Προσομοίωση μιας ηλιακής κυψέλης ετεροσύνδεσης GaAs/AlGaAs.

1. Εισαγωγή: Φωτοβολταϊκά στοιχεία GaAs και οι εφαρμογές τους.

Τα ηλιακά κύτταρα από αρσενικούχο γάλλιο (GaAs) χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπου η υψηλή απόδοση μετατροπής, το μικρό βάρος και η αξιοπιστία είναι πιο σημαντικά από το κόστος. Το GaAs είναι ένας ημιαγωγός άμεσου ενεργειακού διακένου με ενεργειακό διάκενο περίπου 1,42 eV, γεγονός που επιτρέπει την αποτελεσματική απορρόφηση του ηλιακού φωτός σε βάθος λίγων μικρομέτρων του υλικού. Αυτό το καθιστά ιδιαίτερα ελκυστικό για φωτοβολταϊκές συσκευές υψηλής απόδοσης.

Τα ηλιακά κύτταρα με βάση το GaAs χρησιμοποιούνται ευρέως σε δορυφόρους και διαστημόπλοια, όπου η διαθέσιμη επιφάνεια είναι περιορισμένη και η αντοχή στην ακτινοβολία είναι σημαντική (??). Χρησιμοποιούνται επίσης σε φωτοβολταϊκά συστήματα συγκέντρωσης, όπου το ηλιακό φως συγκεντρώνεται σε ένα μικρό ημιαγωγικό κύτταρο, και σε εξειδικευμένες εφαρμογές, όπως σε αεροσκάφη μεγάλης εμβέλειας και σε μετατροπείς ισχύος λέιζερ. Τα σύγχρονα ηλιακά κύτταρα για διαστημικές εφαρμογές συνδυάζουν συχνά το GaAs με άλλα ημιαγωγά της ομάδας III–V σε πολυδιάστατες δομές, προκειμένου να επιτευχθεί υψηλότερη απόδοση.

Σε αυτό το εκπαιδευτικό υλικό, προσομοιώνουμε μια ετεροσύνδεση ηλιακών κυψελών GaAs/AlGaAs. Ένα λεπτό στρώμα AlGaAs με μεγαλύτερο ενεργειακό χάσμα τοποθετείται πάνω από την περιοχή σύνδεσης GaAs για να μειώσει την ανεπιθύμητη απορρόφηση και τις απώλειες λόγω επιφανειακού συνδυασμού. Χρησιμοποιώντας το OghmaNano, εξετάζουμε πώς η συσκευή απορροφά το ηλιακό φως, μεταφέρει τους φωτοπαραγόμενους φορείς και παράγει ηλεκτρική ενέργεια, συνδυάζοντας υπολογισμούς οπτικής μήτρας μεταφοράς με μοντελοποίηση διάχυσης-μεταφοράς.

2. Δημιουργία και κατανόηση της ηλιακής κυψέλης GaAs/AlGaAs.

Θα προσομοιώσουμε ένα ετεροσύνδεσμο ηλιακό στοιχείο GaAs/Al0,3Ga0,7As, το οποίο αποτελείται από ένα λεπτό στρώμα AlGaAs με μεγάλο ενεργειακό χάσμα, το οποίο λειτουργεί ως παράθυρο πάνω από μια p–n σύνδεση GaAs. Παρόλο που είναι σχετικά απλή, αυτή η συσκευή απεικονίζει διάφορες σημαντικές πτυχές της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας III–V, συμπεριλαμβανομένης της οπτικής απορρόφησης, της δημιουργίας φορέων φορτίου, της μεταφοράς μέσω διάχυσης και ολίσθησης, της ανασύνθεσης και της επίδρασης των ετεροσυνδέσεων ημιαγωγών στη συλλογή φορέων.

Για να ξεκινήσετε, ανοίξτε το OghmaNano και κάντε κλικ στην επιλογή "Νέα προσομοίωση" στην καρτέλα "Αρχείο". Αυτό θα ανοίξει τη βιβλιοθήκη συσκευών (??). Κάντε διπλό κλικ στην επιλογή "Δείγματα GaAs" για να ανοίξετε τις διαθέσιμες προσομοιώσεις GaAs (??). Επιλέξτε το "Ετεροσύνδεση ηλιακού στοιχείου GaAs/Al0.3Ga0.7As", επιλέξτε έναν φάκελο προορισμού και κάντε κλικ στην επιλογή "Αποθήκευση".

Μόλις φορτωθεί, το OghmaNano εμφανίζει τη συσκευή στην καρτέλα «Δομή συσκευής» (??). Τα πράσινα βέλη υποδεικνύουν τον φωτισμό από πάνω, ενώ οι χρωματιστές περιοχές αντιπροσωπεύουν τις τέσσερις ημιαγωγικές στρώσεις. Η δομή και οι ιδιότητες των υλικών μπορούν να τροποποιηθούν χρησιμοποιώντας τον επεξεργαστή στρώσεων και τον επεξεργαστή ηλεκτρικών παραμέτρων.

Η συσκευή αποτελείται από τέσσερις ημιαγωγικές στρώσεις, διατεταγμένες από την επιφάνεια που εκτίθεται στο φως έως την οπίσθια επαφή:

Ο απορροφητής GaAs είναι υπεύθυνος για τη μετατροπή των προσπίπτοντων φωτονίων σε ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών. Το GaAs έχει άμεσο ενεργειακό χάσμα περίπου 1,42 eV, γεγονός που του προσδίδει υψηλό συντελεστή απορρόφησης και επιτρέπει την απορρόφηση του ηλιακού φωτός σε μια σχετικά λεπτή ημιαγωγική στρώση. Ο εκπομπός τύπου p και ο απορροφητής τύπου n σχηματίζουν την κύρια φωτοβολταϊκή σύνδεση. Η διάχυση των φορέων σε αυτή τη σύνδεση δημιουργεί μια περιοχή εξάντλησης και ένα ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο βοηθά στον διαχωρισμό των φωτοπαραγόμενων ηλεκτρονίων και οπών και στη μεταφορά τους προς τις αντίστοιχες επαφές τους. Το παράθυρο Al0,3Ga0,7As εισάγει μια ημιαγωγική ετεροσύνδεση στην φωτιζόμενη επιφάνεια. Η προσθήκη αλουμινίου αυξάνει το ενεργειακό χάσμα σε σχέση με το GaAs, καθιστώντας το παράθυρο πιο διαφανές στα φωτόνια που μπορούν να απορροφηθούν στο υποκείμενο GaAs. Η διαφορά στην ηλεκτρονιακή συγγένεια και στο ενεργειακό χάσμα παράγει επίσης ασυνέχειες στις ζώνες αγωγιμότητας και σθένους στη διεπαφή. Αυτά μπορούν να βοηθήσουν στην καταστολή της μεταφοράς μειονοτικών φορέων προς την πρόσθια επιφάνεια, μειώνοντας τις απώλειες λόγω ανασύνθεσης, αν και υπερβολικά μεγάλα ενεργειακά χάσματα μπορούν να εμποδίσουν την εξαγωγή των φορέων. Η έντονα ντοπαρισμένη στρώση p+ του παραθύρου και η στρώση n+ της οπίσθιας επαφής βοηθούν επίσης στην παροχή ηλεκτρικών συνδέσεων χαμηλής αντίστασης. Στο πίσω μέρος, η μετάβαση μεταξύ του ελαφρά ντοπαρισμένου απορροφητή και της έντονα ντοπαρισμένης στρώσης επαφής δημιουργεί ένα επιπλέον ηλεκτρικό πεδίο που μπορεί να απωθήσει τις μειονοτικές οπές από την οπίσθια επαφή. Ο συνδυασμός του πάχους της στρώσης, της ντόπας και της ευθυγράμμισης των ζωνών καθορίζει, επομένως, πόσο αποτελεσματικά τα απορροφημένα φωτόνια μετατρέπονται σε ηλεκτρικό ρεύμα.

Η δομή της συσκευής μπορεί να εξεταστεί και να τροποποιηθεί κάνοντας κλικ στο κουμπί του επεξεργαστή στρώσεων στην αριστερή πλευρά της καρτέλας «Δομή συσκευής» στο κύριο παράθυρο. Το κουμπί απεικονίζεται με τρεις χρωματιστές οριζόντιες γραμμές που αναπαριστούν μια συσκευή με στρώσεις. Αυτό ανοίγει τον επεξεργαστή στρώσεων (??), όπου μπορεί να αλλάξει το πάχος, το οπτικό υλικό και ο τύπος κάθε στρώσης. Το πάχος της στρώσης είναι ιδιαίτερα σημαντικό στις ηλιακές κυψέλες, επειδή καθορίζει πόσο φως απορροφάται και πόσο πρέπει να διανύσουν οι φωτογεννημένοι φορείς πριν φτάσουν στις επαφές.

Η ηλεκτρική κορδέλα (??) παρέχει πρόσβαση στους επεξεργαστές προσμίξεων/ιόντων και κλίσεων/τάσεων. Ο επεξεργαστής προσμίξεων (??) ελέγχει τις συγκεντρώσεις των δοτών και των αποδεκτών σε όλη τη συσκευή. Αυτές καθορίζουν τη θέση και το πλάτος της περιοχής εξάντλησης, το ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο και την ηλεκτρική αγωγιμότητα κάθε στρώσης. Ως εκ τούτου, η αλλαγή της προσμίξεως μπορεί να επηρεάσει σημαντικά τη συλλογή φορέων, την ανασυνδυασμό και τα επακόλουθα χαρακτηριστικά J–V.

Ο επεξεργαστής Κλίσεων/Τάσεων (??) ελέγχει τις μεταβλητές σύνθεσης υλικού \(x\), \(y\) και \(z\). Αυτές μπορούν να καθοριστούν ανεξάρτητα στην αρχή και στο τέλος κάθε στρώσης, επιτρέποντας την προσομοίωση τόσο ομοιογενών όσο και στρωματοποιημένων ημιαγωγικών δομών. Για κράματα όπως το AlxGa1-xAs, το κλάσμα αλουμινίου επηρεάζει το ενεργειακό χάσμα και την ευθυγράμμιση των ζωνών με το GaAs. Η αλλαγή της σύνθεσης του κράματος παρέχει επομένως έναν τρόπο για να διερευνηθεί πώς οι μετατοπίσεις ζωνών στις ετεροσυνδέσεις επηρεάζουν τη μεταφορά και την ανασυνδυασμό των φορέων. Η ερμηνεία κάθε μεταβλητής σύνθεσης καθορίζεται από το επιλεγμένο μοντέλο ημιαγωγικού υλικού.

3. Εκτέλεση της προσομοίωσης και εξέταση των αποτελεσμάτων.

Για να εκτελέσετε την προσομοίωση του ηλιακού στοιχείου GaAs/AlGaAs, κάντε κλικ στο μπλε κουμπί. Εκτέλεση προσομοίωσης. κουμπί μέσα στο Αρχείο κορδέλα ή πατήστε F9Άνοιξε το. Τερματικός σταθμός πίνακας για να παρακολουθήσετε τον υπολογισμό (??). Αρχικά, η έξοδος στην οθόνη μπορεί να φαίνεται περίπλοκη, με πολλές γραμμές αριθμητικών πληροφοριών. Ωστόσο, η έξοδος είναι σχετικά εύκολη στην ερμηνεία, μόλις κατανοήσετε τι αντιπροσωπεύει κάθε μέρος.

Το πρώτο στάδιο της προσομοίωσης είναι ο οπτικός υπολογισμός, ο οποίος απεικονίζεται με το έγχρωμο κείμενο στην κορυφή του ??. Το OghmaNano υπολογίζει την οπτική απορρόφηση και τη φωτογένεση σε διαφορετικά μήκη κύματος σε όλο το φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας. Μόλις ολοκληρωθεί αυτός ο υπολογισμός, το πρόγραμμα ξεκινά τη σάρωση τάσης-ρεύματος (J–V), εφαρμόζοντας μια σειρά από τάσεις στο ηλιακό κύτταρο και υπολογίζοντας την αντίστοιχη πυκνότητα ρεύματος.

Κάθε γραμμή στον υπολογισμό J–V αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη εφαρμοσμένη τάση. Η τιμή που φέρει την ένδειξη top= δίνει την τάση που εφαρμόζεται στην επάνω επαφή, ενώ η btm= δίνει την τάση στην κάτω επαφή, η οποία διατηρείται στα 0 V. Η υπολογιζόμενη πυκνότητα ρεύματος εμφανίζεται σε A/m² δίπλα στην εφαρμοσμένη τάση. Η ποσότητα f()= είναι το αριθμητικό υπόλοιπο του ηλεκτρικού επιλυτή, υποδεικνύοντας πόσο ακριβώς η υπολογιζόμενη λύση ικανοποιεί τις εξισώσεις των ημιαγωγών. Μικρότερα υπόλοιπα υποδεικνύουν καλύτερη αριθμητική σύγκλιση.

Καθώς αυξάνεται η εφαρμοσμένη τάση, το φωτορεύμα μειώνεται σταδιακά σε μέγεθος. Στο ??, η μεταβολή της τάσης πλησιάζει την τάση ανοικτού κυκλώματος, VOC. Μεταξύ περίπου 0,92 V και 0,94 V, η πυκνότητα ρεύματος αλλάζει από αρνητική σε θετική, υποδεικνύοντας ότι το συνολικό ρεύμα έχει περάσει από το μηδέν. Αυτή είναι η κατάσταση ανοικτού κυκλώματος, όπου το ρεύμα της διόδου σε άμεση πόλωση ισορροπεί ακριβώς με το φωτοπαραγόμενο ρεύμα. Η προσομοίωση συνεχίζεται πέρα από την VOC για να χαρακτηριστεί η περιοχή άμεσης πόλωσης της καμπύλης J–V, πριν σταματήσει όταν υπερβεί η καθορισμένη μέγιστη τάση των 1,25 V.

Για κάθε εφαρμοσμένη τάση, το OghmaNano επιλύει την εξίσωση Poisson μαζί με τις εξισώσεις μεταφοράς-διάχυσης και συνέχειας των φορέων. Αυτές περιγράφουν πώς η ηλεκτροστατική δυναμική, οι συγκεντρώσεις ηλεκτρονίων και οπών και τα ρεύματα των φορέων μεταβάλλονται σε όλη τη συσκευή:

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

Εδώ, το \(G\) είναι ο ρυθμός φωτοπαραγωγής που υπολογίζεται από το οπτικό μοντέλο, ενώ το \(R\) αντιπροσωπεύει την ανασυνδυασμό φορέων, ο οποίος μπορεί να περιλαμβάνει ακτινοβολιακό ανασυνδυασμό, ανασυνδυασμό Shockley–Read–Hall και ανασυνδυασμό Auger. Η ισορροπία μεταξύ της παραγωγής, του ανασυνδυασμού και της εξαγωγής φορέων καθορίζει την ηλεκτρική απόδοση του ηλιακού στοιχείου. Για περισσότερες πληροφορίες, δείτε τη θεωρία της μοντελοποίησης διάχυσης-παρασυρμού.

Όταν ολοκληρωθεί ο υπολογισμός, επιλέξτε την καρτέλα "Έξοδος" (??). Το OghmaNano αποθηκεύει τα αποτελέσματά του στον φάκελο της προσομοίωσης, συμπεριλαμβανομένου του jv.csv, ο οποίος περιέχει την καμπύλη J–V, και του sim_info.dat, ο οποίος περιέχει τις κύριες φωτοβολταϊκές παραμέτρους. Οι φάκελοι optical_output και snapshots περιέχουν επιπλέον πληροφορίες σχετικά με την οπτική και ηλεκτρική συμπεριφορά. Ανατρέξτε στην τεκμηρίωση αρχείων εξόδου για περισσότερες λεπτομέρειες.

Κάντε διπλό κλικ στο jv.csv για να εμφανιστεί η φωτεινή καμπύλη J–V (??). Το ρεύμα παραμένει περίπου σταθερό υπό αντίστροφη πόλωση και μικρή εμπρόσθια πόλωση, πριν αυξηθεί απότομα καθώς η εφαρμοσμένη τάση πλησιάζει την τάση ανοικτού κυκλώματος. Κάντε διπλό κλικ στο sim_info.dat για να εξετάσετε τις μετρημένες επιδόσεις της συσκευής (??).

Τα κύρια αποτελέσματα από την προσομοίωση του ηλιακού στοιχείου GaAs/AlGaAs συνοψίζονται παρακάτω.

Η πυκνότητα ρεύματος βραχυκυκλώματος, JSC, μετρά το φωτορεύμα όταν η εφαρμοσμένη τάση είναι μηδέν. Το αρνητικό του πρόσημο αντικατοπτρίζει τη σύμβαση ότι το φωτοβολταϊκό ρεύμα ρέει αντίθετα προς το ρεύμα της διόδου σε άμεση πόλωση. Η τιμή του, περίπου 26,9 mA cm⁻², υποδεικνύει ότι ένα σημαντικό μέρος της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας μετατρέπεται σε συλλεγμένους φορείς φορτίου.

Η τάση ανοικτού κυκλώματος, VOC, είναι η τάση στην οποία το καθαρό ρεύμα γίνεται μηδέν. Υπό αυτές τις συνθήκες, η φωτογένεση εξισορροπείται από την ανασυνδυασμό και η συσκευή δεν μπορεί πλέον να παρέχει ρεύμα σε ένα εξωτερικό κύκλωμα. Η υπολογιζόμενη τιμή VOC των 0,922 V είναι χαμηλότερη από την ενσωματωμένη τάση των 1,387 V, γεγονός που αντανακλά την επίδραση της ανασυνδυασμού και τον πεπερασμένο αριθμό φορέων που διατηρούνται υπό φωτισμό. Για περισσότερες πληροφορίες, δείτε υπολογισμός της ενσωματωμένης δυναμικής.

Ο συντελεστής πληρότητας περιγράφει πόσο κοντά πλησιάζει η καμπύλη J–V σε ένα ιδανικό ορθογώνιο σχήμα, ενώ η απόδοση μετατροπής ισχύος δίνει το ποσοστό της προσπίπτουσας οπτικής ισχύος που μετατρέπεται σε ηλεκτρική ισχύ:

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

Για μια στιγμιαία πυκνότητα ισχύος των 1000 W m⁻² υπό φωτισμό AM1.5G, η υπολογιζόμενη μέγιστη πυκνότητα ισχύος των 200,48 W m⁻² αντιστοιχεί σε απόδοση μετατροπής ισχύος 20,05%. Ο συντελεστής πληρότητας, περίπου 80,8%, υποδεικνύει ότι η προσομοιωμένη συσκευή διατηρεί ένα σημαντικό φωτορεύμα σε μεγάλο μέρος του εύρους της τάσης λειτουργίας της. Το σημείο μέγιστης ισχύος εμφανίζεται περίπου στα 0,80 V. Η ακριβής θέση του εξαρτάται από την ανάλυση τάσης που επιλέγεται στον J–V editor.

Η προσομοιωμένη απόδοση, περίπου 20%, αποδεικνύει την υψηλή φωτοβολταϊκή απόδοση που μπορεί να επιτευχθεί με ηλιακά κύτταρα που βασίζονται στο GaAs. Το άμεσο ενεργειακό χάσμα του GaAs επιτρέπει την ισχυρή οπτική απορρόφηση, ενώ το στρώμα AlGaAs βοηθά στη μείωση των οπτικών απωλειών και των απωλειών λόγω ανασύνθεσης στην πρόσθια επιφάνεια. Μπορούν να επιτευχθούν περαιτέρω βελτιώσεις βελτιστοποιώντας το πάχος των στρωμάτων, τις συγκεντρώσεις προσμίξεων και τον οπτικό σχεδιασμό. Για παράδειγμα, η προσθήκη μιας αντι-ανακλαστικής επίστρωσης μπορεί να αυξήσει το ποσοστό της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας που απορροφάται από τη συσκευή· δείτε το εκπαιδευτικό πρόγραμμα για αντι-ανακλαστικές επιστρώσεις.

5. Εξετάστε την οπτική προσομοίωση.

Κάντε κλικ στην καρτέλα "Οπτικά" στην κορυφή του κύριου παραθύρου για να ανοίξετε την οπτική γραμμή εργαλείων (??). Σημειώστε ότι η ένταση του φωτός (σε μονάδες "Ήλιου") έχει ρυθμιστεί σε 1,0. Κάντε κλικ στην επιλογή "Μετατροπή Πίνακα" για να ανοίξετε τον επεξεργαστή προσομοίωσης οπτικών.

Η εργαλειοθήκη του επεξεργαστή σάς επιτρέπει να επιλέξετε τον τρόπο υπολογισμού του οπτικού προφίλ δημιουργίας: Μέθοδος μεταφοράς μήτρας, πεπερασμένων διαφορών TMM ή απλούστερα προφίλ (εκθετικό προφίλ, επίπεδο προφίλ, από αρχείο, από φάσματα QE, σταθερή τιμή). Σε αυτό το παράδειγμα, το επισημασμένο μοντέλο είναι η μέθοδος πεπερασμένων διαφορών TMM. Οι μέθοδοι μήτρας μεταφοράς αντιμετωπίζουν τη συσκευή ως μια στοίβα λεπτών υμενίων και υπολογίζουν τα οπτικά πεδία που διαδίδονται προς τα εμπρός και προς τα πίσω σε κάθε στρώση, λαμβάνοντας υπόψη την ανάκλαση και την συμβολή σε κάθε διεπαφή και την απορρόφηση εντός κάθε στρώσης. Κάντε κλικ στην επιλογή "Εκτέλεση οπτικής προσομοίωσης" για να υπολογίσετε ξανά τα οπτικά πεδία χωρίς να εκτελέσετε ξανά το ηλεκτρικό μοντέλο. Για περισσότερες πληροφορίες, δείτε τα Τι είναι η μέθοδος μήτρας μεταφοράς και η μέθοδος μήτρας μεταφοράς στο OghmaNano. Η καρτέλα "Κατανομή φωτονίων" (??) εμφανίζει την πυκνότητα των φωτονίων ως συνάρτηση του μήκους κύματος και του βάθους, και η καρτέλα "Απορροφούμενη κατανομή φωτονίων" (??) εμφανίζει πού απορροφούνται αυτά τα φωτόνια. Οι καρτέλες "Ρυθμός δημιουργίας", "Ανακλώμενο φως" και "Διαπερατό φως" παρέχουν το ολοκληρωμένο προφίλ δημιουργίας και τα φάσματα ανάκλασης και μετάδοσης.

Αρκετά χαρακτηριστικά είναι εμφανή σε αυτούς τους χάρτες:

• Τα μικρά μήκη κύματος απορροφώνται κοντά στην επιφάνεια. Το GaAs απορροφά έντονα το μπλε φως, επομένως αυτά τα φωτόνια απορροφώνται μέσα στις πρώτες εκατοντάδες νανόμετρα, στον εκπομπό και κοντά στη συμβολή.
• Μεγαλύτερα μήκη κύματος διεισδύουν σε μεγαλύτερο βάθος και απορροφώνται σε όλη την περιοχή του απορροφητή n-GaAs. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ο απορροφητής πρέπει να έχει πάχος μερικών μικρομέτρων.
• Πάνω από περίπου τα 870 nm, τα φωτόνια διαπερνούν ολόκληρη τη συσκευή χωρίς να απορροφηθούν. Αυτά τα φωτόνια έχουν ενέργειες χαμηλότερες από το ενεργειακό χάσμα του GaAs και δεν μπορούν να δημιουργήσουν φορείς.
• Οι σκούρες οριζόντιες γραμμές σε συγκεκριμένα μήκη κύματος (για παράδειγμα, κοντά στα 760 nm) αντιστοιχούν σε πτώσεις στο φάσμα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας AM1.5G, οι οποίες προκαλούνται από την ατμοσφαιρική απορρόφηση, και όχι σε χαρακτηριστικά της συσκευής.

Κάθε φωτόνιο που απορροφάται στο GaAs δημιουργεί ένα ζεύγος ηλεκτρονίου-οπής· η πυκνότητα αυτών των απορροφημένων φωτονίων καθορίζει τον ρυθμό δημιουργίας \(G\) στις εξισώσεις μεταφοράς-διάχυσης. Το παράθυρο AlGaAs έχει μεγαλύτερο ενεργειακό χάσμα από το GaAs, επομένως τα φωτόνια με ενέργειες μεταξύ των δύο ενεργειακών χασμάτων περνούν μέσα από αυτό και απορροφώνται στο GaAs που βρίσκεται από κάτω, όπου τα προκύπτοντα φορείς μπορούν να συλλεχθούν. Τα φωτόνια που απορροφώνται στο ίδιο το παράθυρο ή στο GaAs πολύ κοντά σε μια μη παθητικοποιημένη επιφάνεια είναι πολύ πιο πιθανό να χαθούν λόγω ανασυνδυασμού.

6. Παράμετροι ηλεκτρικών υλικών

Επιστρέψτε στο κύριο παράθυρο, επιλέξτε την καρτέλα «Δομή συσκευής» και κάντε κλικ στην επιλογή «Ηλεκτρικές παράμετροι» στην αριστερή γραμμή εργαλείων. Αυτό ανοίγει το παράθυρο Επεξεργαστής ηλεκτρικών παραμέτρων (??), το οποίο περιέχει μια καρτέλα για κάθε ημιαγώγιμη στρώση. Στην εικόνα οθόνης, είναι επιλεγμένο το παράθυρο Al0.3Ga0.7As, με το γενικό μοντέλο υλικού AlxGa1-xAs Lua να εμφανίζεται στον επεξεργαστή κώδικα. Το κλάσμα αλουμινίου \(x\) ελέγχεται μέσω του επεξεργαστή κλίσεων/παραμόρφωσης (??). Η γραμμή εργαλείων ελέγχει επίσης τις ηλεκτρικές ιδιότητες: η διάχυση-μεταφορά και οι παγίδες ισορροπίας Shockley–Read–Hall (SRH) είναι ενεργοποιημένες, ενώ οι δυναμικές παγίδες, η επανασυνδυασμός Auger και η μεταφορά εξιτονίων είναι απενεργοποιημένες. Τα τελευταία μοντέλα είναι ιδιαίτερα χρήσιμα για ορισμένες αταξικές ημιαγώγιμες συσκευές, αλλά δεν απαιτούνται εδώ.

Το OghmaNano επιτρέπει τον άμεσο καθορισμό των ιδιοτήτων των υλικών ή τον υπολογισμό τους χρησιμοποιώντας τη βάση δεδομένων υλικών του. Για καλά χαρακτηρισμένους ανόργανους ημιαγωγούς, όπως το GaAs, το AlGaAs και το InGaAs, η βάση δεδομένων παρέχει μοντέλα για ιδιότητες όπως το ενεργειακό χάσμα, η συγγένεια των ηλεκτρονίων, η κινητικότητα των φορέων και η ανασυνδυασμός, συμπεριλαμβανομένης της εξάρτησής τους από τη σύνθεση και τη θερμοκρασία. Αυτά τα μοντέλα υλοποιούνται ως σενάρια Lua, με τα διαθέσιμα υλικά να αναφέρονται στη βιβλιοθήκη μοντέλων υλικών Lua. Όταν πατηθεί το κουμπί Script, ο προσομοιωτής χρησιμοποιεί το επιλεγμένο μοντέλο υλικού Lua. Όταν δεν πατηθεί, ο προσομοιωτής χρησιμοποιεί αντί αυτού τις τιμές που εισάγονται απευθείας στην καρτέλα Παράμετροι. Αυτή η απλούστερη προσέγγιση είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για διαταραγμένους ή λιγότερο καλά χαρακτηρισμένους ημιαγωγούς, όπου οι παράμετροι των υλικών συχνά μεταβάλλονται ανεξάρτητα.

Οι δύο προσεγγίσεις μπορούν επίσης να συνδυαστούν, όπως απεικονίζεται στην καρτέλα Παράμετροι (??). Εδώ, ιδιότητες όπως η κινητικότητα των φορέων, οι αποτελεσματικές πυκνότητες καταστάσεων, το ενεργειακό χάσμα και η ηλεκτρονιακή συγγένεια εισάγονται απευθείας, ενώ άλλες, συμπεριλαμβανομένων των παραμέτρων της παγίδας SRH, παρέχονται από το μοντέλο Lua και επισημαίνονται ως «Δείτε το σενάριο για την τιμή». Για να ελέγξετε αυτήν τη συμπεριφορά, κάντε κλικ στο βέλος δίπλα στην επιλογή Σενάριο και επιλέξτε Αντικατάσταση βάσης δεδομένων υλικών (??). Οι παραμετροι που έχουν επιλεγεί χρησιμοποιούν τις τιμές στα πλαίσια κειμένου, ενώ οι παραμετροι που δεν έχουν επιλεγεί χρησιμοποιούν τη βάση δεδομένων υλικών. Αυτό είναι χρήσιμο για τη διερεύνηση των αποκλίσεων ζώνης ετεροσύνδεσης ή για την αλλαγή μεμονωμένων παραμέτρων χωρίς να τροποποιηθεί το υποκείμενο μοντέλο υλικού. Το ίδιο μενού περιέχει επίσης την επιλογή Εισαγωγή σεναρίου υλικού, η οποία επιτρέπει την επιλογή ενός διαφορετικού μοντέλου Lua από τη βάση δεδομένων.

Σε αυτό το παράδειγμα, οι τιμές για την κινητικότητα των ηλεκτρονίων και των οπών στην κατεύθυνση y, το ενεργειακό χάσμα, η ηλεκτρονιακή συγγένεια, οι αποτελεσματικές πυκνότητες καταστάσεων και η σχετική διηλεκτρική σταθερά αντικαθίστανται, ενώ οι παράμετροι ανασύνθεσης εξακολουθούν να προέρχονται από το μοντέλο Lua. Αυτό είναι χρήσιμο κατά την διερεύνηση της ευθυγράμμισης των ενεργειακών ζωνών σε ετεροσυνδέσεις, καθώς η αλλαγή του ενεργειακού χάσματος ή της ηλεκτρονιακής συγγένειας επιτρέπει την μεταβολή των αποκλίσεων της ζώνης αγωγιμότητας και της ζώνης σθένους χωρίς να τροποποιείται η κοινή βάση δεδομένων υλικών. Οι αντικαταστάσεις μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για σαρώσεις παραμέτρων και συγκρίσεις με πειραματικά δεδομένα.

Το μενού "Script" παρέχει επίσης την επιλογή "Εισαγωγή script υλικού" για την επιλογή ενός άλλου μοντέλου υλικού από τη βάση δεδομένων. Για περισσότερες πληροφορίες, ανατρέξτε στα ορισμός ηλεκτρικών παραμέτρων με Lua, βιβλιοθήκη μοντέλων υλικών και τεκμηρίωση βάσης δεδομένων υλικών. Οι ορισμοί υλικών που είναι συγκεκριμένοι για τον χρήστη αποθηκεύονται στο oghma_local.

7. Ενεργειακές ζώνες και ψευδοεπίπεδα Fermi.

Ένα από τα πιο χρήσιμα εργαλεία για την κατανόηση μιας ημιαγωγικής συσκευής είναι το εργαλείο προβολής στιγμιότυπων. Αυτό επιτρέπει την απεικόνιση ποσοτήτων, όπως οι ενεργειακές ζώνες, οι πυκνότητες φορέων και τα ηλεκτρικά πεδία, σε διαφορετικά στάδια κατά τη διάρκεια μιας προσομοίωσης. Για παράδειγμα, κατά τη διάρκεια μιας σάρωσης J–V, το εργαλείο προβολής εμφανίζει πώς αυτές οι ποσότητες αλλάζουν με την εφαρμοζόμενη τάση, ενώ σε μια προσομοίωση μεταβατικών φαινομένων, εμφανίζει την εξέλιξή τους με την πάροδο του χρόνου. Για να ανοίξετε το εργαλείο προβολής, μεταβείτε στην καρτέλα "Έξοδος" και κάντε διπλό κλικ στον φάκελο snapshots. Η ρυθμιστική μπάρα στο κάτω μέρος του παραθύρου σάς επιτρέπει να μετακινηθείτε μεταξύ των σταδίων της προσομοίωσης. Ανατρέξτε στην τεκμηρίωση του εργαλείο προβολής στιγμιότυπων για περισσότερες πληροφορίες.

Ένα ενδιαφέρον σημείο εκκίνησης είναι η σύγκριση της συσκευής στο σκοτάδι και υπό φωτισμό. Για να προσομοιωθεί η συσκευή στο σκοτάδι, επιλέξτε την οπτική ταινία και ορίστε την ένταση του φωτός (σε μονάδες "ήλιου") σε μηδέν (??) και, στη συνέχεια, εκτελέστε ξανά την προσομοίωση. Το προκύπτον διάγραμμα ενεργειακών ζωνών σε τάση περίπου 0 V εμφανίζεται στο ??. Παρατηρήστε ότι τα επίπεδα Fermi των ηλεκτρονίων και των οπών συμπίπτουν και είναι εντελώς επίπεδα σε όλη τη συσκευή. Αυτό είναι χαρακτηριστικό της θερμικής ισορροπίας: παρόλο που οι ημιαγωγικές ζώνες κάμπτονται σημαντικά, δεν υπάρχει καθαρή ροή ρεύματος μέσω της συσκευής.

Επαναφέρετε τώρα την ένταση του φωτισμού στην τιμή 1 Sun και εκτελέστε ξανά την προσομοίωση. Το αντίστοιχο διάγραμμα ζωνών στην περιοχή περίπου 0 V εμφανίζεται στην εικόνα ??. Οι ζώνες αγωγιμότητας και σθένους παραμένουν παρόμοιες με αυτές που παρατηρήθηκαν στο σκοτάδι, αλλά τα επίπεδα ψευδο-Fermi για τα ηλεκτρόνια και τις οπές δεν συμπίπτουν πλέον. Αντίθετα, διαχωρίζονται καθώς τα φωτογεννηθέντα ηλεκτρόνια και οι οπές δημιουργούν μη ισορροπημένες συγκεντρώσεις φορέων μέσα στη συσκευή.

Εξετάζοντας πιο προσεκτικά τα διαγράμματα των ενεργειακών ζωνών, το πιο εμφανές χαρακτηριστικό είναι η έντονη κάμψη της ενεργειακής ζώνης μεταξύ περίπου 0,25 µm και 0,55 µm. Αυτό αντιστοιχεί στην περιοχή εξάντλησης της σύνδεσης p–n του GaAs. Επειδή ο απορροφητής τύπου n είναι λιγότερο προσμειγμένος από τον εκπομπό τύπου p, η περιοχή εξάντλησης εκτείνεται κυρίως στον απορροφητή. Το προκύπτον ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο βοηθά στον διαχωρισμό των ζευγών ηλεκτρονίων-οπών που δημιουργούνται από το φως, ωθώντας τα ηλεκτρόνια προς την επαφή τύπου n και τις οπές προς την επαφή τύπου p.

Ένα άλλο ενδιαφέρον χαρακτηριστικό εμφανίζεται στην φωτεινή επιφάνεια, όπου το παράθυρο AlGaAs συναντά τον εκπομπό GaAs. Η ασυνέχεια στη ζώνη αγωγιμότητας προκύπτει από τις διαφορετικές συγγένειες ηλεκτρονίων και τις διαφορετικές ενεργειακές διαφορές των δύο υλικών. Αυτή η ετεροσύνδεση δημιουργεί ένα ενεργειακό φράγμα που βοηθά στην αποτροπή της διέλευσης των μειονοτικών ηλεκτρονίων στον εκπομπό τύπου p προς την πρόσθια επιφάνεια, όπου θα μπορούσαν να συνδυαστούν. Μια μικρότερη αλλαγή είναι επίσης ορατή κοντά στο πίσω μέρος της συσκευής, η οποία αντιστοιχεί στη μετάβαση στην έντονα ντοπαρισμένη επαφειακή στρώση n+.

Η διαφορά μεταξύ των επιπέδων ψευδο-Fermi των ηλεκτρονίων και των οπών παρέχει μια μέτρηση του πόσο μακριά βρίσκεται ο ημιαγωγός από την κατάσταση ισορροπίας. Για μη εκφυλισμένες στατιστικές των φορέων, οι τοπικές συγκεντρώσεις ηλεκτρονίων και οπών σχετίζονται με αυτή τη διαφορά μέσω της εξίσωσης:

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

Υπό συνθήκες φωτισμού, η φωτογένεση αυξάνει τον αριθμό των φορέων φορτίου και δημιουργεί μια διαφορά μεταξύ των \(E_{F,n}\) και \(E_{F,p}\). Αυτή η διαφορά μπορεί να υπάρξει εντός της συσκευής, ακόμη και σε συνθήκες βραχυκυκλώματος, όπου η εξωτερικά εφαρμοζόμενη τάση είναι μηδενική. Σε συνθήκες ανοικτού κυκλώματος, η τάση στα άκρα καθορίζεται από τη διαφορά των επιπέδων quasi-Fermi που δημιουργείται στις επαφές, με το \(qV_{OC}\) να αντιστοιχεί σε αυτή τη διαφορά για ιδανικές εκλεκτικές επαφές. Η ανασύνθεση περιορίζει το μέγεθος αυτής της διαφοράς και, ως εκ τούτου, διαδραματίζει κεντρικό ρόλο στον καθορισμό της τάσης ανοικτού κυκλώματος. Μετακινώντας τον ρυθμιστή "snapshot" κατά μήκος της κλίμακας τάσης, μπορείτε να παρατηρήσετε πώς εξελίσσονται οι ενεργειακές ζώνες και τα επίπεδα quasi-Fermi καθώς το ηλιακό στοιχείο πλησιάζει την VOC.

9. Επιπλέον έρευνες.

10. Σύνοψη και όσα μάθατε.

Σε αυτό το εκπαιδευτικό υλικό, προσομοιώσαμε μια ετεροσύνδεση ηλιακού στοιχείου GaAs/Al0.3Ga0.7As, η οποία αποτελείται από ένα παράθυρο AlGaAs με μεγάλο ενεργειακό χάσμα, έναν εκπομπό GaAs τύπου p, έναν απορροφητή GaAs τύπου n και μια οπίσθια επαφή με υψηλή συγκέντρωση προσμίξεων. Υπό συνθήκες φωτισμού ενός ηλιακού κύκλου, η προσομοίωση δίνει μια πυκνότητα ρεύματος βραχυκυκλώματος 26,91 mA cm⁻², μια τάση ανοικτού κυκλώματος 0,922 V, έναν συντελεστή πληρότητας 80,8% και μια απόδοση μετατροπής ισχύος 20,05%. Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν πώς οι οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες μιας ημιαγωγικής ετεροδομής συνδυάζονται για να καθορίσουν τη φωτοβολταϊκή της απόδοση.

Μελετώντας τα προφίλ οπτικής δημιουργίας και τα διαγράμματα ενεργειακών ζωνών, παρατηρήσαμε πώς απορροφάται το ηλιακό φως στις στρώσεις GaAs, πώς το ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο διαχωρίζει τους φωτο-δημιουργημένους φορείς φορτίου και πώς η ετεροσύνδεση AlGaAs/GaAs εισάγει μετατοπίσεις ζωνών που επηρεάζουν τη μεταφορά και την ανασύνθεση των φορέων. Η σύγκριση της συσκευής στο σκοτάδι και υπό φωτισμό κατέδειξε επίσης τη σημασία της διαίρεσης της σχετικής στάθμης Fermi και της σχέσης της με την τάση ανοικτού κυκλώματος.

Τέλος, εξετάσαμε πώς το OghmaNano συνδυάζει τις υπολογιστικές μεθόδους οπτικής μεταφοράς μήτρας με την προσομοίωση διάχυσης-μεταφοράς και πώς η βάση δεδομένων υλικών Lua και το σύστημα αντικατάστασης παραμέτρων επιτρέπουν τον έλεγχο των ιδιοτήτων των ημιαγωγών. Συνολικά, αυτά τα εργαλεία παρέχουν ένα πλαίσιο για τη διερεύνηση του τρόπου με τον οποίο το πάχος της στρώσης, η προσθήκη προσμίξεων, η σύνθεση του κράματος και οι ιδιότητες των υλικών επηρεάζουν την απόδοση της συσκευής. Η ίδια προσέγγιση μπορεί να επεκταθεί σε άλλες φωτοβολταϊκές συσκευές III–V και σε ετεροδομές ημιαγωγών.