να βασίζεται σε ένα ήδη διαμορφωμένο παράδειγμα, επομένως ο στόχος είναι να κατανοήσουμε, να εκτελέσουμε και να εξετάσουμε τη συσκευή, αντί να εισάγουμε ξανά κάθε παράμετρο από την αρχή.

Σε μια φωτοβολταϊκή συσκευή, τα απορροφημένα φωτόνια δημιουργούν ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών· οι εκλεκτικές επαφές εξάγουν τους φορείς φορτίου και η επακόλουθη εσωτερική διαφορά των επιπέδων quasi-Fermi παράγει μια τάση ανοικτού κυκλώματος. Ένα χρήσιμο μοντέλο πρέπει να συνδέει την οπτική απορρόφηση και τη δημιουργία φορτίου με την ηλεκτροστατική της σύνδεσης, την εξαγωγή των φορέων και την ανασυνδυασμό. Οι παρακάτω ενότητες εξετάζουν άμεσα καθεμία από αυτές τις συνδέσεις.

2. Δημιουργία της προσομοίωσης βάσει των παραδειγμάτων GaAs.

Ανοίξτε το OghmaNano και επιλέξτε "Νέα προσομοίωση". Στον περιηγητή προσομοιώσεων, ανοίξτε τις "Επιδείξεις GaAs" και, στη συνέχεια, επιλέξτε "Ετεροσύνδεση AlGaAs/GaAs για ηλιακά κύτταρα". Το παράθυρο επιλογής και η κατηγορία επίδειξης εμφανίζονται στις εικόνες ?? και ??. Το παράδειγμα ανοίγει στο κύριο παράθυρο δομής της συσκευής (??).

Το κύριο παράθυρο περιέχει μια τρισδιάστατη γραφική αναπαράσταση της συσκευής. Η φυσική προσομοίωση που περιγράφεται εδώ χρησιμοποιεί χωρική μεταβολή κατά μήκος του άξονα y, κάθετη στις στρώσεις. Η απεικονιζόμενη πλάκα είναι επομένως ένας τρόπος για να απεικονιστεί η διάταξη των στρώσεων και των επαφών, και όχι απόδειξη μιας πλήρους τρισδιάστατης ηλεκτρικής ανάλυσης. Επιλέξτε την καρτέλα "Δομή συσκευής" για να ελέγξετε ή να προσαρμόσετε τις στρώσεις· οι καρτέλες "Έξοδος" και "Τερματικά" θα χρησιμοποιηθούν μετά την εκτέλεση της προσομοίωσης.

Είναι χρήσιμο να αποθηκεύσετε ένα ξεχωριστό αντίγραφο του παραδείγματος πριν ξεκινήσετε τις δοκιμές. Διατηρήστε το αρχικό αντίγραφο ανέπαφο, ώστε οι αλλαγές στις παραμέτρους πρόσθεσης, στην αναλογία του κράματος ή στις παραμέτρους της διεπιφάνειας να μπορούν να συγκριθούν με ένα λειτουργικό σημείο αναφοράς.

3. Έλεγχος της επιταξιακής στοίβας, της προσθήκης προσμίξεων και της σύστασης του κράματος.

Ανοίξτε τον επεξεργαστή επιπέδων για να εξετάσετε τις τέσσερις επιταχιακές περιοχές (??). Η ακριβής αρχική γεωμετρία και η προσθήκη προσμίξεων αυτού του παραδείγματος συνοψίζονται παρακάτω. Όλες οι συγκεντρώσεις εκφράζονται ως ογκομετρικές πυκνότητες σε m−3, όπως αποθηκεύονται στο OghmaNano· για να τις μετατρέψετε σε cm−3, διαιρέστε με το 106.

Η ετεροδιάσυνδεση βρίσκεται στο y = 0,40 µm, όπου ο εκπομπός τύπου p από AlGaAs συναντά τον απορροφητή τύπου n από GaAs. Αυτό αποτελεί ταυτόχρονα αλλαγή στην πολικότητα της πλειοψηφούσας προσμείξης και αλλαγή στη σύνθεση του ημιαγωγού. Αντίθετα, η διεπαφή των 0,10 µm εντός του AlGaAs και η διεπαφή των 3,20 µm εντός του GaAs αποτελούν κυρίως αλλαγές στη συγκέντρωση της προσμείξης· αυτές οι διεπαφές δεν εισάγουν ένα νέο σύστημα υλικών.

Ανοιχτή διάχυση / Ιόντα από τα ηλεκτρικά στοιχεία ελέγχου (??). Το γράφημα θα πρέπει να δείχνει την υψηλή πυκνότητα αποδεκτών κοντά στην φωτιζόμενη επαφή, τη χαμηλότερη πυκνότητα αποδεκτών στο υπόλοιπο του εκπομπού AlGaAs, τον δότη-δοπημένο απορροφητή GaAs και την πιο έντονα δοπημένη οπίσθια επαφή GaAs. Η αλλαγή στο πρόσημο της καθαρής δόπησης προσδιορίζει τη σύνδεση PN. Η δόπηση δεν είναι από μόνη της μια παράμετρος οπτικής απορρόφησης· εισέρχεται στην εξίσωση του Poisson μέσω του ιονισμένου χωρικού φορτίου και επηρεάζει την αγωγιμότητα, την ανασύνθεση και τη συλλογή φορέων.

Στη συνέχεια, ελέγξτε τη σύνθεση του κράματος (??). Και οι δύο στρώσεις AlGaAs έχουν g_x0 = g_x1 = 0.30: μια σταθερή αναλογία αλουμινίου σε όλο το πάχος τους. Και οι δύο στρώσεις GaAs έχουν g_x0 = g_x1 = 0 σε αυτό το συγκεκριμένο παράδειγμα. Δεν υπάρχει διαβάθμιση σύνθεσης στην παρεχόμενη δομή. Μια γραμμικά διαβαθμισμένη περιοχή AlGaAs θα απαιτούσε άνισες τελικές συνθέσεις και ένα μοντέλο υλικού Lua ικανό να υπολογίζει τη τοπική σύνθεση σε κάθε θέση του πλέγματος.

Η επίδραση του διαπερατού στρώματος με το μεγάλο ενεργειακό χάσμα εξαρτάται από το μήκος κύματος. Φωτόνια με ενέργειες χαμηλότερες από την αρχή απορρόφησης του AlGaAs μπορούν να διαπεράσουν ευκολότερα το ανώτερο ημιαγωγό, ενώ φωτόνια με ενέργειες υψηλότερες από αυτήν την αρχή μπορεί επίσης να απορροφηθούν στον εκπομπό. Το μέγεθος αυτού του πλεονεκτήματος εξαρτάται από τις πραγματικές οπτικές σταθερές, το πάχος του στρώματος και τις εσωτερικές ιδιότητες συλλογής· η αναλογία Al από μόνη της δεν καθορίζει μια ποσοτική μείωση των απωλειών στην πρόσθια επιφάνεια.

4. Μοντέλα ηλεκτρικών υλικών και μετατοπίσεις ζωνών στην ετεροσύνδεση.

Ανοίξτε τον επεξεργαστή ηλεκτρικών παραμέτρων και ελέγξτε τα σενάρια Lua που σχετίζονται με τις περιοχές (?? και ??). Σε αυτό το παράδειγμα, οι παράμετροι του υλικού αξιολογούνται χρησιμοποιώντας τα καταχωρημένα σενάρια, αντί να ορίζεται κάθε παράμετρος ζώνης ανεξάρτητα σε μια σταθερή τιμή.

Οι διαδρομές AlGaAs και GaAs Lua είναι διακριτές: Inorganic/AlGaAs/AlGaAs.lua και Inorganic/GaAs/GaAs.lua. Η τιμή σύνθεσης της ανώτερης στρώσης, 0,30, είναι διαθέσιμη για το μοντέλο AlGaAs, επιτρέποντας τον υπολογισμό ηλεκτρικών ποσοτήτων που εξαρτώνται από τη σύνθεση. Τα οπτικά σύνολα δεδομένων διαμορφώνονται ξεχωριστά: Inorganic/AlGaAs/Adachi για τις δύο στρώσεις AlGaAs και Inorganic/GaAs/Adachi για τις στρώσεις GaAs. Οι ηλεκτρικές παράμετροι ζώνης και τα οπτικά σύνολα δεδομένων δείκτη διάθλασης/απορρόφησης δεν πρέπει να συγχέονται μεταξύ τους.

Στη διεπιφάνεια μεταξύ διαφορετικών υλικών, η τοπική ακμή της ζώνης αγωγιμότητας σχετίζεται με τη συγγένεια των ηλεκτρονίων μέσω μιας σύμβασης της μορφής \(E_C=-\chi-q\phi\), και η ακμή της ζώνης σθένους μέσω της \(E_V=E_C-E_g\), με την προϋπόθεση ότι χρησιμοποιείται η ίδια ενέργεια αναφοράς και στις δύο πλευρές. Οι προκύπτουσες ασυνέχειες συνήθως γράφονται ως \(\Delta E_C\) και \(\Delta E_V\). Εξαρτώνται τόσο από το εύρος της ενεργειακής ζώνης, το οποίο εξαρτάται από τη σύνθεση, όσο και από το μοντέλο της συγγένειας των ηλεκτρονίων. Επομένως, το μεγαλύτερο εύρος της ενεργειακής ζώνης του AlGaAs δεν καθορίζει από μόνο του πώς κατανέμεται η συνολική μετατόπιση μεταξύ των ζωνών αγωγιμότητας και σθένους.

Σε φυσικό επίπεδο, μια αιχμή στη ζώνη αγωγιμότητας μπορεί να εμποδίσει την εξαγωγή ηλεκτρονίων όταν έχει επαρκές μέγεθος, ενώ μια κατάλληλη ασυνέχεια στη ζώνη σθένους μπορεί να εμποδίσει την ανεπιθύμητη κίνηση οπών προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αυτά τα φαινόμενα ανταγωνίζονται με την ολίσθηση, τη διάχυση, τη διάχυση προσμίξεων, τη θερμική ενεργοποίηση και την ανασυνδυασμό. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η προσομοιωμένη δομή ζωνών παρέχει περισσότερες πληροφορίες από την απλή αναφορά της διαφοράς ενεργειακού χάσματος.

4.1. Παράμετροι μεταφοράς και ανασυνδυασμού

Το OghmaNano επιλύει τις συνδεδεμένες εξισώσεις Poisson και συνέχειας των ηλεκτρονίων/οπών. Στην προσέγγιση μεταφοράς-διάχυσης, οι πυκνότητες ρεύματος ηλεκτρονίων και οπών εξαρτώνται από την κινητικότητα των φορέων, τις κλίσεις της πυκνότητας των φορέων και το ηλεκτροστατικό πεδίο. Χρησιμοποιώντας τη συνήθη σύμβαση προσήμων, αυτά μπορούν να εκφραστούν ως εξής:

Το ηλεκτρικό πεδίο και οι συγκεντρώσεις φορέων υπολογίζονται με αυτοσυνεπή τρόπο. Υπό συνθήκες φωτισμού, οι εξισώσεις συνέχειας πρέπει επιπλέον να λαμβάνουν υπόψη τη φωτογένεση \(G\) και την ανασυνδυασμό \(R\). Για παράδειγμα, με τη συνήθη μονοδιάστατη σύμβαση ρεύματος, \(dJ_n/dy=q(R-G)\) και \(dJ_p/dy=q(G-R)\) σε σταθερή κατάσταση. Το άθροισμά τους θα πρέπει, κατά συνέπεια, να παραμένει χωρικά σταθερό σε μια ιδανική λύση σταθερής κατάστασης χωρίς έναν επιπλέον κατανεμημένο όρο αποθήκευσης φορτίου.

Το JSON επιτρέπει την σταθερή κατάσταση της ανασυνδυασμένης ομοπολικής μετατόπισης SRH (ss_srh_enabled = "True") και παρέχει μια ονομαστική ενέργεια παγίδευσης στο μέσο του ενεργειακού χάσματος, πυκνότητα παγίδων \(N_t=5\times10^{19}\,\mathrm{m}^{-3}\) και διατομές σύλληψης \(\sigma_n=\sigma_p=10^{-22}\,\mathrm{m}^2\) σε κάθε στρώση. Αυτά τα πεδία περιγράφουν το διαμορφωμένο μοντέλο ελαττωμάτων· θα πρέπει να ελεγχθεί εάν ένα πεδίο λαμβάνεται απευθείας από το JSON ή υπολογίζεται εκ νέου από το επιλεγμένο σενάριο υλικού, σε σύγκριση με τις αποτελεσματικές τιμές που αναφέρει το OghmaNano. Ο ρυθμός μιας τυπικής διαδικασίας SRH ενός επιπέδου είναι

Σε έναν ημιαγωγό με άμεσο ενεργειακό χάσμα, η ακτινοβολική ανασύνθεση ελεύθερων ηλεκτρονίων σε ελεύθερες οπές μπορεί επίσης να είναι σημαντική, η οποία συμβολίζεται συνήθως με \(R_{\mathrm{rad}}=B(np-n_i^2)\). Το πρόγραμμα μπορεί επίσης να παρέχει συντελεστές Auger και άλλα κανάλια μέσω των μοντέλων υλικών. Μην συμπεραίνετε ποιος μηχανισμός επικρατεί απλώς από την παρουσία των ρυθμίσεών του: χρησιμοποιήστε τα γραφήματα των αρχείων ανασύνθεσης, τις πραγματικές ενεργοποιημένες ρυθμίσεις και τις τιμές του μοντέλου υλικού στο τρέχον παράδειγμα. Για αυτή τη συσκευή, η κατάλληλη ερμηνεία επιτυγχάνεται συγκρίνοντας τις τιμές στο ίδιο σημείο τάσης και με συνεπείς κάθετες κλίμακες.

Η προβολή του ηλεκτρονικού επεξεργαστή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εξέταση της κινητικότητας και άλλων τοπικών ιδιοτήτων (??). Όταν πειραματίζεστε με τις συνθέσεις, αφήστε τις υπερκαλύψεις της βάσης δεδομένων του ενεργειακού χάσματος και της ηλεκτρονιακής συγγένειας απενεργοποιημένες, εκτός εάν υπάρχει συγκεκριμένος λόγος για να αντικαταστήσετε τις τιμές Lua: οι χειροκίνητες διορθώσεις \(E_g\) ή \(\chi\) μπορούν κατά λάθος να αφαιρέσουν την προβλεπόμενη εξάρτηση από τη σύνθεση.

5. Ηλεκτρικές επαφές και το πλέγμα προσομοίωσης.

Το μοντέλο διαθέτει δύο εξωτερικά ηλεκτρικά άκρα. Το άνω άκρο p, στην θέση y0, είναι το άκρο που δέχεται την τάση· το κάτω άκρο n, στην θέση y1, είναι το γειωμένο άκρο. Και τα δύο χρησιμοποιούν μια ομική διεπιφάνεια με πλειοψηφικούς φορείς και μια διεπιφάνεια που εμποδίζει τους μειοψηφικούς φορείς. Αυτή είναι μια σημαντική επιλογή κατά τη δημιουργία του μοντέλου: η δομή δεν αναπαρίσταται από γενικές συμμετρικές επαφές που εξάγουν ηλεκτρόνια και οπές χωρίς διάκριση. Ανοίξτε τον επεξεργαστή επαφών για να δείτε τις σειρές επαφών (??).

Στην άνοδο, η πλειονότητα των φορέων είναι οι οπές και η μειοψηφία είναι τα ηλεκτρόνια. Στην κάθοδο, οι ρόλοι αντιστρέφονται. Επομένως, η εφαρμοζόμενη τάση σάρωσης αλλάζει το δυναμικό στον ακροδέκτη p σε σχέση με τον γειωμένο ακροδέκτη n. Το μοντέλο επαφής διαφέρει από τις έντονα ντοπαρισμένες επιταξιακές στρώσεις επαφής, οι οποίες αποτελούν μέρος της γεωμετρίας του ημιαγωγού. Οι συγκεκριμένες συνθήκες ακροδεκτών καθορίζουν τον τρόπο με τον οποίο οι φορείς εξέρχονται από τον υπολογιστικό τομέα.

Ο ηλεκτρικός επιλυτής έχει ρυθμιστεί για ένα μονοδιάστατο πλέγμα κατά μήκος του άξονα y. Τα τέσσερα τμήματα του πλέγματος αντιστοιχούν στις τέσσερις επιταξικές στρώσεις, με ονομαστικό αριθμό σημείων 10, 17, 156 και 11, αντίστοιχα. Αυτό αντιστοιχεί σε περίπου 194 καθορισμένα σημεία, αν και ο πραγματικός αριθμός των μοναδικών κόμβων που χρησιμοποιούνται μπορεί να εξαρτάται από τον τρόπο με τον οποίο ο επιλυτής χειρίζεται τα κοινά όρια. Και οι δύο πλευρικές κατευθύνσεις του ηλεκτρικού πλέγματος είναι απενεργοποιημένες. Οι ρυθμίσεις του πλέγματος είναι ορατές στο ??.

Η ανάλυση του πλέγματος είναι σημαντική, ειδικά κοντά στην ετεροδιάσυνδεση στα 0,40 µm, όπου η ηλεκτροστατική κάμψη και οι διαφορές ζώνης ενέργειας μπορεί να μεταβάλλονται σε μικρή απόσταση. Εάν η υπολογιζόμενη διακοπή ζώνης ή η πυκνότητα φορέων εμφανίζει μια στενή κορυφή, μια επαλήθευση της σύγκλισης του πλέγματος είναι πιο πειστική από την απλή αποδοχή της προεπιλεγμένης διαδρομής. Επαναλάβετε τον υπολογισμό με ένα πιο λεπτομερές πλέγμα εκπομπού/διάστασης και συγκρίνετε τα αποτελέσματα J–V, καθώς και τα σχετικά χωρικά προφίλ. Εάν αυτά αλλάξουν σημαντικά, το βασικό πλέγμα δεν ήταν ακόμη αρκετά λεπτομερές.

6. Εκτέλεση της προσομοίωσης J–V με οπτικοποίηση.

Η προεπιλεγμένη λειτουργία που έχει οριστεί στη διαθέσιμη διαμόρφωση είναι η J–V. Η διακύμανση της τάσης έχει ρυθμιστεί από -0,10 V έως +1,00 V σε βήματα των 0,02 V. Ο φωτισμός χρησιμοποιεί το φάσμα AM1.5G και η κλίμακα της έντασης της βασικής πηγής φωτός είναι μία ηλιακή μονάδα (Psun = 1). Η οπτική παραγωγή συνδέεται με την ηλεκτρική προσομοίωση μέσω του διαμορφωμένου μοντέλου παραγωγής μήτρας μεταφοράς. Η καθορισμένη θερμοκρασία είναι 300 K.

Πριν εκτελέσετε την προσομοίωση, εξετάστε την καρτέλα "Έξοδος" (??). Κάντε κλικ στην επιλογή "Εκτέλεση προσομοίωσης". Στην καρτέλα "Τερματικό", θα εμφανίζεται η πρόοδος και η έξοδος του επιλυτή. Οι συνοδευτικές στιγμιότυπα οθόνης του τερματικού (?? και ??) δείχνουν μια αρχική και μια μεταγενέστερη κατάσταση του υπολογισμού. Η συνεχής αλλαγή στην οθόνη του τερματικού αποτελεί ένδειξη ότι ο επιλυτής λειτουργεί, αλλά από μόνη της δεν αποδεικνύει ότι κάθε σημείο έχει συγκλίνει. Ελέγξτε για ολοκλήρωση, σφάλματα και τα αρχεία εξόδου που προκύπτουν.

Μετά την εκτέλεση, επιστρέψτε στην ενότητα "Έξοδος" και ανοίξτε το jv.csv (??). Η φωτεινή καμπύλη J–V διαφέρει ως προς την έννοια της από την καμπύλη της διόδου σε κατάσταση αντίστροφης πόλωσης. Μια απλή έκφραση πρώτης τάξης είναι η \(J(V)=J_{\mathrm{dark}}(V)-J_{\mathrm{ph}}(V)\), για μια σύμβαση προσήμων στην οποία το εξαγόμενο φωτορεύμα είναι αρνητικό. Το πρόσημο που απεικονίζει ο προσομοιωτής ακολουθεί τη διαμορφωμένη σύμβαση επαφής, επομένως οι φυσικά σημαντικές ποσότητες θα πρέπει να προσδιορίζονται από τις τομές τάσης και ρεύματος και όχι υποθέτοντας ότι κάθε φωτοβολταϊκό διάγραμμα σχεδιάζεται με τα ίδια πρόσημα.

Η πυκνότητα ρεύματος βραχυκυκλώματος, \(J_{SC}\), είναι η πυκνότητα ρεύματος στο σημείο \(V=0\), ενώ η τάση ανοικτού κυκλώματος, \(V_{OC}\), είναι η τάση στην οποία η πυκνότητα ρεύματος στην έξοδο είναι μηδέν. Το σημείο μέγιστης ισχύος εμφανίζεται στην εφαρμοζόμενη τάση που μεγιστοποιεί το μέγεθος της ισχύος που παρέχεται σε ένα εξωτερικό φορτίο, και ο συντελεστής πληρότητας ορίζεται ως:

Με σταθερά καθορισμένη οπτική ισχύ πυκνότητας περιστατικού φωτός \(P_{\mathrm{in}}\), η απόδοση μετατροπής ακολουθεί ως \(\eta=|J_{\mathrm{mpp}}V_{\mathrm{mpp}}|/P_{\mathrm{in}}\). Μην αναφέρετε απλώς μια απόδοση με βάση το σχήμα της καμπύλης: απαιτείται επίσης η σύμβαση της ισχύος φωτισμού και ένα αξιόπιστα προσδιορισμένο σημείο μέγιστης ισχύος λειτουργίας.

Η καμπύλη J–V αποτελεί την απλούστερη συνοπτική παρουσίαση της απόδοσης, αλλά δεν εξηγεί γιατί παρατηρείται απώλεια ρεύματος. Η μείωση του φωτορεύματος μπορεί να προκληθεί από ανεπαρκή απορρόφηση, κακή συλλογή φορέων ή αυξημένη ανασύνθεση· η χαμηλότερη τάση ανοικτού κυκλώματος μπορεί να οφείλεται σε ισχυρότερη ανασύνθεση ή αλλαγές στην ηλεκτροστατική της σύνδεσης. Για αυτόν τον λόγο, στις επόμενες ενότητες χρησιμοποιούνται χωρικά επιλυμένα δεδομένα ως διαγνωστικά στοιχεία, αντί να βασιζόμαστε αποκλειστικά στην καμπύλη J–V.

Η οπτικοποίηση device.csv (??) παρέχει έναν χρήσιμο, ανεξάρτητο έλεγχο για να διασφαλιστεί ότι οι προσομοιωμένες φυσικές περιοχές και τα όριά τους αντιστοιχούν στην επιθυμητή γεωμετρία. Το παράθυρο πληροφοριών προσομοίωσης (??) είναι χρήσιμο κατά τη σύγκριση διαφορετικών εκτελέσεων και τον έλεγχο των ρυθμίσεων που σχετίζονται με ένα αποτέλεσμα.

7. Διαγράμματα ζωνών, πυκνότητες φορέων και μεταφορά μέσω της ετεροσύνδεσης.

Ανοίξτε τις αποθηκευμένες στιγμιότυπες εικόνες από το παράθυρο προβολής και μετακινήστε το ρυθμιστικό της στιγμιότυπης εικόνας κατά μήκος των σημείων μεροληψίας. Οι τέσσερις στιγμιότυπες εικόνες για κάθε ποσότητα που εμφανίζονται παρακάτω δείχνουν διαφορετικές αποθηκευμένες καταστάσεις από την ίδια υπολογιστική διαδικασία. Οι αριθμητικές κλίμακες και οι ετικέτες μεροληψίας θα πρέπει να διαβάζονται απευθείας από το αντίστοιχο παράθυρο προβολής. Όταν συγκρίνετε δύο καταστάσεις, καθορίστε πρώτα εάν έχουν τις ίδιες οριακές τιμές στον άξονα και ποια ποσότητα που απεικονίζεται συγκρίνεται.

7.1. Ζώνες αγωγιμότητας και σθένους, επίπεδο Fermi.

Το διάγραμμα ζωνών είναι το πιο σαφές σημείο για να εντοπιστεί η ετεροσύνδεση AlGaAs/GaAs (??–??). Η διεπιφάνεια των υλικών βρίσκεται στις 0,40 µm. Μια απότομη αλλαγή στις τοπικές άκρες ζώνης εκεί αντανακλά τη μετατόπιση του υλικού, ενώ η ομαλή μεταβαλλόμενη καμπυλότητα σε άλλα σημεία αντανακλά την ηλεκτροστατική. Αυτή η διάκριση είναι κεντρικής σημασίας: μια ετεροσύνδεση δεν μπορεί να ερμηνευτεί αποκλειστικά με βάση μια συνεχώς καμπυλωμένη ενεργειακή ζώνη GaAs.

Σε θερμική ισορροπία, τα ηλεκτροχημικά δυναμικά των ηλεκτρονίων και των οπών συμπίπτουν, δημιουργώντας ένα κοινό επίπεδο Fermi. Όταν το σύστημα δεν βρίσκεται σε ισορροπία, τα επίπεδα quasi-Fermi των ηλεκτρονίων και των οπών μπορεί να διαχωριστούν. Η διαφορά τους αποτελεί μέτρο της τοπικής μη ισορροπίας των φορέων φορτίου και σχετίζεται με το τοπικό γινόμενο των πληθυσμών ηλεκτρονίων και οπών. Σε συνθήκες ανοικτού κυκλώματος, η τάση στα άκρα της διάταξης αντικατοπτρίζει τη διαφορά μεταξύ των ηλεκτροχημικών δυναμικών που δημιουργούνται στις εκλεκτικές επαφές. Δεν θα πρέπει να εξισώνεται μια μεμονωμένη τοπική διαφορά στα επίπεδα quasi-Fermi σε ένα αυθαίρετο βάθος με τη μετρούμενη τάση ανοικτού κυκλώματος.

Καθώς αλλάζει η εφαρμοσμένη τάση, το ηλεκτροστατικό δυναμικό και η κατανομή των φορέων φορτίου μεταβάλλονται ταυτόχρονα. Υπό συνθήκες εφαρμοζόμενης ηλεκτρικής τάσης, το φράγμα της σύνδεσης μειώνεται σε σχέση με την κατάσταση ισορροπίας· κατά τη φωτοβολταϊκή λειτουργία, οι φωτοφορείς δημιουργούν καταστάσεις εκτός ισορροπίας και μια φωτοτάση. Οποιαδήποτε φαινομενική απότομη αλλαγή σε μια γραφική παράσταση του επιπέδου quasi-Fermi θα πρέπει να εξεταστεί παράλληλα με τη ροή του ρεύματος και την ανάλυση του πλέγματος, προτού ερμηνευθεί ως μια φυσικά απότομη ηλεκτροχημική δυναμική.

7.2. Πυκνότητες ηλεκτρονίων και οπών.

Τα διαγράμματα της πυκνότητας των φορέων (??–??) διακρίνουν τις περιοχές με κυρίαρχους φορείς από τις περιοχές με εγχυόμενους ή φωτοπαραγόμενους δευτερεύοντες φορείς. Μέσω του εκπομπού τύπου p, το είδος που κυριαρχεί στην ισορροπία είναι οι οπές· σε όλο τον απορροφητή τύπου n, είναι τα ηλεκτρόνια. Τα προφίλ των δευτερευόντων φορέων περιέχουν σημαντικές πληροφορίες σχετικά με τη συλλογή και την ανασυνδυασμό, ιδιαίτερα στην πλευρά του GaAs της σύνδεσης.

Οι συγκεντρώσεις ηλεκτρονίων και οπών είναι ευαίσθητες στην αποτελεσματική πυκνότητα καταστάσεων, στις μετατοπίσεις των ενεργειακών ζωνών, στο ηλεκτροστατικό δυναμικό και στην ισορροπία δημιουργίας/ανασύνθεσης. Επομένως, οι αλλαγές στις συγκεντρώσεις δεν μπορούν να αποδοθούν αποκλειστικά στο προφίλ προσθήκης προσμείξεων. Μια απότομη αλλαγή κοντά στην ετεροδιάσυνδεση μπορεί να προκύψει από τις συνδυασμένες επιδράσεις της τοπικής ευθυγράμμισης των ενεργειακών ζωνών και της μεταφοράς μέσω διάχυσης και ολίσθησης.

7.3. Πυκνότητες ρεύματος ηλεκτρονίων και οπών.

Τα διαγράμματα του ρεύματος των ηλεκτρονίων και των οπών (??–??) δείχνουν πώς το συνολικό ρεύμα στους ακροδέκτες κατανέμεται μεταξύ των δύο τύπων φορέων ως συνάρτηση του βάθους. Η φωτογένεση δημιουργεί τόσο ηλεκτρόνια όσο και οπές, αλλά ο τρόπος με τον οποίο κάθε είδος συμβάλλει στο ρεύμα αλλάζει κατά μήκος της συσκευής, ανάλογα με την τοπική παραγωγή, την ανασύνθεση, την κινητικότητα και το ηλεκτρικό πεδίο.

Σε μια σταθερή, μονοδιάστατη προσομοίωση, το άθροισμα των ηλεκτρονιακών και οπτικών ρευμάτων (λαμβάνοντας υπόψη το πρόσημό τους) θα πρέπει να είναι σταθερό, εκτός από τις περιοχές όπου μοντελοποιείται ρητά μια κατανεμημένη πηγή ρεύματος ή απώλειας. Ωστόσο, κάθε επιμέρους συνιστώσα δεν χρειάζεται να είναι σταθερή: καθώς παράγονται και ανασυνδυάζονται φορείς, οι συνιστώσες του ηλεκτρονιακού και οπτικού ρεύματος ανταλλάσσουν συνεισφορές, διατηρώντας παράλληλα το συνολικό ρεύμα. Αυτό αποτελεί μια ισχυρή μέθοδο ελέγχου συνέπειας για μια ολοκληρωμένη λύση.

Ορισμένα διαγράμματα μπορεί να εμφανίζουν έντονες αιχμές σε συνθήκες χαμηλού ρεύματος. Αποφύγετε να διαγνώσετε ένα φυσικό φράγμα μεταφοράς με βάση μόνο μία θορυβώδη γραμμή: εξετάστε τις άκρες της ζώνης, τις πυκνότητες των φορέων και τις υπογεγραμμένες συνιστώσες του ρεύματος μαζί και ελέγξτε εάν το χαρακτηριστικό αλλάζει όταν βελτιώνεται το πλέγμα. Το ξεχωριστό διάγραμμα κινητικότητας (??) παρέχει έναν εύκολο τρόπο για να δείτε τους μοντελοποιημένους τοπικούς συντελεστές μεταφοράς και εάν ποικίλλουν ανάλογα με το υλικό ή τη σύνθεση.

8. Ανασυνδυασμός, ρυθμοί μεταφοράς και φωτοπαραγωγή.

Το ρεύμα που παράγεται από ένα ηλιακό στοιχείο είναι το αποτέλεσμα μιας ισορροπίας μεταξύ της δημιουργίας και της απώλειας. Τα φωτόνια που απορροφώνται στη συσκευή δημιουργούν φορείς, αλλά μόνο ένα μέρος αυτών των φορέων μπορεί να φτάσει στις εκλεκτικές επαφές. Οι τοπικές εξισώσεις συνέχειας για τα ηλεκτρόνια και τις οπές αποτυπώνουν αυτή την ισορροπία. Η OghmaNano παρέχει μια σειρά από τιμές παραγωγής, οι οποίες μπορούν να συγκριθούν χωρικά και όχι μόνο μέσω του συνολικού ρεύματος της συσκευής.

8.1. Ανασυνδυασμός έναντι εφαρμοζόμενης τάσης.

Ανοίξτε τα προφίλ ανασυνδυασμού (??–??). Ο ρυθμός ανασυνδυασμού είναι ένας όγκος ρυθμού, ο οποίος συνήθως εκφράζεται σε φορείς ανά κυβικό μέτρο ανά δευτερόλεπτο· δεν θα πρέπει να συγκρίνεται αριθμητικά με μια πυκνότητα ρεύματος χωρίς να ενσωματωθεί σε μια απόσταση και να πολλαπλασιαστεί με το στοιχειώδες φορτίο. Για μια μονοδιάστατη συσκευή, μια ενδεικτική πυκνότητα ρεύματος ανασυνδυασμού είναι \(J_{\mathrm{rec}}=q\int R(y)\,dy\), υπό την προϋπόθεση της επιλεγμένης ορισμού του καθαρού ρυθμού και των ορίων.

Συγκρίνετε όχι μόνο τα μέγιστα ύψη, αλλά και το πλάτος και τη θέση των κορυφών. Μια στενή χωρικά κορυφή μπορεί να συμβάλλει λιγότερο στη συνολική απώλεια από μια μέτρια κορυφή που εκτείνεται σε ολόκληρο τον απορροφητή. Χρησιμοποιήστε την ίδια τάση και περιοχή κατά τη σύγκριση των μηχανισμών. Σε μια ετεροσύνδεση, η συσσώρευση φορέων κοντά σε μια μετατόπιση ζώνης μπορεί να αυξήσει τοπικά την ανασυνδυασμό, αλλά το σχετικό διαγνωστικό στοιχείο είναι εάν αυτή η συσσώρευση είναι όντως ορατή στα διαγράμματα πυκνότητας και ζωνών.

8.2. Ρυθμοί δημιουργίας και ανασύνθεσης ηλεκτρονίων-οπών.

Οι σχετικές τιμές παραγωγής ηλεκτρονίων-οπών (??–??) βοηθούν στη σύγκριση των όρων ρυθμού που εμφανίζονται στην προβολή στιγμιότυπου. Είναι σημαντικό να γίνεται διάκριση μεταξύ της καθαρής ανασύνθεσης και οποιασδήποτε μεμονωμένης διαδικασίας σύλληψης, εκπομπής, δημιουργίας ή ρυθμού μετάπτωσης φορέων. Δεν είναι απαραίτητο κάθε γραφική παράσταση ρυθμού να αντιπροσωπεύει έναν ανεξάρτητο μηχανισμό απώλειας· η άθροιση των εμφανιζόμενων καμπυλών χωρίς τον έλεγχο των ορισμών τους μπορεί να οδηγήσει σε διπλή καταμέτρηση των διαδρομών μεταφοράς.

Σε μια καθαρή διαδρομή ακτινοβόλου ανασύνθεσης, ο γνωστός νόμος \(R_{\mathrm{rad}}=B(np-n_i^2)\) εξηγεί γιατί η ανασύνθεση αυξάνεται καθώς αυξάνονται και οι δύο πληθυσμοί φορέων. Η ανασύνθεση SRH εξαρτάται, ωστόσο, από την πληρότητα των παγίδων και την κινητική σύλληψης. Η σχετική σημασία αυτών των διαδικασιών εξαρτάται από τις αποτελεσματικές παραμέτρους του υλικού κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης. Αυτό το εκπαιδευτικό υλικό δεν υποθέτει ότι η ακτινοβόλος ανασύνθεση κυριαρχεί σε όλες τις στρώσεις ή σε όλα τα σημεία λειτουργίας, απλώς και μόνο επειδή το GaAs είναι ένα ημιαγωγός άμεσου ενεργειακού χάσματος.

8.3. Προφίλ γενιάς

Ο ρυθμός οπτικής δημιουργίας φορέων διαφέρει θεμελιωδώς από τον ρυθμό ανασύνθεσης: είναι μια πηγή και όχι μια απώλεια. Για την εξαρτώμενη από το μήκος κύματος ροή φωτονίων \(\Phi(\lambda,y)\) και τον συντελεστή απορρόφησης \(\alpha(\lambda,y)\), μια απλή τοπική σχέση είναι \(G(y)=\int \alpha(\lambda,y)\Phi(\lambda,y)\,d\lambda\), ενώ η ακριβής υπολογισμός εξαρτάται από την παρεμβολή, την ανάκλαση και τους ορισμούς πεδίου του επιλεγμένου οπτικού μοντέλου.

Τα αποθηκευμένα προφίλ παραγωγής (?? και ??) σας επιτρέπουν να δείτε πού παράγονται οι φωτοφορείς. Η ισχυρότερη παραγωγή κοντά στην φωτιζόμενη πλευρά μπορεί να προκύψει από την εκθετική απορρόφηση· η συμβολή και η απορρόφηση που εξαρτάται από το μήκος κύματος μπορούν να δημιουργήσουν μια πιο σύνθετη εξάρτηση από το βάθος. Ένας οπτικά παραγόμενος φορέας δεν είναι αυτόματα ένας συλλεγόμενος φορέας, και για αυτό τον λόγο η παραγωγή πρέπει να εξετάζεται μαζί με τα διαγράμματα ρεύματος και ανασύνθεσης.

9. Εξωτερική κβαντική απόδοση: συλλογή φορέων που εξαρτάται από το μήκος κύματος.

Η εξωτερική κβαντική απόδοση (EQE) μετρά τον αριθμό των ηλεκτρονίων που συλλέγονται μέσω του εξωτερικού κυκλώματος ανά φωτόνιο που προσπίπτει στη συσκευή σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος, λαμβάνοντας υπόψη το πρόσημο και την κανονικοποίηση που χρησιμοποιείται στην έξοδο. Σε ένα ιδανικό σενάριο συλλογής ενός ηλεκτρονίου ανά φωτόνιο, \(EQE(\lambda)=J_{\mathrm{photo}}(\lambda)/(q\Phi_{\mathrm{incident}}(\lambda))\), όπου το φασματικό ρεύμα και η ροή φωτονίων εκφράζονται με συνέπεια.

Για να ανοίξετε τον υπολογισμό EQE, επιλέξτε την επιλογή προσομοίωσης EQE στο OghmaNano και εκτελέστε την, στη συνέχεια εξετάστε το αποθηκευμένο αποτέλεσμα στην ενότητα "Έξοδος" (??). Το παρεχόμενο αρχείο προσομοίωσης περιέχει επίσης μια διαμορφωμένη τιμή μήκους κύματος για τη δοκιμή EQE, η οποία είναι 710 nm. Αυτή η ρύθμιση δεν πρέπει να θεωρείται ως ένα πλήρες, μετρημένο ή υπολογισμένο ευρυζωνικό φάσμα EQE, εκτός εάν έχει πραγματοποιηθεί μια πραγματική σάρωση μήκους κύματος και η έξοδος περιέχει αυτό το φάσμα.

Στην περίπτωση του GaAs, οι ενέργειες των φωτονίων κοντά και πάνω από το ενεργειακό χάσμα του αντιστοιχούν στο άκρο της περιοχής του ορατού/υπέρυθρου φάσματος για τη φωτοβολταϊκή απόκριση. Ο εκπομπός AlGaAs, με το ευρύτερο ενεργειακό χάσμα, μπορεί να είναι πιο διαφανής σε ένα μέρος του χρήσιμου φάσματος απορρόφησης του GaAs, αυξάνοντας το ποσοστό του φωτός που είναι διαθέσιμο για τον απορροφητή. Σε πολύ μικρά μήκη κύματος, η απορρόφηση στο μπροστινό στρώμα AlGaAs και η ανασύνθεση των φορέων που παράγονται κοντά στην επιφάνεια μπορεί να μειώσουν τη συλλογή. Σε μεγαλύτερα μήκη κύματος, κοντά στο όριο απορρόφησης του GaAs, η ατελής απορρόφηση σε έναν απορροφητή με πεπερασμένο πάχος 2,8 µm μπορεί να γίνει σημαντική. Οι ποσοτικές φασματικές συμπεράσματα θα πρέπει να προέρχονται από την υπολογισμένη καμπύλη EQE και να επαληθεύονται με βάση τα διαθέσιμα οπτικά δεδομένα, και όχι να υποθέτουμε απλώς με βάση το ενεργειακό χάσμα.

Η εξωτερική κβαντική απόδοση (EQE) δεν είναι ισοδύναμη με την οπτική απορρόφηση: η απορρόφηση μετρά τους απορροφηθέντες φωτόνιους, ενώ η EQE μετρά τους συλλεγόμενους φορείς. Η σύγκριση αυτών των δύο παραμέτρων αποκαλύπτει τις ηλεκτρικές απώλειες κατά τη συλλογή. Εάν η απορρόφηση είναι υψηλή αλλά η EQE είναι χαμηλή σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος, ελέγξτε το χωρικό προφίλ δημιουργίας και τη συμπεριφορά ανασύνθεσης/μεταφοράς του στρώματος στο οποίο απορροφώνται αυτά τα φωτόνια.

10. Υπολογισμοί έντασης φωτισμού για τις συσκευές Suns–Voc και Suns–Jsc.

10.1. Ήλιοι – Voc

Το Suns–Voc διερευνά την εξάρτηση της τάσης ανοικτού κυκλώματος από την ένταση της φωτεινής ακτινοβολίας. Ο ανοικτός κύκλωμα ορίζεται από το μηδενικό καθαρό εξωτερικό ρεύμα στα άκρα, επομένως οι φωτογεννηθέντες φορείς φορτίου δημιουργούν μια τάση αντί να παρέχουν ισχύ σε ένα φορτίο. Το παρεχόμενο παράδειγμα περιλαμβάνει μια διαμόρφωση Suns–Voc που καλύπτει έναν πολλαπλασιαστή έντασης από 0,01 έως 1000 ηλιακές μονάδες, χρησιμοποιώντας πολλαπλασιαστικά βήματα 1,2. Αποκτήστε πρόσβαση σε αυτήν τη λειτουργία προσομοίωσης και επιθεωρήστε την έξοδό της (??) και την καμπύλη (??).

Σε ένα ιδανικό μοντέλο διόδου με φυσική ανασύνθεσης που είναι κατά προσέγγιση ανεξάρτητη από τη φωτεινότητα, η σχέση \(V_{OC}\approx(n_{\mathrm{id}}k_BT/q)\ln(J_{\mathrm{ph}}/J_0+1)\) προβλέπει μια κατά προσέγγιση λογαριθμική αύξηση της τάσης ανοικτού κυκλώματος με την ένταση του φωτός. Εδώ, το \(n_{\mathrm{id}}\) είναι ένας αποτελεσματικός παράγοντας ιδανικότητας. Σε μια ετεροσύνδεση, η τοπική κατανομή φορέων, οι μετατοπίσεις ζωνών, τα κανάλια ανασύνθεσης και η συμπεριφορά υψηλής έγχυσης ενδέχεται να αλλάζουν όλα με την ένταση, επομένως η αποτελεσματική κλίση δεν χρειάζεται να είναι σταθερή σε όλο το εύρος της σάρωσης.

Η μέθοδος Suns–Voc είναι χρήσιμη για τη διερεύνηση της υπονοούμενης απόκρισης της διόδου σε συνθήκες μηδενικού ρεύματος. Από μόνη της, όμως, δεν περιλαμβάνει όλες τις απώλειες τάσης που προκαλούνται από τη ροή ρεύματος μέσω μιας αντιστάσιμης επαφής ή μιας μεταφορικής στρώσης σε συνθήκες παραγωγής ενέργειας. Επομένως, η σύγκριση της συμπεριφοράς της μεθόδου Suns–Voc με την φωτεινή καμπύλη J–V μπορεί να βοηθήσει στον διαχωρισμό των περιορισμών που σχετίζονται με την ανασύνθεση από τις απώλειες μεταφοράς που εξαρτώνται από το ρεύμα, αν και η ερμηνεία μιας τέτοιας διαφοράς απαιτεί συνέπεια στην ένταση του φωτός, στα μοντέλα ανασύνθεσης και στους ορισμούς της τάσης.

10.2. Suns–JSC

Το Suns–Jsc εξετάζει τη σχέση μεταξύ του ρεύματος βραχυκυκλώματος και της έντασης της φωτεινότητας. Στο παράδειγμα, η ρύθμιση είναι για μια σειρά τιμών που ξεκινά από 0,01 ηλιακές μονάδες και σταματά στις 10 ηλιακές μονάδες, με έναν πολλαπλασιαστικό παράγοντα έντασης 1,05 και την αποθηκευμένη αρχική αύξηση sundp = 0.01. Χρησιμοποιήστε τον επιλογέα προσομοίωσης Suns–Jsc και ελέγξτε το αποτέλεσμα στα ?? και ??.

Στο απλούστερο σχήμα σταθερής απόδοσης συλλογής, το ρεύμα βραχυκυκλώματος κλιμακώνεται κατά προσέγγιση γραμμικά με τη ροή φωτονίων που προσπίπτει, επομένως \(|J_{SC}|\propto P_{\mathrm{sun}}\). Μια συστηματική απόκλιση από τη γραμμικότητα μπορεί να υποδεικνύει συλλογή, ανασυνδυασμό ή μεταφορά φορέων που εξαρτώνται από την ένταση. Ωστόσο, η ερμηνεία θα πρέπει επίσης να λαμβάνει υπόψη τον τρόπο με τον οποίο ο κώδικας αλλάζει την κλίμακα της οπτικής του διέγερσης και τη αριθμητική σύγκλιση κάθε σημείου.

Οι δύο μετρήσεις έντασης παρέχουν συμπληρωματικές πληροφορίες: η μέτρηση Suns–Voc εξετάζει την τάση που δημιουργείται χωρίς εξωτερικό ρεύμα, ενώ η μέτρηση Suns–Jsc εξετάζει το ρεύμα που συλλέγεται σε σχεδόν μηδενική εφαρμοσμένη τάση. Θα πρέπει να ερμηνεύονται παράλληλα με την κανονική καμπύλη J–V υπό συνθήκες ενός ηλιακού φωτισμού και όχι ως υποκατάστατά της.

11. Οπτική προσομοίωση και η χωρική κατανομή της φωτοπαραγωγής.

Ο ηλεκτρικός επιλυτής απαιτεί έναν χωρικό ρυθμό φωτογένεσης, αλλά αυτός ο ρυθμός παρέχεται από τον οπτικό υπολογισμό. Στο παρόν παράδειγμα, η πηγή φωτός έχει ρυθμιστεί για το ηλιακό φάσμα AM1.5G, με την ακτινοβολία να προέρχεται από την επάνω πλευρά (y0), και το μοντέλο δημιουργίας είναι η μέθοδος της μεταφοράς μήτρας. Το φασματικό πλέγμα καλύπτει το εύρος 320–1100 nm με 201 ρυθμισμένα σημεία μήκους κύματος· ένα ξεχωριστό οπτικό χωρικό πλέγμα καλύπτει ολόκληρη τη συσκευή των 3,4 µm με 200 ρυθμισμένα σημεία. Αυτά είναι οπτικές διακριτοποιήσεις και διαφέρουν από το ηλεκτρικό πλέγμα που περιγράφηκε προηγουμένως.

Ανοίξτε τη διεπαφή οπτικοποίησης και επιλέξτε τις διαθέσιμες καρτέλες εξόδου (??–??). Οι εικόνες οθόνης απεικονίζουν τις διάφορες προβολές οπτικοποίησης, συμπεριλαμβανομένων των προβολών που ενδέχεται να εμφανίζονται με λίγα ή καθόλου δεδομένα για συγκεκριμένες επιλεγμένες ποσότητες. Μια κενή οθόνη δεν θα πρέπει να ερμηνεύεται αυτόματα ως μηδενική οπτική απορρόφηση: πρώτα, ελέγξτε εάν έχει εκτελεστεί η σχετική οπτική υπολογιστική διαδικασία, εάν υπάρχει ένα κατάλληλο σύνολο δεδομένων εξόδου και εάν τα εύρη μήκους κύματος ή χώρου του καλύπτονται από τους επιλεγμένους άξονες.

Η μέθοδος της μήτρας μεταφοράς αξιολογεί τον τρόπο με τον οποίο οι οπτικές κυματικές συναρτήσεις που διαδίδονται προς τα εμπρός και προς τα πίσω αλληλεπιδρούν με μια στοίβα στρώσεων που έχουν σύνθετους δείκτες διάθλασης \(\tilde n(\lambda)=n(\lambda)+ik(\lambda)\). Η λύση πεδίου της μπορεί να λάβει υπόψη την ανάκλαση και την συμβολή· η τοπική απορρόφηση μετατρέπεται στη συνέχεια σε ρυθμό παραγωγής χρησιμοποιώντας την ενέργεια των φωτονίων. Για τον απορροφητή GaAs, ο συντελεστής απορρόφησης που εξαρτάται από το μήκος κύματος αποτελεί μια ουσιαστική είσοδο, επειδή καθορίζει πού απορροφώνται τα φωτόνια διαφορετικών ενεργειών μέσα στην στρώση των 2,8 µm.

Δώστε ιδιαίτερη προσοχή κατά την ερμηνεία των οπτικών δεδομένων AlGaAs. Το ηλεκτρικό μοντέλο υλικού χρησιμοποιεί μια ρητά καθορισμένη κλάσμα κράματος, ενώ η επιλεγμένη βάση δεδομένων οπτικών υλικών αναφέρεται ανεξάρτητα. Πριν χρησιμοποιήσετε τον υπολογισμό για ποσοτικό φασματικό σχεδιασμό, βεβαιωθείτε ότι το σύνολο δεδομένων Inorganic/AlGaAs/Adachi παρέχει πράγματι την κατάλληλη εξάρτηση σύνθεσης στα σχετικά μήκη κύματος. Ένα ηλεκτρικό κλάσμα κράματος 0,30 δεν αποδεικνύει ότι κάθε οπτική σταθερά μεταβάλλεται σωστά με τη σύνθεση.

Ομοίως, η προσομοιωμένη μονοδιάστατη δομή απλοποιεί την οπτική γεωμετρία. Δεν μοντελοποιεί ανεξάρτητα μια κατασκευασμένη μεταλλική πλέξη στην πρόσοψη, την πλευρική διάχυση του ρεύματος, την επιφανειακή υφή, τις λεπτομερείς αντι-ανακλαστικές επιστρώσεις ή τις ατέλειες που εισάγονται από μια πραγματική επιταξιακή διαδικασία, εκτός εάν αυτές οι παράμετροι συμπεριληφθούν συγκεκριμένα στα οπτικά και ηλεκτρικά μοντέλα. Ως εκ τούτου, η οπτική ανάλυση είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για την κατανόηση των τάσεων και τον εντοπισμό πιθανών φασματικών απωλειών, ενώ η σύγκριση με μετρημένα στοιχεία απαιτεί μια προσεκτικά προσαρμοσμένη δομή και βαθμονομημένα δεδομένα υλικών.

12. Υποθέσεις, έλεγχοι και περιορισμοί.

Αυτό το παράδειγμα θα πρέπει να θεωρείται ως μια απλή αριθμητική επίδειξη μιας ετεροσύνδεσης AlGaAs/GaAs, και όχι ως μια επικυρωμένη πρόβλεψη της πιστοποιημένης απόδοσης ενός συγκεκριμένου κατασκευασμένου ηλιακού στοιχείου. Η τετραστρωματική δομή, οι επαφές και η διαμόρφωση πλέγματος προέρχονται από τη διαθέσιμη διαμόρφωση προσομοίωσης και οι στιγμιότυπα οθόνης δείχνουν ότι έχουν προετοιμαστεί αρκετοί υπολογισμοί και προβολές εξόδου. Μια αξιόπιστη ποσοτική πρόβλεψη απαιτεί επιπλέον ανεξάρτητα επαληθευμένα υλικά, οπτικές ιδιότητες, συντελεστές ανασύνθεσης, ποιότητα επαφών και αριθμητική σύγκλιση.

Γεωμετρία και διαστατικότητα. Ο τρισδιάστατος προβολέας είναι μια οπτική αναπαράσταση· η ηλεκτρική και οπτική εξάρτηση από το βάθος σε αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα είναι μονοδιάστατη. Εφέ όπως η σκίαση της μπροστινής πλέγματος, οι απώλειες στις άκρες, η πλευρική πτώση τάσης και οι ανομοιογενείς επαφές δεν περιλαμβάνονται σε αυτή τη βασική μονοδιάστατη περιγραφή.

Συνέπεια μεταξύ του υλικού και του μοντέλου. Η ενεργειακή ζώνη και η συγγένεια των ηλεκτρονίων σε ένα κράμα με σύνθεση που επηρεάζει τις ιδιότητές του θα πρέπει να προέρχονται από συνεπή μοντέλα. Τα ηλεκτρικά σενάρια Lua και τα οπτικά σύνολα δεδομένων \(n,k\) αποτελούν διακριτές εισόδους. Οποιαδήποτε τροποποίηση που εφαρμόζεται μόνο στη μία πλευρά μπορεί να δημιουργήσει ακούσια τεχνητές ασυνέχειες, ειδικά στην ετεροδιάσυνδεση.

Ανασυνδυασμός και διεπιφάνειες. Υπάρχουν ρυθμίσεις για τον ανασυνδυασμό σε όγκο υλικού (bulk SRH), αλλά αυτό δεν αποδεικνύει ότι μια πραγματική διεπιφάνεια AlGaAs/GaAs έχει αναπαρασταθεί με μια πειραματικά επικυρωμένη ταχύτητα ανασυνδυασμού διεπιφάνειας. Η πραγματική ποιότητα της διεπιφάνειας μπορεί να επηρεάσει την μετρούμενη τάση και τη συλλογή φορέων. Οι αλλαγές στις παγίδες και στις ακτινοβολικές/Auger διεργασίες θα πρέπει να ελεγχθούν μία προς μία και να εξεταστούν μέσω των προφίλ ρυθμού.

Αριθμητική αναπαραγωγιμότητα. Ελέγξτε τη σύγκλιση του προγράμματος για ολόκληρη την περιοχή J–V και την περιοχή σάρωσης της έντασης, εκτελέστε βελτίωση του πλέγματος κοντά στην ετεροδιάσυνδεση και ελέγξτε εάν οι βασικές φωτοβολταϊκές μετρήσεις και τα εσωτερικά προφίλ είναι σταθερά. Η αποτυχία ενός συγκεκριμένου σημείου υψηλής έντασης δεν αποτελεί απόδειξη φυσικού φαινομένου της συσκευής. Χρησιμοποιήστε μια αμετάβλητη βασική γραμμή για να διακρίνετε τις φυσικές τάσεις από την ευαισθησία του επιλυτή.

Ερμηνεία των στιγμιότυπων οθόνης. Κάθε στιγμιότυπο αντιπροσωπεύει μια συγκεκριμένη κατάσταση που επιλέχθηκε από τα αποθηκευμένα δεδομένα της προσομοίωσης, και οι αριθμοί των εικόνων σε αυτό το εκπαιδευτικό υλικό αναφέρονται στον δείκτη του στιγμιότυπου, και όχι στην εγγυημένη εφαρμοσμένη τάση. Διαβάστε την πραγματική σημείωση τάσης στο γράφημα του OghmaNano πριν συσχετίσετε μια αριθμητική τιμή τάσης με ένα συγκεκριμένο προφίλ. Αποφύγετε να συμπεράνετε μια αριθμητική τιμή για το \(V_{OC}\), \(J_{SC}\), τον συντελεστή πλήρωσης ή την απόδοση από μια μικρή εικόνα, όταν το αρχείο δεδομένων εξόδου παρέχει τις ακριβείς τιμές.

13. Προτεινόμενες εξετάσεις.