Simulazione di una cella solare a eterogiunzione GaAs/AlGaAsSimulazione di una cella solare a eterogiunzione GaAs/AlGaAs

1. Introduzione: celle solari in arseniuro di gallio e loro applicazioni1. Introduzione: celle solari in arseniuro di gallio e loro applicazioni

Le celle solari a base di arseniuro di gallio (GaAs) vengono utilizzate in applicazioni in cui l’elevata efficienza di conversione, il peso ridotto e l’affidabilità sono più importanti del costo. Il GaAs è un semiconduttore a banda proibita diretta, con una banda proibita di circa 1,42 eV, che consente di assorbire in modo efficiente la luce solare in uno strato di materiale di pochi micrometri. Questo lo rende particolarmente adatto per dispositivi fotovoltaici ad alte prestazioni.Le celle solari a base di arseniuro di gallio (GaAs) vengono utilizzate in applicazioni in cui l’elevata efficienza di conversione, il peso ridotto e l’affidabilità sono più importanti del costo. Il GaAs è un semiconduttore a banda proibita diretta, con una banda proibita di circa 1,42 eV, che consente di assorbire in modo efficiente la luce solare in uno strato di materiale di pochi micrometri. Questo lo rende particolarmente adatto per dispositivi fotovoltaici ad alte prestazioni.

Le celle solari a base di GaAs sono ampiamente utilizzate nei satelliti e nei veicoli spaziali, dove la superficie disponibile è limitata e la resistenza alle radiazioni è un fattore importante (??). Vengono utilizzate anche nei sistemi fotovoltaici a concentrazione, in cui la luce solare viene focalizzata su una piccola cella semiconduttrice, e in applicazioni specialistiche come gli aeromobili ad alta quota e i convertitori di energia laser. Le moderne celle solari per applicazioni spaziali spesso combinano il GaAs con altri semiconduttori del gruppo III–V in strutture a giunzione multipla per ottenere un’efficienza maggiore.Le celle solari a base di GaAs sono ampiamente utilizzate nei satelliti e nei veicoli spaziali, dove la superficie disponibile è limitata e la resistenza alle radiazioni è un fattore importante (??). Vengono utilizzate anche nei sistemi fotovoltaici a concentrazione, in cui la luce solare viene focalizzata su una piccola cella semiconduttrice, e in applicazioni specialistiche come gli aeromobili ad alta quota e i convertitori di energia laser. Le moderne celle solari per applicazioni spaziali spesso combinano il GaAs con altri semiconduttori del gruppo III–V in strutture a giunzione multipla per ottenere un’efficienza maggiore.

In questo tutorial, simuliamo una cella solare eterogiunzionale GaAs/AlGaAs. Uno strato sottile di AlGaAs, con una banda proibita più ampia, viene posizionato sopra la giunzione GaAs per ridurre l’assorbimento indesiderato e le perdite dovute alla ricombinazione superficiale. Utilizzando OghmaNano, analizziamo come il dispositivo assorbe la luce solare, trasporta i portatori di carica fotoeccitati e produce energia elettrica, combinando calcoli basati sulla matrice di trasferimento ottico con la modellazione a diffusione-deriva.In questo tutorial, simuliamo una cella solare eterogiunzionale GaAs/AlGaAs. Uno strato sottile di AlGaAs, con una banda proibita più ampia, viene posizionato sopra la giunzione GaAs per ridurre l’assorbimento indesiderato e le perdite dovute alla ricombinazione superficiale. Utilizzando OghmaNano, analizziamo come il dispositivo assorbe la luce solare, trasporta i portatori di carica fotoeccitati e produce energia elettrica, combinando calcoli basati sulla matrice di trasferimento ottico con la modellazione a diffusione-deriva.

2. Realizzazione e funzionamento della cella solare in GaAs/AlGaAs2. Realizzazione e funzionamento della cella solare in GaAs/AlGaAs

Simuleremo una cella solare eterogiunzionale GaAs/Al0,3Ga0,7As, composta da uno strato sottile di AlGaAs con un ampio intervallo di energia, posto sopra una giunzione p–n in GaAs. Sebbene relativamente semplice, questo dispositivo illustra diversi aspetti importanti della fotovoltaica a base di materiali del gruppo III–V, tra cui l’assorbimento ottico, la generazione di portatori di carica, il trasporto per deriva e diffusione, la ricombinazione e l’influenza delle eterogiunzioni semiconduttrici sulla raccolta dei portatori.Simuleremo una cella solare eterogiunzionale GaAs/Al0,3Ga0,7As, composta da uno strato sottile di AlGaAs con un ampio intervallo di energia, posto sopra una giunzione p–n in GaAs. Sebbene relativamente semplice, questo dispositivo illustra diversi aspetti importanti della fotovoltaica a base di materiali del gruppo III–V, tra cui l’assorbimento ottico, la generazione di portatori di carica, il trasporto per deriva e diffusione, la ricombinazione e l’influenza delle eterogiunzioni semiconduttrici sulla raccolta dei portatori.

Per iniziare, avvia OghmaNano e fai clic su «Nuova simulazione» nella barra degli strumenti «File». Si aprirà la libreria dei dispositivi (??). Fai doppio clic su «Esempi GaAs» per aprire le simulazioni GaAs disponibili (??). Seleziona la cella solare eterogiunzione GaAs/Al0.3Ga0.7As, scegli una cartella di destinazione e fai clic su «Salva».Per iniziare, avvia OghmaNano e fai clic su «Nuova simulazione» nella barra degli strumenti «File». Si aprirà la libreria dei dispositivi (??). Fai doppio clic su «Esempi GaAs» per aprire le simulazioni GaAs disponibili (??). Seleziona la cella solare eterogiunzione GaAs/Al0.3Ga0.7As, scegli una cartella di destinazione e fai clic su «Salva».

Una volta caricato, OghmaNano visualizza il dispositivo nella scheda «Struttura del dispositivo» (??). Le frecce verdi indicano l’illuminazione proveniente dall’alto, mentre le aree colorate rappresentano i quattro strati semiconduttori. La struttura e le proprietà dei materiali possono essere modificate utilizzando l’editor di strati ( editor di strati) e l’editor dei parametri elettrici.Una volta caricato, OghmaNano visualizza il dispositivo nella scheda «Struttura del dispositivo» (??). Le frecce verdi indicano l’illuminazione proveniente dall’alto, mentre le aree colorate rappresentano i quattro strati semiconduttori. La struttura e le proprietà dei materiali possono essere modificate utilizzando l’editor di strati ( editor di strati) e l’editor dei parametri elettrici.

Il dispositivo è costituito da quattro strati semiconduttori, disposti in sequenza dalla superficie illuminata al contatto posteriore:Il dispositivo è costituito da quattro strati semiconduttori, disposti in sequenza dalla superficie illuminata al contatto posteriore:

Lo strato di assorbimento in GaAs è responsabile della conversione dei fotoni incidenti in coppie elettrone-lacuna. Il GaAs ha una banda proibita diretta di circa 1,42 eV, il che gli conferisce un elevato coefficiente di assorbimento e consente di assorbire la luce solare all'interno di uno strato semiconduttore relativamente sottile. L'emettitore di tipo p e lo strato di assorbimento di tipo n formano la giunzione fotovoltaica principale. La diffusione delle cariche attraverso questa giunzione crea una regione di svuotamento e un campo elettrico intrinseco, che aiuta a separare gli elettroni e le lacune generate dalla luce e a trasportarli verso i rispettivi contatti. Lo strato di Al0,3Ga0,7As funge da finestra e introduce un'eterogiunzione semiconduttrice sulla superficie illuminata. L'aggiunta di alluminio aumenta la banda proibita rispetto al GaAs, rendendo la finestra più trasparente ai fotoni che possono essere assorbiti nello strato di GaAs sottostante. La differenza nell'affinità elettronica e nella banda proibita produce anche discontinuità nelle bande di conduzione e di valenza all'interfaccia. Queste possono contribuire a ridurre il trasporto delle cariche minoritarie verso la superficie anteriore, diminuendo le perdite per ricombinazione, anche se differenze di banda eccessivamente ampie possono ostacolare l'estrazione delle cariche. Lo strato di finestra p+ fortemente drogato e lo strato di contatto posteriore n+ contribuiscono anche a fornire connessioni elettriche a bassa resistenza. Nella parte posteriore, la transizione tra lo strato di assorbimento leggermente drogato e lo strato di contatto fortemente drogato crea un campo elettrico aggiuntivo che può respingere le lacune minoritarie dal contatto posteriore. La combinazione dello spessore dello strato, del drogaggio e dell'allineamento delle bande determina quindi l'efficienza con cui i fotoni assorbiti vengono convertiti in corrente elettrica.Lo strato di assorbimento in GaAs è responsabile della conversione dei fotoni incidenti in coppie elettrone-lacuna. Il GaAs ha una banda proibita diretta di circa 1,42 eV, il che gli conferisce un elevato coefficiente di assorbimento e consente di assorbire la luce solare all'interno di uno strato semiconduttore relativamente sottile. L'emettitore di tipo p e lo strato di assorbimento di tipo n formano la giunzione fotovoltaica principale. La diffusione delle cariche attraverso questa giunzione crea una regione di svuotamento e un campo elettrico intrinseco, che aiuta a separare gli elettroni e le lacune generate dalla luce e a trasportarli verso i rispettivi contatti. Lo strato di Al0,3Ga0,7As funge da finestra e introduce un'eterogiunzione semiconduttrice sulla superficie illuminata. L'aggiunta di alluminio aumenta la banda proibita rispetto al GaAs, rendendo la finestra più trasparente ai fotoni che possono essere assorbiti nello strato di GaAs sottostante. La differenza nell'affinità elettronica e nella banda proibita produce anche discontinuità nelle bande di conduzione e di valenza all'interfaccia. Queste possono contribuire a ridurre il trasporto delle cariche minoritarie verso la superficie anteriore, diminuendo le perdite per ricombinazione, anche se differenze di banda eccessivamente ampie possono ostacolare l'estrazione delle cariche. Lo strato di finestra p+ fortemente drogato e lo strato di contatto posteriore n+ contribuiscono anche a fornire connessioni elettriche a bassa resistenza. Nella parte posteriore, la transizione tra lo strato di assorbimento leggermente drogato e lo strato di contatto fortemente drogato crea un campo elettrico aggiuntivo che può respingere le lacune minoritarie dal contatto posteriore. La combinazione dello spessore dello strato, del drogaggio e dell'allineamento delle bande determina quindi l'efficienza con cui i fotoni assorbiti vengono convertiti in corrente elettrica.

È possibile esaminare e modificare la struttura del dispositivo facendo clic sul pulsante dell’editor di livelli, che si trova sul lato sinistro della scheda «Struttura del dispositivo» nella finestra principale. Il pulsante è rappresentato da tre barre orizzontali colorate che illustrano un dispositivo a strati. Cliccando sul pulsante si apre l’editor di livelli (??), dove è possibile modificare lo spessore, il materiale ottico e il tipo di ciascun livello. Lo spessore dei livelli è particolarmente importante nelle celle solari, poiché determina la quantità di luce assorbita e la distanza che i portatori di carica foto-generati devono percorrere prima di raggiungere i contatti.È possibile esaminare e modificare la struttura del dispositivo facendo clic sul pulsante dell’editor di livelli, che si trova sul lato sinistro della scheda «Struttura del dispositivo» nella finestra principale. Il pulsante è rappresentato da tre barre orizzontali colorate che illustrano un dispositivo a strati. Cliccando sul pulsante si apre l’editor di livelli (??), dove è possibile modificare lo spessore, il materiale ottico e il tipo di ciascun livello. Lo spessore dei livelli è particolarmente importante nelle celle solari, poiché determina la quantità di luce assorbita e la distanza che i portatori di carica foto-generati devono percorrere prima di raggiungere i contatti.

La scheda «Elettrica» (??) consente di accedere agli editor per la modifica dei parametri relativi al drogaggio/ioni e ai gradienti/deformazioni. L’editor per il drogaggio (??) controlla le concentrazioni di donatori e accettori in tutto il dispositivo. Questi parametri determinano la posizione e l’ampiezza della regione di svuotamento, il campo elettrico intrinseco e la conducibilità elettrica di ciascun livello. Di conseguenza, la modifica del drogaggio può influenzare notevolmente la raccolta delle cariche, la ricombinazione e le caratteristiche risultanti della curva J–V.La scheda «Elettrica» (??) consente di accedere agli editor per la modifica dei parametri relativi al drogaggio/ioni e ai gradienti/deformazioni. L’editor per il drogaggio (??) controlla le concentrazioni di donatori e accettori in tutto il dispositivo. Questi parametri determinano la posizione e l’ampiezza della regione di svuotamento, il campo elettrico intrinseco e la conducibilità elettrica di ciascun livello. Di conseguenza, la modifica del drogaggio può influenzare notevolmente la raccolta delle cariche, la ricombinazione e le caratteristiche risultanti della curva J–V.

L’editor dei gradienti/deformazioni (??) controlla le variabili di composizione del materiale \(x\), \(y\) e \(z\). Queste possono essere specificate in modo indipendente all’inizio e alla fine di ciascun livello, consentendo di simulare sia strutture a semiconduttore con composizione uniforme sia strutture a semiconduttore con composizione variabile. Per le leghe, come AlxGa1-xAs, la frazione di alluminio influenza il divario di banda e l’allineamento delle bande con il GaAs. Pertanto, la modifica della composizione della lega offre un modo per studiare come gli offset di banda nelle eterogiunzioni influiscono sul trasporto e sulla ricombinazione dei portatori di carica. L’interpretazione di ciascuna variabile di composizione è definita dal modello del materiale semiconduttore selezionato.L’editor dei gradienti/deformazioni (??) controlla le variabili di composizione del materiale \(x\), \(y\) e \(z\). Queste possono essere specificate in modo indipendente all’inizio e alla fine di ciascun livello, consentendo di simulare sia strutture a semiconduttore con composizione uniforme sia strutture a semiconduttore con composizione variabile. Per le leghe, come AlxGa1-xAs, la frazione di alluminio influenza il divario di banda e l’allineamento delle bande con il GaAs. Pertanto, la modifica della composizione della lega offre un modo per studiare come gli offset di banda nelle eterogiunzioni influiscono sul trasporto e sulla ricombinazione dei portatori di carica. L’interpretazione di ciascuna variabile di composizione è definita dal modello del materiale semiconduttore selezionato.

3. Esecuzione della simulazione e analisi dei risultati.3. Esecuzione della simulazione e analisi dei risultati.

Per eseguire la simulazione della cella solare GaAs/AlGaAs, fare clic sull’icona blu. Avvia la simulazione. pulsante all'interno di File nastro o pulsante F9Apri il Terminale tabella per seguire il calcolo (??). All’inizio, l’output visualizzato nel terminale potrebbe sembrare complesso, con molte righe di dati numerici che compaiono sullo schermo. Tuttavia, una volta compreso il significato di ciascuna parte, l’output diventa relativamente facile da interpretare. Per eseguire la simulazione della cella solare GaAs/AlGaAs, fare clic sull’icona blu. Avvia la simulazione. pulsante all'interno di File nastro o pulsante F9Apri il Terminale tabella per seguire il calcolo (??). All’inizio, l’output visualizzato nel terminale potrebbe sembrare complesso, con molte righe di dati numerici che compaiono sullo schermo. Tuttavia, una volta compreso il significato di ciascuna parte, l’output diventa relativamente facile da interpretare.

La prima fase della simulazione è il calcolo ottico, indicato dal testo colorato nella parte superiore di ??. OghmaNano calcola l’assorbimento ottico e la fotogenerazione a diverse lunghezze d’onda all’interno dello spettro solare incidente. Una volta completato questo calcolo, il programma avvia la scansione della curva corrente-tensione (J–V), applicando una serie di tensioni alla cella solare e calcolando la densità di corrente risultante.La prima fase della simulazione è il calcolo ottico, indicato dal testo colorato nella parte superiore di ??. OghmaNano calcola l’assorbimento ottico e la fotogenerazione a diverse lunghezze d’onda all’interno dello spettro solare incidente. Una volta completato questo calcolo, il programma avvia la scansione della curva corrente-tensione (J–V), applicando una serie di tensioni alla cella solare e calcolando la densità di corrente risultante.

Ogni riga del calcolo J–V corrisponde a una specifica tensione applicata. Il valore indicato con top= rappresenta la tensione applicata al contatto superiore, mentre btm= indica la tensione al contatto inferiore, che è mantenuta a 0 V. La densità di corrente calcolata viene visualizzata in A/m² accanto alla tensione applicata. La quantità f()= è il residuo numerico del risolutore elettrico e indica quanto la soluzione calcolata soddisfi le equazioni del semiconduttore. Residui più piccoli indicano una migliore convergenza numerica.Ogni riga del calcolo J–V corrisponde a una specifica tensione applicata. Il valore indicato con top= rappresenta la tensione applicata al contatto superiore, mentre btm= indica la tensione al contatto inferiore, che è mantenuta a 0 V. La densità di corrente calcolata viene visualizzata in A/m² accanto alla tensione applicata. La quantità f()= è il residuo numerico del risolutore elettrico e indica quanto la soluzione calcolata soddisfi le equazioni del semiconduttore. Residui più piccoli indicano una migliore convergenza numerica.

All’aumentare della tensione applicata, la fotocorrente diminuisce gradualmente di intensità. In ??, la variazione della tensione si avvicina alla tensione a circuito aperto, VOC. Tra circa 0,92 V e 0,94 V, la densità di corrente passa da negativa a positiva, il che indica che la corrente netta è passata attraverso lo zero. Questa è la condizione di circuito aperto, in cui la corrente diretta del diodo si bilancia esattamente con la corrente fotogenerata. La simulazione prosegue oltre VOC per caratterizzare la regione di polarizzazione diretta della curva J–V, per poi interrompersi quando viene superata la tensione massima specificata di 1,25 V.All’aumentare della tensione applicata, la fotocorrente diminuisce gradualmente di intensità. In ??, la variazione della tensione si avvicina alla tensione a circuito aperto, VOC. Tra circa 0,92 V e 0,94 V, la densità di corrente passa da negativa a positiva, il che indica che la corrente netta è passata attraverso lo zero. Questa è la condizione di circuito aperto, in cui la corrente diretta del diodo si bilancia esattamente con la corrente fotogenerata. La simulazione prosegue oltre VOC per caratterizzare la regione di polarizzazione diretta della curva J–V, per poi interrompersi quando viene superata la tensione massima specificata di 1,25 V.

Per ogni valore di tensione applicata, OghmaNano risolve l’equazione di Poisson insieme alle equazioni di trasporto-diffusione e di continuità dei portatori di carica. Queste equazioni descrivono come il potenziale elettrostatico, le concentrazioni di elettroni e lacune e le correnti dei portatori di carica variano all’interno del dispositivo:Per ogni valore di tensione applicata, OghmaNano risolve l’equazione di Poisson insieme alle equazioni di trasporto-diffusione e di continuità dei portatori di carica. Queste equazioni descrivono come il potenziale elettrostatico, le concentrazioni di elettroni e lacune e le correnti dei portatori di carica variano all’interno del dispositivo:

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

In questo caso, \(G\) rappresenta il tasso di fotogenerazione calcolato a partire dal modello ottico, mentre \(R\) indica la ricombinazione delle cariche, che può includere ricombinazione radiativa, ricombinazione di Shockley–Read–Hall e ricombinazione di Auger. L’equilibrio tra generazione, ricombinazione ed estrazione delle cariche determina la potenza elettrica erogata dalla cella solare. Per maggiori informazioni, consultare la sezione teoria della modellazione a deriva-diffusione.In questo caso, \(G\) rappresenta il tasso di fotogenerazione calcolato a partire dal modello ottico, mentre \(R\) indica la ricombinazione delle cariche, che può includere ricombinazione radiativa, ricombinazione di Shockley–Read–Hall e ricombinazione di Auger. L’equilibrio tra generazione, ricombinazione ed estrazione delle cariche determina la potenza elettrica erogata dalla cella solare. Per maggiori informazioni, consultare la sezione teoria della modellazione a deriva-diffusione.

Al termine del calcolo, selezionare la scheda «Output» (??). OghmaNano salva i risultati nella directory della simulazione, inclusi jv.csv, che contiene la curva J–V, e sim_info.dat, che contiene i principali parametri di merito fotovoltaici. Le directory optical_output e snapshots contengono ulteriori informazioni sul comportamento ottico ed elettrico. Per maggiori dettagli, consultare la documentazione sui file di output (output files documentation).Al termine del calcolo, selezionare la scheda «Output» (??). OghmaNano salva i risultati nella directory della simulazione, inclusi jv.csv, che contiene la curva J–V, e sim_info.dat, che contiene i principali parametri di merito fotovoltaici. Le directory optical_output e snapshots contengono ulteriori informazioni sul comportamento ottico ed elettrico. Per maggiori dettagli, consultare la documentazione sui file di output (output files documentation).

Fate doppio clic su jv.csv per visualizzare la curva J–V illuminata (??). La corrente rimane approssimativamente costante in condizioni di polarizzazione inversa e di piccola polarizzazione diretta, per poi aumentare rapidamente quando la tensione applicata si avvicina alla tensione a circuito aperto. Fate doppio clic su sim_info.dat per esaminare le prestazioni del dispositivo estratte (??).Fate doppio clic su jv.csv per visualizzare la curva J–V illuminata (??). La corrente rimane approssimativamente costante in condizioni di polarizzazione inversa e di piccola polarizzazione diretta, per poi aumentare rapidamente quando la tensione applicata si avvicina alla tensione a circuito aperto. Fate doppio clic su sim_info.dat per esaminare le prestazioni del dispositivo estratte (??).

Di seguito sono riassunti i risultati principali ottenuti dalla simulazione delle celle solari a base di GaAs/AlGaAs.Di seguito sono riassunti i risultati principali ottenuti dalla simulazione delle celle solari a base di GaAs/AlGaAs.

La densità di corrente di cortocircuito, JSC, misura la fotocorrente quando la tensione applicata è nulla. Il suo valore negativo riflette la convenzione secondo cui la corrente fotovoltaica fluisce in direzione opposta alla corrente di conduzione della giunzione. Il valore, pari a circa 26,9 mA cm⁻², indica che una parte significativa della luce solare incidente viene convertita in portatori di carica raccolti.La densità di corrente di cortocircuito, JSC, misura la fotocorrente quando la tensione applicata è nulla. Il suo valore negativo riflette la convenzione secondo cui la corrente fotovoltaica fluisce in direzione opposta alla corrente di conduzione della giunzione. Il valore, pari a circa 26,9 mA cm⁻², indica che una parte significativa della luce solare incidente viene convertita in portatori di carica raccolti.

La tensione a circuito aperto, VOC, è la tensione alla quale la corrente netta si annulla. In queste condizioni, la fotogenerazione è bilanciata dalla ricombinazione e il dispositivo non è più in grado di fornire corrente a un circuito esterno. La VOC calcolata, pari a 0,922 V, è inferiore alla tensione di soglia di 1,387 V, il che riflette l’influenza della ricombinazione e il numero finito di portatori di carica presenti in condizioni di illuminazione. Per maggiori informazioni, consultare calcolo del potenziale di soglia.La tensione a circuito aperto, VOC, è la tensione alla quale la corrente netta si annulla. In queste condizioni, la fotogenerazione è bilanciata dalla ricombinazione e il dispositivo non è più in grado di fornire corrente a un circuito esterno. La VOC calcolata, pari a 0,922 V, è inferiore alla tensione di soglia di 1,387 V, il che riflette l’influenza della ricombinazione e il numero finito di portatori di carica presenti in condizioni di illuminazione. Per maggiori informazioni, consultare calcolo del potenziale di soglia.

Il fattore di riempimento indica quanto la curva J–V si avvicina a una forma rettangolare ideale, mentre l’efficienza di conversione della potenza indica la frazione della potenza ottica incidente che viene convertita in potenza elettrica:Il fattore di riempimento indica quanto la curva J–V si avvicina a una forma rettangolare ideale, mentre l’efficienza di conversione della potenza indica la frazione della potenza ottica incidente che viene convertita in potenza elettrica:

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

Per una densità di potenza incidente di 1000 W m⁻² in condizioni di illuminazione AM1.5G, la densità di potenza massima calcolata, pari a 200,48 W m⁻², corrisponde a efficienza di conversione energetica del 20,05%Il fattore di riempimento, pari a circa l’80,8%, indica che il dispositivo simulato mantiene una corrente fotoelettrica significativa in gran parte del suo intervallo di tensione di funzionamento. Il punto di massima potenza si verifica a circa 0,80 V. La sua posizione precisa dipende dalla risoluzione di tensione selezionata nella Redattore della rivista J–V. Per una densità di potenza incidente di 1000 W m⁻² in condizioni di illuminazione AM1.5G, la densità di potenza massima calcolata, pari a 200,48 W m⁻², corrisponde a efficienza di conversione energetica del 20,05%Il fattore di riempimento, pari a circa l’80,8%, indica che il dispositivo simulato mantiene una corrente fotoelettrica significativa in gran parte del suo intervallo di tensione di funzionamento. Il punto di massima potenza si verifica a circa 0,80 V. La sua posizione precisa dipende dalla risoluzione di tensione selezionata nella Redattore della rivista J–V.

L’efficienza simulata, pari a circa il 20%, dimostra le elevate prestazioni fotovoltaiche ottenibili con celle solari a base di GaAs. La struttura a banda diretta del GaAs favorisce un’intensa assorbimento della luce, mentre lo strato di AlGaAs contribuisce a ridurre le perdite ottiche e di ricombinazione sulla superficie anteriore. Ulteriori miglioramenti possono essere ottenuti ottimizzando lo spessore degli strati, le concentrazioni di drogaggio e il design ottico. Ad esempio, l’aggiunta di un rivestimento antiriflesso può aumentare la percentuale di luce solare incidente assorbita dal dispositivo; per maggiori informazioni, consultare il tutorial sui rivestimenti antiriflesso.L’efficienza simulata, pari a circa il 20%, dimostra le elevate prestazioni fotovoltaiche ottenibili con celle solari a base di GaAs. La struttura a banda diretta del GaAs favorisce un’intensa assorbimento della luce, mentre lo strato di AlGaAs contribuisce a ridurre le perdite ottiche e di ricombinazione sulla superficie anteriore. Ulteriori miglioramenti possono essere ottenuti ottimizzando lo spessore degli strati, le concentrazioni di drogaggio e il design ottico. Ad esempio, l’aggiunta di un rivestimento antiriflesso può aumentare la percentuale di luce solare incidente assorbita dal dispositivo; per maggiori informazioni, consultare il tutorial sui rivestimenti antiriflesso.

5. Analizzare la simulazione ottica.5. Analizzare la simulazione ottica.

Fare clic sulla scheda «Ottica» nella parte superiore della finestra principale per aprire la barra degli strumenti relativa alle impostazioni ottiche (??). Si noti che l’intensità della luce (unità di misura: «Suns») è impostata su 1.0. Fare clic su «Matrice di trasferimento» per aprire l’editor della simulazione ottica.Fare clic sulla scheda «Ottica» nella parte superiore della finestra principale per aprire la barra degli strumenti relativa alle impostazioni ottiche (??). Si noti che l’intensità della luce (unità di misura: «Suns») è impostata su 1.0. Fare clic su «Matrice di trasferimento» per aprire l’editor della simulazione ottica.

La barra degli strumenti dell’editor consente di scegliere il metodo di calcolo del profilo di generazione ottica: matrice di trasferimento, metodo TMM basato sulle differenze finite o profili più semplici (profilo esponenziale, profilo piatto, da file, da spettri QE, valore costante). In questo esempio, il modello evidenziato è il metodo TMM basato sulle differenze finite. I metodi basati sulla matrice di trasferimento trattano il dispositivo come una pila di film sottili e calcolano i campi ottici che si propagano in avanti e all’indietro in ogni strato, tenendo conto della riflessione e dell’interferenza a ogni interfaccia e dell’assorbimento all’interno di ogni strato. Fare clic su «Esegui simulazione ottica» per ricalcolare i campi ottici senza rieseguire il modello elettrico. Per maggiori informazioni, consultare Cos’è il metodo della matrice di trasferimento e il metodo della matrice di trasferimento in OghmaNano. La scheda «Distribuzione dei fotoni» (??) mostra la densità dei fotoni in funzione della lunghezza d’onda e della profondità, mentre la scheda «Distribuzione dei fotoni assorbiti» (??) mostra dove vengono assorbiti tali fotoni. Le schede «Tasso di generazione», «Luce riflessa» e «Luce trasmessa» forniscono il profilo di generazione integrato e gli spettri di riflessione e trasmissione.La barra degli strumenti dell’editor consente di scegliere il metodo di calcolo del profilo di generazione ottica: matrice di trasferimento, metodo TMM basato sulle differenze finite o profili più semplici (profilo esponenziale, profilo piatto, da file, da spettri QE, valore costante). In questo esempio, il modello evidenziato è il metodo TMM basato sulle differenze finite. I metodi basati sulla matrice di trasferimento trattano il dispositivo come una pila di film sottili e calcolano i campi ottici che si propagano in avanti e all’indietro in ogni strato, tenendo conto della riflessione e dell’interferenza a ogni interfaccia e dell’assorbimento all’interno di ogni strato. Fare clic su «Esegui simulazione ottica» per ricalcolare i campi ottici senza rieseguire il modello elettrico. Per maggiori informazioni, consultare Cos’è il metodo della matrice di trasferimento e il metodo della matrice di trasferimento in OghmaNano. La scheda «Distribuzione dei fotoni» (??) mostra la densità dei fotoni in funzione della lunghezza d’onda e della profondità, mentre la scheda «Distribuzione dei fotoni assorbiti» (??) mostra dove vengono assorbiti tali fotoni. Le schede «Tasso di generazione», «Luce riflessa» e «Luce trasmessa» forniscono il profilo di generazione integrato e gli spettri di riflessione e trasmissione.

Queste mappe presentano diversi elementi distintivi:Queste mappe presentano diversi elementi distintivi:

• Le onde corte vengono assorbite in prossimità della superficie. Il GaAs assorbe molto efficacemente la luce blu, quindi questi fotoni vengono assorbiti nei primi centinaia di nanometri, all’interno dell’emettitore e in prossimità della giunzione.Le onde corte vengono assorbite in prossimità della superficie. Il GaAs assorbe molto efficacemente la luce blu, quindi questi fotoni vengono assorbiti nei primi centinaia di nanometri, all’interno dell’emettitore e in prossimità della giunzione.
• Le onde con lunghezza d’onda maggiore penetrano più in profondità e vengono assorbite in tutto lo strato di assorbimento di n-GaAs. Per questo motivo, lo strato di assorbimento deve avere uno spessore di pochi micrometri.Le onde con lunghezza d’onda maggiore penetrano più in profondità e vengono assorbite in tutto lo strato di assorbimento di n-GaAs. Per questo motivo, lo strato di assorbimento deve avere uno spessore di pochi micrometri.
• A una lunghezza d’onda superiore a circa 870 nm, i fotoni attraversano l’intero dispositivo senza essere assorbiti. Questi fotoni hanno un’energia inferiore alla banda proibita del GaAs e non possono generare portatori di carica.A una lunghezza d’onda superiore a circa 870 nm, i fotoni attraversano l’intero dispositivo senza essere assorbiti. Questi fotoni hanno un’energia inferiore alla banda proibita del GaAs e non possono generare portatori di carica.
• Le linee orizzontali scure che si osservano a determinate lunghezze d’onda (ad esempio, in prossimità di 760 nm) corrispondono alle diminuzioni nello spettro AM1.5G incidente, causate dall’assorbimento atmosferico, e non a caratteristiche del dispositivo.Le linee orizzontali scure che si osservano a determinate lunghezze d’onda (ad esempio, in prossimità di 760 nm) corrispondono alle diminuzioni nello spettro AM1.5G incidente, causate dall’assorbimento atmosferico, e non a caratteristiche del dispositivo.

Ogni fotone assorbito nel GaAs genera una coppia elettrone-lacuna; questa densità di fotoni assorbiti diventa il tasso di generazione \(G\) nelle equazioni di deriva-diffusione. La finestra in AlGaAs ha una banda proibita più ampia rispetto al GaAs, quindi i fotoni con energie comprese tra le due bande proibite la attraversano e vengono assorbiti nel GaAs sottostante, dove i portatori di carica risultanti possono essere raccolti. I fotoni assorbiti nella finestra stessa o nel GaAs molto vicino a una superficie non passivata hanno molte più probabilità di andare persi a causa della ricombinazione.Ogni fotone assorbito nel GaAs genera una coppia elettrone-lacuna; questa densità di fotoni assorbiti diventa il tasso di generazione \(G\) nelle equazioni di deriva-diffusione. La finestra in AlGaAs ha una banda proibita più ampia rispetto al GaAs, quindi i fotoni con energie comprese tra le due bande proibite la attraversano e vengono assorbiti nel GaAs sottostante, dove i portatori di carica risultanti possono essere raccolti. I fotoni assorbiti nella finestra stessa o nel GaAs molto vicino a una superficie non passivata hanno molte più probabilità di andare persi a causa della ricombinazione.

6. Parametri dei materiali elettrici6. Parametri dei materiali elettrici

Torna alla finestra principale e seleziona Struttura del dispositivo seleziona e fai clic Parametri elettrici nella barra degli strumenti a sinistra. In questo modo si apre Editor dei parametri elettrici (??), che contiene una scheda per ogni strato semiconduttore. L’immagine mostra l’Al_0.3Ga_0.7Una volta selezionata la finestra, con le impostazioni generali: Al_xGa_{1 meno x}Come illustrato nel modello dei materiali Lua. Editor di codiceLa frazione di alluminio. \(x\) viene controllato tramite Editor per gradienti/deformazioni (??). La barra degli strumenti consente anche di controllare gli aspetti relativi alla fisica elettrica: deriva-diffusione ed equilibrio. Modello di Shockley-Read-Hall (SRH) le trappole sono attivate, mentre le trappole dinamiche, il processo di ricombinazione di Auger e il trasporto degli eccitoni sono disattivati. Questi ultimi modelli sono particolarmente utili per alcuni dispositivi semiconduttori disordinati, ma non sono necessari nel caso specifico. Torna alla finestra principale e seleziona Struttura del dispositivo seleziona e fai clic Parametri elettrici nella barra degli strumenti a sinistra. In questo modo si apre Editor dei parametri elettrici (??), che contiene una scheda per ogni strato semiconduttore. L’immagine mostra l’Al_0.3Ga_0.7Una volta selezionata la finestra, con le impostazioni generali: Al_xGa_{1 meno x}Come illustrato nel modello dei materiali Lua. Editor di codiceLa frazione di alluminio. \(x\) viene controllato tramite Editor per gradienti/deformazioni (??). La barra degli strumenti consente anche di controllare gli aspetti relativi alla fisica elettrica: deriva-diffusione ed equilibrio. Modello di Shockley-Read-Hall (SRH) le trappole sono attivate, mentre le trappole dinamiche, il processo di ricombinazione di Auger e il trasporto degli eccitoni sono disattivati. Questi ultimi modelli sono particolarmente utili per alcuni dispositivi semiconduttori disordinati, ma non sono necessari nel caso specifico.

OghmaNano consente di specificare direttamente le proprietà dei materiali oppure di calcolarle utilizzando le sue funzionalità. database di materialiPer i semiconduttori inorganici ben caratterizzati, come GaAs, AlGaAs e InGaAs, il database fornisce modelli per proprietà quali il divario di energia e l’affinità elettronica. mobilità dei portatori di carica e ricombinazione, inclusa la loro dipendenza dalla composizione e dalla temperatura. Questi modelli vengono implementati come Script Lua, con i materiali disponibili elencati in Libreria di modelli di materiali LuaQuando Sceneggiatura quando viene premuto il pulsante, il simulatore utilizza il modello di materiale Lua selezionato. Quando il pulsante non è premuto, il simulatore utilizza invece i valori inseriti direttamente. Parametri tab. Questo approccio più semplice è particolarmente utile per i semiconduttori con una struttura disordinata o meno ben definita, nei quali i parametri dei materiali vengono spesso modificati in modo indipendente. OghmaNano consente di specificare direttamente le proprietà dei materiali oppure di calcolarle utilizzando le sue funzionalità. database di materialiPer i semiconduttori inorganici ben caratterizzati, come GaAs, AlGaAs e InGaAs, il database fornisce modelli per proprietà quali il divario di energia e l’affinità elettronica. mobilità dei portatori di carica e ricombinazione, inclusa la loro dipendenza dalla composizione e dalla temperatura. Questi modelli vengono implementati come Script Lua, con i materiali disponibili elencati in Libreria di modelli di materiali LuaQuando Sceneggiatura quando viene premuto il pulsante, il simulatore utilizza il modello di materiale Lua selezionato. Quando il pulsante non è premuto, il simulatore utilizza invece i valori inseriti direttamente. Parametri tab. Questo approccio più semplice è particolarmente utile per i semiconduttori con una struttura disordinata o meno ben definita, nei quali i parametri dei materiali vengono spesso modificati in modo indipendente.

I due approcci possono anche essere combinati, come illustrato nella scheda Parametri (??). In questa sezione, vengono inseriti direttamente valori quali la mobilità dei portatori, le densità di stati effettive, il gap di banda e l’affinità elettronica, mentre altri valori, tra cui i parametri delle trappole SRH, vengono forniti dal modello Lua e contrassegnati con l’indicazione «vedere lo script per il valore». Per controllare questo comportamento, fare clic sulla freccia accanto a Script e selezionare «Sovrascrivi database materiali» (??). I parametri selezionati utilizzano i valori presenti nelle caselle di testo, mentre i parametri non selezionati utilizzano il database dei materiali. Questo è utile per analizzare gli offset di banda delle eterogiunzioni o per variare singoli parametri senza modificare il modello di materiale sottostante. Lo stesso menu contiene anche l’opzione «Importa script materiale», che consente di selezionare un modello Lua diverso dal database.I due approcci possono anche essere combinati, come illustrato nella scheda Parametri (??). In questa sezione, vengono inseriti direttamente valori quali la mobilità dei portatori, le densità di stati effettive, il gap di banda e l’affinità elettronica, mentre altri valori, tra cui i parametri delle trappole SRH, vengono forniti dal modello Lua e contrassegnati con l’indicazione «vedere lo script per il valore». Per controllare questo comportamento, fare clic sulla freccia accanto a Script e selezionare «Sovrascrivi database materiali» (??). I parametri selezionati utilizzano i valori presenti nelle caselle di testo, mentre i parametri non selezionati utilizzano il database dei materiali. Questo è utile per analizzare gli offset di banda delle eterogiunzioni o per variare singoli parametri senza modificare il modello di materiale sottostante. Lo stesso menu contiene anche l’opzione «Importa script materiale», che consente di selezionare un modello Lua diverso dal database.

In questo esempio, le mobilità degli elettroni e delle lacune nella direzione y, il divario di banda, l’affinità elettronica, le densità di stati effettive e la permittività relativa vengono sovrascritte, mentre i parametri di ricombinazione continuano a essere ricavati dal modello Lua. Questo è utile quando si analizza l’allineamento delle bande in un’eterogiunzione, poiché la modifica del divario di banda o dell’affinità elettronica consente di variare gli spostamenti delle bande di conduzione e di valenza senza modificare il database dei materiali condiviso. Le sovrascritture possono essere utilizzate anche per eseguire analisi parametriche e confronti con i dati sperimentali.In questo esempio, le mobilità degli elettroni e delle lacune nella direzione y, il divario di banda, l’affinità elettronica, le densità di stati effettive e la permittività relativa vengono sovrascritte, mentre i parametri di ricombinazione continuano a essere ricavati dal modello Lua. Questo è utile quando si analizza l’allineamento delle bande in un’eterogiunzione, poiché la modifica del divario di banda o dell’affinità elettronica consente di variare gli spostamenti delle bande di conduzione e di valenza senza modificare il database dei materiali condiviso. Le sovrascritture possono essere utilizzate anche per eseguire analisi parametriche e confronti con i dati sperimentali.

Il menu «Script» offre anche un’opzione per importare uno script relativo ai materiali, che consente di selezionare un altro modello di materiale dal database. Per maggiori informazioni, consultare definizione dei parametri elettrici con Lua, la libreria dei modelli di materiali e la documentazione del database dei materiali. Le definizioni dei materiali specifiche per l’utente sono memorizzate in oghma_local.Il menu «Script» offre anche un’opzione per importare uno script relativo ai materiali, che consente di selezionare un altro modello di materiale dal database. Per maggiori informazioni, consultare definizione dei parametri elettrici con Lua, la libreria dei modelli di materiali e la documentazione del database dei materiali. Le definizioni dei materiali specifiche per l’utente sono memorizzate in oghma_local.

7. Bande di energia e livelli di quasi-Fermi7. Bande di energia e livelli di quasi-Fermi

Uno degli strumenti più utili per comprendere il funzionamento di un dispositivo a semiconduttore è il visualizzatore di immagini istantanee. Questo strumento consente di visualizzare graficamente parametri quali le bande di energia, la densità dei portatori di carica e i campi elettrici in diversi momenti durante una simulazione. Ad esempio, durante una scansione J–V, il visualizzatore mostra come questi parametri variano in funzione della tensione applicata, mentre in una simulazione transitoria mostra la loro evoluzione nel tempo. Per aprire il visualizzatore, andare alla scheda Output e fare doppio clic sulla cartella snapshots. Il cursore nella parte inferiore della finestra consente di passare da un passo di simulazione all'altro. Per maggiori informazioni, consultare la documentazione del visualizzatore di immagini istantanee snapshot viewer documentation.Uno degli strumenti più utili per comprendere il funzionamento di un dispositivo a semiconduttore è il visualizzatore di immagini istantanee. Questo strumento consente di visualizzare graficamente parametri quali le bande di energia, la densità dei portatori di carica e i campi elettrici in diversi momenti durante una simulazione. Ad esempio, durante una scansione J–V, il visualizzatore mostra come questi parametri variano in funzione della tensione applicata, mentre in una simulazione transitoria mostra la loro evoluzione nel tempo. Per aprire il visualizzatore, andare alla scheda Output e fare doppio clic sulla cartella snapshots. Il cursore nella parte inferiore della finestra consente di passare da un passo di simulazione all'altro. Per maggiori informazioni, consultare la documentazione del visualizzatore di immagini istantanee snapshot viewer documentation.

Un punto di partenza interessante è confrontare il comportamento del dispositivo al buio e in condizioni di illuminazione. Per simulare il dispositivo al buio, selezionare la barra degli strumenti «Ottica» e impostare l’intensità della luce (in unità solari) a zero (??), quindi rieseguire la simulazione. Il diagramma risultante delle bande di energia, a una tensione di circa 0 V, è mostrato in ??. Si noti che i livelli di Fermi degli elettroni e delle lacune coincidono e sono completamente piatti in tutto il dispositivo. Questo è tipico dell’equilibrio termico: sebbene le bande del semiconduttore si incurvino notevolmente, non c’è una corrente netta che fluisce attraverso il dispositivo.Un punto di partenza interessante è confrontare il comportamento del dispositivo al buio e in condizioni di illuminazione. Per simulare il dispositivo al buio, selezionare la barra degli strumenti «Ottica» e impostare l’intensità della luce (in unità solari) a zero (??), quindi rieseguire la simulazione. Il diagramma risultante delle bande di energia, a una tensione di circa 0 V, è mostrato in ??. Si noti che i livelli di Fermi degli elettroni e delle lacune coincidono e sono completamente piatti in tutto il dispositivo. Questo è tipico dell’equilibrio termico: sebbene le bande del semiconduttore si incurvino notevolmente, non c’è una corrente netta che fluisce attraverso il dispositivo.

Ora, riportate l’intensità della luce a 1 Sun e ripetete la simulazione. Il corrispondente diagramma delle bande a circa 0 V è mostrato in ??. Le bande di conduzione e di valenza rimangono simili a quelle che si osservano in assenza di luce, ma i livelli quasi-Fermi degli elettroni e delle lacune non coincidono più. Invece, si separano, poiché gli elettroni e le lacune generati dalla luce creano popolazioni di portatori di carica non in equilibrio all’interno del dispositivo.Ora, riportate l’intensità della luce a 1 Sun e ripetete la simulazione. Il corrispondente diagramma delle bande a circa 0 V è mostrato in ??. Le bande di conduzione e di valenza rimangono simili a quelle che si osservano in assenza di luce, ma i livelli quasi-Fermi degli elettroni e delle lacune non coincidono più. Invece, si separano, poiché gli elettroni e le lacune generati dalla luce creano popolazioni di portatori di carica non in equilibrio all’interno del dispositivo.

Analizzando più attentamente i diagrammi a bande, si nota che la caratteristica più evidente è la marcata curvatura delle bande tra circa 0,25 µm e 0,55 µm. Questo corrisponde alla regione di svuotamento della giunzione p–n in GaAs. Poiché l’assorbitore di tipo n è meno drogato dell’emettitore di tipo p, la regione di svuotamento si estende principalmente nell’assorbitore. Il campo elettrico intrinseco che ne deriva favorisce la separazione delle coppie elettrone-lacuna generate dalla luce, spingendo gli elettroni verso il contatto di tipo n e le lacune verso il contatto di tipo p.Analizzando più attentamente i diagrammi a bande, si nota che la caratteristica più evidente è la marcata curvatura delle bande tra circa 0,25 µm e 0,55 µm. Questo corrisponde alla regione di svuotamento della giunzione p–n in GaAs. Poiché l’assorbitore di tipo n è meno drogato dell’emettitore di tipo p, la regione di svuotamento si estende principalmente nell’assorbitore. Il campo elettrico intrinseco che ne deriva favorisce la separazione delle coppie elettrone-lacuna generate dalla luce, spingendo gli elettroni verso il contatto di tipo n e le lacune verso il contatto di tipo p.

Un’altra caratteristica interessante si manifesta sulla superficie illuminata, nel punto in cui la finestra in AlGaAs incontra l’emettitore in GaAs. La discontinuità nella banda di conduzione deriva dalle diverse affinità elettroniche e dai diversi intervalli di energia dei due materiali. Questa eterogiunzione crea una barriera energetica che contribuisce a impedire agli elettroni di minoranza presenti nell’emettitore di tipo p di raggiungere la superficie anteriore, dove potrebbero ricombinarsi. Una variazione minore è inoltre visibile nella parte posteriore del dispositivo, corrispondente alla transizione verso lo strato di contatto n+ fortemente drogato.Un’altra caratteristica interessante si manifesta sulla superficie illuminata, nel punto in cui la finestra in AlGaAs incontra l’emettitore in GaAs. La discontinuità nella banda di conduzione deriva dalle diverse affinità elettroniche e dai diversi intervalli di energia dei due materiali. Questa eterogiunzione crea una barriera energetica che contribuisce a impedire agli elettroni di minoranza presenti nell’emettitore di tipo p di raggiungere la superficie anteriore, dove potrebbero ricombinarsi. Una variazione minore è inoltre visibile nella parte posteriore del dispositivo, corrispondente alla transizione verso lo strato di contatto n+ fortemente drogato.

La differenza tra i livelli quasi-Fermi degli elettroni e delle lacune fornisce una misura di quanto il semiconduttore si discosta dallo stato di equilibrio. Nel caso di statistiche dei portatori non degenerate, le concentrazioni locali di elettroni e lacune sono correlate a tale differenza tramite la seguente relazione:La differenza tra i livelli quasi-Fermi degli elettroni e delle lacune fornisce una misura di quanto il semiconduttore si discosta dallo stato di equilibrio. Nel caso di statistiche dei portatori non degenerate, le concentrazioni locali di elettroni e lacune sono correlate a tale differenza tramite la seguente relazione:

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

Quando il dispositivo è illuminato, la fotogenerazione aumenta la concentrazione dei portatori di carica e crea una differenza tra \(E_{F,n}\) e \(E_{F,p}\). Questa differenza può persistere all’interno del dispositivo anche in caso di cortocircuito, quando la tensione esterna applicata è nulla. In condizioni di circuito aperto, la tensione ai terminali è determinata dalla differenza tra i livelli quasi-Fermi che si stabilisce nei contatti, con \(qV_{OC}\) che corrisponde a tale differenza per i contatti selettivi ideali. La ricombinazione limita l’entità di questa differenza e, di conseguenza, svolge un ruolo fondamentale nella determinazione della tensione a circuito aperto. Utilizzando il cursore per variare la tensione, è possibile osservare come le bande di energia e i livelli quasi-Fermi si modificano man mano che la cella solare si avvicina a VOC.Quando il dispositivo è illuminato, la fotogenerazione aumenta la concentrazione dei portatori di carica e crea una differenza tra \(E_{F,n}\) e \(E_{F,p}\). Questa differenza può persistere all’interno del dispositivo anche in caso di cortocircuito, quando la tensione esterna applicata è nulla. In condizioni di circuito aperto, la tensione ai terminali è determinata dalla differenza tra i livelli quasi-Fermi che si stabilisce nei contatti, con \(qV_{OC}\) che corrisponde a tale differenza per i contatti selettivi ideali. La ricombinazione limita l’entità di questa differenza e, di conseguenza, svolge un ruolo fondamentale nella determinazione della tensione a circuito aperto. Utilizzando il cursore per variare la tensione, è possibile osservare come le bande di energia e i livelli quasi-Fermi si modificano man mano che la cella solare si avvicina a VOC.

9. Ulteriori indagini.9. Ulteriori indagini.

10. Riepilogo e principali concetti appresi10. Riepilogo e principali concetti appresi

In questo tutorial, abbiamo simulato una cella solare eterogiunzionale GaAs/Al0,3Ga0,7As, composta da uno strato di AlGaAs a banda proibita ampia, un emettitore di tipo p in GaAs, un assorbitore di tipo n in GaAs e un contatto posteriore fortemente drogato. In condizioni di illuminazione solare standard, la simulazione fornisce una densità di corrente di cortocircuito di 26,91 mA cm⁻², una tensione a circuito aperto di 0,922 V, un fattore di riempimento dell’80,8% e un’efficienza di conversione della potenza del 20,05%. Questi risultati dimostrano come le proprietà ottiche ed elettriche di un’eterostruttura a semiconduttore si combinino per determinare le sue prestazioni fotovoltaiche.In questo tutorial, abbiamo simulato una cella solare eterogiunzionale GaAs/Al0,3Ga0,7As, composta da uno strato di AlGaAs a banda proibita ampia, un emettitore di tipo p in GaAs, un assorbitore di tipo n in GaAs e un contatto posteriore fortemente drogato. In condizioni di illuminazione solare standard, la simulazione fornisce una densità di corrente di cortocircuito di 26,91 mA cm⁻², una tensione a circuito aperto di 0,922 V, un fattore di riempimento dell’80,8% e un’efficienza di conversione della potenza del 20,05%. Questi risultati dimostrano come le proprietà ottiche ed elettriche di un’eterostruttura a semiconduttore si combinino per determinare le sue prestazioni fotovoltaiche.

Analizzando i profili di generazione ottica e i diagrammi a bande energetiche, abbiamo potuto osservare come la luce solare viene assorbita negli strati di GaAs, come il campo elettrico intrinseco separa le cariche fotoeccitate e come l’eterogiunzione AlGaAs/GaAs introduce differenze di livello energetico che influenzano il trasporto e la ricombinazione delle cariche. Confrontando il dispositivo in condizioni di oscurità e in presenza di illuminazione, è stata inoltre dimostrata l’importanza della separazione del livello quasi-Fermi e la sua relazione con la tensione a circuito aperto.Analizzando i profili di generazione ottica e i diagrammi a bande energetiche, abbiamo potuto osservare come la luce solare viene assorbita negli strati di GaAs, come il campo elettrico intrinseco separa le cariche fotoeccitate e come l’eterogiunzione AlGaAs/GaAs introduce differenze di livello energetico che influenzano il trasporto e la ricombinazione delle cariche. Confrontando il dispositivo in condizioni di oscurità e in presenza di illuminazione, è stata inoltre dimostrata l’importanza della separazione del livello quasi-Fermi e la sua relazione con la tensione a circuito aperto.

Infine, abbiamo analizzato come OghmaNano combina i calcoli basati sulla matrice di trasferimento ottica con la modellazione di deriva-diffusione e come il suo database di materiali Lua e il sistema di sovrascrittura dei parametri consentano di controllare le proprietà dei semiconduttori. Insieme, questi strumenti forniscono una piattaforma per studiare come lo spessore degli strati, il drogaggio, la composizione delle leghe e le proprietà dei materiali influenzino le prestazioni del dispositivo. Lo stesso approccio può essere esteso ad altri dispositivi fotovoltaici a base di materiali del gruppo III-V e a eterostrutture di semiconduttori.Infine, abbiamo analizzato come OghmaNano combina i calcoli basati sulla matrice di trasferimento ottica con la modellazione di deriva-diffusione e come il suo database di materiali Lua e il sistema di sovrascrittura dei parametri consentano di controllare le proprietà dei semiconduttori. Insieme, questi strumenti forniscono una piattaforma per studiare come lo spessore degli strati, il drogaggio, la composizione delle leghe e le proprietà dei materiali influenzino le prestazioni del dispositivo. Lo stesso approccio può essere esteso ad altri dispositivi fotovoltaici a base di materiali del gruppo III-V e a eterostrutture di semiconduttori.