Symulacja ogniwa słonecznego opartego na heterospójeniu GaAs/AlGaAs.

1. Wprowadzenie: Ogniwa słoneczne wykonane z arsenku galu i ich zastosowania.

Ogniwa słoneczne wykonane z arsenku galu (GaAs) znajdują zastosowanie w urządzeniach, w których wysoka sprawność konwersji, niewielka waga i niezawodność są ważniejsze niż koszt. Arsenek galu to półprzewodnik o bezpośredniej przerwie energetycznej, której wartość wynosi około 1,42 eV, co umożliwia efektywne pochłanianie światła słonecznego w warstwie materiału o grubości kilku mikrometrów. Dzięki temu materiał ten jest szczególnie atrakcyjny do produkcji wysokowydajnych urządzeń fotowoltaicznych.

Panele słoneczne na bazie arsenku galu (GaAs) są powszechnie stosowane w satelitach i statkach kosmicznych, gdzie dostępna powierzchnia jest ograniczona, a odporność na promieniowanie ma kluczowe znaczenie (??). Wykorzystuje się je również w systemach fotowoltaicznych z koncentratorami, gdzie promienie słoneczne są skupiane na małej komórce półprzewodnikowej, oraz w specjalistycznych zastosowaniach, takich jak samoloty wysokoprzestrzenne i przetworniki mocy laserowej. Nowoczesne panele słoneczne do zastosowań kosmicznych często łączą arsenek galu z innymi półprzewodnikami z grupy III–V w strukturach wielozłączowych, aby osiągnąć wyższą wydajność.

W tym samouczku symulujemy działanie ogniwa słonecznego opartego na heterospójeniu GaAs/AlGaAs. Nad warstwą GaAs umieszczamy cienką warstwę AlGaAs o większej przerwie energetycznej, co ma na celu zmniejszenie niepożądanych strat związanych z absorpcją i rekombinacją na powierzchni. Korzystając z programu OghmaNano, analizujemy, w jaki sposób urządzenie absorbuje światło słoneczne, transportuje fotogenerowane nośniki ładunku i wytwarza energię elektryczną, łącząc obliczenia oparte na macierzach przenoszenia światła z modelowaniem dyfuzji i dryfu.

2. Projektowanie i zasady działania ogniwa słonecznego GaAs/AlGaAs.

Przeprowadzimy symulację ogniwa słonecznego opartego na heterospójeniu GaAs/Al0,3Ga0,7As, składającego się z cienkiej warstwy AlGaAs o szerokiej przerwie energetycznej, umieszczonej nad złączem p–n z GaAs. Chociaż jest to stosunkowo proste urządzenie, ilustruje ono kilka ważnych aspektów fotowoltaiki opartej na związkach III–V, w tym absorpcję światła, generację nośników ładunku, transport przez dryf i dyfuzję, rekombinację oraz wpływ heterospójeniowych struktur półprzewodnikowych na zbieranie nośników.

Na początek uruchom program OghmaNano i kliknij opcję „Nowa symulacja” na pasku narzędzi „Plik”. Spowoduje to otwarcie biblioteki urządzeń (??). Kliknij dwukrotnie „Przykłady GaAs”, aby otworzyć dostępne symulacje GaAs (??). Wybierz ogniwo słoneczne GaAs/Al0.3Ga0.7As, określ folder docelowy i kliknij „Zapisz”.

Po załadowaniu OghmaNano wyświetla schemat urządzenia w zakładce „Struktura urządzenia” (??). Zielone strzałki wskazują kierunek oświetlenia od góry, a kolorowe obszary reprezentują cztery warstwy półprzewodnikowe. Strukturę i właściwości materiałów można modyfikować za pomocą edytora warstw ( edytor warstw) i edytora parametrów elektrycznych.

Urządzenie składa się z czterech warstw półprzewodnikowych, ułożonych od powierzchni oświetlanej do tylnego kontaktu:

Absorber wykonany z arsenku galu (GaAs) odpowiada za przekształcanie padających fotonów w pary elektron-dziura. GaAs ma bezpośrednią przerwę energetyczną o wartości około 1,42 eV, co zapewnia mu wysoki współczynnik absorpcji i umożliwia absorpcję światła słonecznego w stosunkowo cienkiej warstwie półprzewodnikowej. Warstwa emitująca typu p i warstwa absorbująca typu n tworzą podstawowe złącze fotowoltaiczne. Dyfuzja nośników przez to złącze tworzy obszar zubożony i wbudowane pole elektryczne, które pomaga w rozdzielaniu fotogenerowanych elektronów i dziur oraz w transporcie ich do odpowiednich elektrod. Warstwa Al0,3Ga0,7As pełni funkcję okna i wprowadza heterozłącze półprzewodnikowe na oświetlanej powierzchni. Dodatek aluminium zwiększa przerwę energetyczną w porównaniu z GaAs, dzięki czemu okno staje się bardziej przepuszczalne dla fotonów, które mogą być absorbowane w warstwie GaAs znajdującej się pod spodem. Różnica w powinowactwie elektronowym i przerwie energetycznej powoduje również występowanie nieciągłości w pasmach przewodnictwa i walencyjnych na granicy. Może to pomóc w ograniczeniu transportu nośników mniejszościowych w kierunku przedniej powierzchni, zmniejszając straty związane z rekombinacją, chociaż zbyt duże przesunięcia przerw energetycznych mogą utrudniać ekstrakcję nośników. Silnie domieszkowana warstwa emitująca typu p+ i warstwa kontaktu typu n+ również przyczyniają się do zapewnienia połączeń elektrycznych o niskiej rezystancji. Z tyłu, przejście między słabo domieszkowaną warstwą absorbującą i silnie domieszkowaną warstwą kontaktu tworzy dodatkowe pole elektryczne, które może odpychać nośniki mniejszościowe od tylnego kontaktu. Połączenie grubości warstw, domieszkowania i wyrównania przerw energetycznych decyduje zatem o tym, jak efektywnie absorbowane fotony są przekształcane w prąd elektryczny.

Strukturę urządzenia można analizować i modyfikować, klikając przycisk „Edytor warstw” znajdujący się po lewej stronie karty „Struktura urządzenia” w głównym oknie. Przycisk ten jest przedstawiony jako trzy kolorowe poziome paski, symbolizujące warstwową strukturę urządzenia. Kliknięcie przycisku otwiera „Edytor warstw” (??), w którym można zmieniać grubość, materiał optyczny i typ każdej warstwy. Grubość warstw ma szczególne znaczenie w ogniwach słonecznych, ponieważ wpływa na ilość pochłanianego światła oraz na odległość, jaką muszą przebyć fotogenerowane nośniki ładunku, zanim dotrą do elektrod.

Pasek narzędziowy „Electrical” (??) zapewnia dostęp do edytorów parametrów „Doping/Ions” i „Gradients/Strain”. Edytor parametrów „Doping” (??) umożliwia sterowanie stężeniem donorów i akceptorów w całym urządzeniu. Parametry te określają położenie i szerokość obszaru zubożenia, wbudowane pole elektryczne oraz przewodność elektryczną każdej warstwy. W konsekwencji zmiana parametrów domieszkowania może znacząco wpłynąć na proces zbierania nośników, rekombinację oraz wynikające z tego charakterystyki J–V.

Edytor „Gradienty/Naprężenia” (??) kontroluje zmienne składu materiału \(x\), \(y\) i \(z\). Można je określić niezależnie na początku i na końcu każdej warstwy, co umożliwia symulację zarówno jednorodnych, jak i o stopniowo zmieniającym się składzie struktur półprzewodnikowych. W przypadku stopów, takich jak AlxGa1-xAs, zawartość aluminium wpływa na szerokość pasma wzbronionego i dopasowanie pasm z GaAs. Zmiana składu stopu pozwala zatem zbadać, w jaki sposób przesunięcia pasm w heterospójeniu wpływają na transport nośników i rekombinację. Interpretacja każdej zmiennej składu jest definiowana przez wybrany model materiału półprzewodnikowego.

3. Uruchomienie symulacji i analiza uzyskanych wyników.

Aby uruchomić symulację ogniwa słonecznego GaAs/AlGaAs, kliknij niebieski przycisk. Uruchom symulację. przycisk wewnątrz Plik taśma lub przycisk F9Otwórz. Terminal tabela aby śledzić obliczenia (??). Początkowo wyświetlane informacje w oknie terminala mogą wydawać się skomplikowane, ponieważ na ekranie pojawia się wiele linii z danymi liczbowymi. Jednak po zrozumieniu, co oznacza każda z części, interpretacja tych danych staje się stosunkowo prosta.

Pierwszy etap symulacji to obliczenia optyczne, które są przedstawione za pomocą kolorowego tekstu w górnej części okna ??. OghmaNano oblicza absorpcję światła i generację nośników w różnych zakresach długości fal w całym spektrum promieniowania słonecznego. Po zakończeniu tych obliczeń program rozpoczyna pomiar charakterystyki prądowo-napięciowej (I–V), przykłada serię napięć do ogniwa słonecznego i oblicza wynikową gęstość prądu.

Każdy wiersz w obliczeniach J–V odpowiada jednej przyłożonej wartości napięcia. Wartość oznaczona jako top= to napięcie przyłożone do górnego kontaktu, natomiast btm= to napięcie na dolnym kontakcie, które utrzymywane jest na poziomie 0 V. Obliczona gęstość prądu jest wyświetlana w jednostkach A/m² obok przyłożonego napięcia. Wielkość f()= to wartość resztowa wynikająca z obliczeń numerycznych, wskazująca, w jakim stopniu uzyskane rozwiązanie spełnia równania półprzewodników. Mniejsze wartości resztowe oznaczają lepszą zbieżność numeryczną.

Wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia, wartość fotoprądu stopniowo maleje. Na wykresie ?? zakres zmian napięcia zbliża się do napięcia w stanie otwartym, VOC. W przedziale od około 0,92 V do 0,94 V, gęstość prądu zmienia znak z ujemnego na dodatni, co wskazuje, że wypadkowy prąd przeszedł przez zero. Jest to stan otwartego obwodu, w którym prąd płynący w kierunku przewodzenia diody dokładnie równoważy prąd generowany przez światło. Symulacja jest kontynuowana poza punktem VOC, aby scharakteryzować obszar przewodzenia diody na krzywej J–V, a następnie zostaje zatrzymana, gdy osiągnięte zostanie określone maksymalne napięcie wynoszące 1,25 V.

Dla każdego zastosowanego napięcia OghmaNano rozwiązuje równanie Poissona wraz z równaniami dryfu i dyfuzji oraz równaniem ciągłości nośników. Opisują one, w jaki sposób potencjał elektrostatyczny, stężenie elektronów i dziur oraz prądy nośników zmieniają się w całym urządzeniu:

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

W tym przypadku \(G\) oznacza szybkość fotogeneracji obliczoną na podstawie modelu optycznego, natomiast \(R\) reprezentuje rekombinację nośników, która może obejmować rekombinację radiacyjną, rekombinację Shockleya-Reada-Halla oraz rekombinację Augera. Równowaga między generacją, rekombinacją i ekstrakcją nośników decyduje o parametrach elektrycznych ogniwa słonecznego. Dodatkowe informacje na ten temat można znaleźć w teorii modelowania dryfu i dyfuzji.

Po zakończeniu obliczeń wybierz zakładkę „Wyniki” (??). OghmaNano zapisuje wyniki symulacji w odpowiednim folderze, w tym plik jv.csv, który zawiera krzywą J–V, oraz plik sim_info.dat, który zawiera główne parametry fotowoltaiczne. Foldery optical_output i snapshots zawierają dodatkowe informacje na temat właściwości optycznych i elektrycznych. Szczegółowe informacje można znaleźć w dokumentacji dotyczącej plików wyjściowych output files documentation.

Kliknij dwukrotnie jv.csv, aby wyświetlić charakterystykę prądowo-napięciową (krzywą J–V) (??). Prąd pozostaje w przybliżeniu stały przy polaryzacji odwrotnej i niewielkiej polaryzacji przewodzącej, po czym gwałtownie wzrasta, gdy przyłożone napięcie zbliża się do napięcia w stanie otwartym. Kliknij dwukrotnie sim_info.dat, aby przeanalizować parametry pracy urządzenia (??).

Poniżej przedstawiono najważniejsze wyniki symulacji ogniwa słonecznego wykonanego z materiałów GaAs/AlGaAs.

Gęstość prądu zwarciowego, JSC, mierzy prąd fotowoltaiczny, gdy przyłożone napięcie wynosi zero. Jego ujemny znak odzwierciedla konwencję, zgodnie z którą prąd fotowoltaiczny płynie w kierunku przeciwnym do prądu diody w stanie przewodzenia. Jego wartość, wynosząca około 26,9 mA/cm², wskazuje, że znaczna część padającego światła słonecznego jest przekształcana w zebrane nośniki ładunku.

Napięcie w obwodzie rozwartym, VOC, to napięcie, przy którym wypadkowy prąd staje się równy zeru. W takich warunkach fotogeneracja jest równoważona przez rekombinację, a urządzenie nie może już dostarczać prąd do zewnętrznego obwodu. Obliczone napięcie VOC wynoszące 0,922 V jest niższe niż wbudowane napięcie wynoszące 1,387 V, co odzwierciedla wpływ rekombinacji i skończonej liczby nośników ładunku utrzymywanej podczas oświetlenia. Więcej informacji można znaleźć w obliczanie wbudowanego potencjału.

Współczynnik wypełnienia określa, jak bardzo krzywa J–V zbliża się do idealnego kształtu prostokąta, natomiast sprawność konwersji energii wskazuje, jaka część padającej energii optycznej jest przekształcana w energię elektryczną:

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

Dla wartości gęstości mocy promieniowania wynoszącej 1000 W/m² przy oświetleniu AM1.5G, obliczona maksymalna gęstość mocy wynosząca 200,48 W/m² odpowiada efektywności konwersji mocy na poziomie 20,05%. Współczynnik wypełnienia wynoszący około 80,8% wskazuje, że symulowane urządzenie utrzymuje znaczący prąd fotowoltaiczny w większości zakresu napięć roboczych. Maksymalna moc występuje przy napięciu około 0,80 V. Jej dokładna wartość zależy od wybranej rozdzielczości napięcia w edytorze J–V.

Symulowana wydajność na poziomie około 20% świadczy o wysokiej efektywności fotowoltaicznej, jaką można osiągnąć dzięki ogniwom słonecznym opartym na arsenku galu (GaAs). Bezpośrednia przerwa energetyczna w arsenku galu umożliwia silną absorpcję światła, a warstwa AlGaAs pomaga zmniejszyć straty optyczne i straty związane z rekombinacją na przedniej powierzchni. Dalsze ulepszenia można osiągnąć poprzez optymalizację grubości warstw, stężeń domieszek i konstrukcji optycznej. Na przykład, dodanie powłoki antyrefleksyjnej może zwiększyć odsetek padającego światła słonecznego, które jest absorbowane przez urządzenie; więcej informacji można znaleźć w poradniku dotyczącym powłok antyrefleksyjnych.

5. Przeanalizuj wyniki symulacji optycznej.

Kliknij zakładkę „Optyka” w górnej części głównego okna, aby otworzyć panel ustawień optycznych (??). Zwróć uwagę, że wartość „Intensywność światła (w jednostkach słonecznych)” jest ustawiona na 1,0. Kliknij „Macierz transferu”, aby otworzyć edytor symulacji optycznej.

Pasek narzędzi edytora umożliwia wybranie sposobu obliczania profilu generowania optycznego: metoda macierzy przenoszenia, metoda różnic skończonych TMM lub prostsze profile (profil wykładniczy, profil płaski, z pliku, z danych widma QE, wartość stała). W tym przykładzie wyróżniony jest model oparty na metodzie różnic skończonych TMM. Metody macierzowe traktują urządzenie jako układ cienkich warstw i obliczają rozkład pól optycznych propagujących się w każdym kierunku w każdej warstwie, uwzględniając odbicia i interferencje na każdej granicy oraz absorpcję w każdej warstwie. Kliknij „Uruchom symulację optyczną”, aby ponownie obliczyć pola optyczne bez ponownego uruchamiania modelu elektrycznego. Dodatkowe informacje można znaleźć w Czym jest metoda macierzowa i metoda macierzowa w OghmaNano. Zakładka „Rozkład fotonów” (??) wyświetla gęstość fotonów w funkcji długości fali i głębokości, a zakładka „Rozkład zaabsorbowanych fotonów” (??) pokazuje, gdzie te fotony są absorbowane. Zakładki „Częstotliwość generowania”, „Odbite światło” i „Przepuszczone światło” wyświetlają zintegrowany profil generowania oraz widma odbicia i przepuszczalności.

Na tych mapach można wyraźnie zauważyć kilka charakterystycznych elementów:

• Krótkie fale są absorbowane blisko powierzchni. GaAs bardzo silnie absorbuje światło niebieskie, dlatego fotony te są absorbowane w ciągu pierwszych kilkuset nanometrów, w obszarze emitera i w pobliżu złącza.
• Fale o większej długości penetrują głębiej i są absorbowane w całej warstwie absorbującej n-GaAs. Dlatego właśnie warstwa absorbująca musi mieć grubość rzędu mikrometrów.
• Przy długości fali powyżej około 870 nm fotony przechodzą przez całe urządzenie, nie będąc pochłaniane. Fotony te mają energię niższą od wartości przerw energetycznych w arsenku galu (GaAs) i nie mogą generować nośników.
• Ciemne, poziome linie widoczne przy określonych długościach fal (np. w pobliżu 760 nm) odpowiadają spadkom w widmie promieniowania AM1.5G, które są spowodowane absorpcją w atmosferze, a nie cechami charakterystycznymi dla danego urządzenia.

Każdy pochłonięty foton w arsenku galu (GaAs) generuje parę elektron-dziura; gęstość pochłoniętych fotonów staje się współczynnikiem generacji \(G\) w równaniach dryfu i dyfuzji. Warstwa AlGaAs ma szerszą przerwę energetyczną niż GaAs, dlatego fotony o energiach znajdujących się pomiędzy tymi dwiema przerwami energetycznymi przechodzą przez nią i są pochłaniane w arsenku galu znajdującym się poniżej, gdzie powstałe nośniki ładunku mogą być zbierane. Fotony pochłaniane w samej warstwie AlGaAs lub w arsenku galu znajdującym się bardzo blisko niepasywowanej powierzchni, znacznie częściej ulegają rekombinacji i są tracone.

6. Parametry materiałów elektrycznych

Wróć do głównego okna, wybierz zakładkę „Struktura urządzenia” i kliknij „Parametry elektryczne” w lewym pasku narzędzi. Otworzy się okno Edytor parametrów elektrycznych (??), które zawiera zakładkę dla każdej warstwy półprzewodnikowej. Na zrzucie ekranu widać, że wybrano okno Al0,3Ga0,7As, a w edytorze kodu wyświetlany jest ogólny model materiału AlxGa1-xAs. Zawartość aluminium \(x\) jest kontrolowana za pomocą edytora „Gradienty/Naprężenia” (??). Pasek narzędzi służy również do sterowania właściwościami elektrycznymi: włączone są mechanizmy dryfu i dyfuzji oraz pułapki równowagowe Shockley–Read–Hall (SRH), natomiast wyłączone są dynamiczne pułapki, rekombinacja Augera i transport ekscytonów. Ostatnie modele są szczególnie przydatne w przypadku niektórych nieuporządkowanych urządzeń półprzewodnikowych, ale w tym przypadku nie są wymagane.

OghmaNano umożliwia bezpośrednie określanie właściwości materiałów lub ich obliczanie za pomocą wbudowanych funkcji. baza danych materiałówDla dobrze scharakteryzowanych nieorganicznych półprzewodników, takich jak GaAs, AlGaAs i InGaAs, baza danych zawiera modele właściwości, takich jak szerokość pasma energetycznego, powinowactwo elektronowe. ruchliwość nośników ładunku oraz rekombinacja, w tym ich zależność od składu i temperatury. Modele te są realizowane jako Skrypty Lua, a lista dostępnych materiałów znajduje się w Biblioteka modeli materiałów w języku Lua.Kiedy Scenariusz po naciśnięciu przycisku symulator wykorzystuje wybrany model materiału Lua. Jeśli przycisk nie jest naciśnięty, symulator zamiast tego używa wartości wprowadzonych bezpośrednio w programie. Parametry tab. To prostsze podejście jest szczególnie przydatne w przypadku materiałów półprzewodnikowych o nieuporządkowanej strukturze lub słabo zbadanych właściwościach, gdzie parametry materiałowe są często modyfikowane niezależnie od siebie.

Oba podejścia można również łączyć, co ilustruje zakładka Parametry (??). W tej zakładce można wprowadzać bezpośrednio takie właściwości, jak ruchliwość nośników, efektywna gęstość stanów, przerwa energetyczna i powinowactwo elektronowe, natomiast inne, w tym parametry pułapek SRH, są dostarczane przez model Lua i oznaczone jako „Wartość w skrypcie”. Aby kontrolować to zachowanie, kliknij strzałkę obok opcji Skrypt i wybierz opcję Zastąp bazę danych materiałów (??). Zaznaczone parametry wykorzystują wartości z pól tekstowych, natomiast niezaznaczone parametry wykorzystują bazę danych materiałów. Jest to przydatne do badania przesunięć pasm w heterozłączach lub zmiany poszczególnych parametrów bez modyfikowania podstawowego modelu materiału. W tym samym menu znajduje się również opcja Importuj skrypt materiału, która umożliwia wybranie innego modelu Lua z bazy danych.

W tym przykładzie wartości parametrów opisujących ruchliwość elektronów i dziur w kierunku osi y, szerokość pasma energetycznego, powinowactwo elektronowe, efektywną gęstość stanów oraz względną przenikalność elektryczną są zastępowane nowymi wartościami, natomiast parametry rekombinacji nadal pochodzą z modelu Lua. Jest to przydatne podczas badania dopasowania pasm energetycznych w strukturach heterospójeniowych, ponieważ zmiana szerokości pasma energetycznego lub powinowactwa elektronowego pozwala na modyfikację przesunięć pasm przewodnictwa i walencyjnych bez zmiany wspólnej bazy danych materiałów. Zastępowanie wartości może być również wykorzystywane do przeprowadzania analiz parametrycznych i porównywania wyników z danymi eksperymentalnymi.

Menu „Skrypty” zawiera również opcję „Importuj skrypt materiału”, która umożliwia wybranie innego modelu materiału z bazy danych. Więcej informacji można znaleźć w dokumentach: definiowanie parametrów elektrycznych za pomocą języka Lua, biblioteka modeli materiałów i dokumentacja bazy danych materiałów. Definicje materiałów specyficzne dla użytkownika są przechowywane w ogmma_local.

7. Pasma energetyczne i quasi-poziomy Fermiego

Jednym z najbardziej przydatnych narzędzi do analizy działania półprzewodnika jest program do wyświetlania danych w formie „migawki”. Umożliwia on przedstawienie graficzne różnych parametrów, takich jak pasma energetyczne, gęstość nośników i pola elektryczne, w różnych etapach symulacji. Na przykład, podczas symulacji charakterystyki prądowo-napięciowej (J–V), program pokazuje, jak te parametry zmieniają się w zależności od przyłożonego napięcia, natomiast w symulacji stanów nieustalonych pokazuje, jak zmieniają się w czasie. Aby uruchomić program, przejdź do zakładki „Wyniki” i kliknij dwukrotnie folder snapshots. Suwak u dołu okna pozwala na przechodzenie między poszczególnymi etapami symulacji. Więcej informacji można znaleźć w dokumentacji programu dokumentacja programu do wyświetlania danych w formie „migawki”.

Ciekawym punktem wyjścia jest porównanie działania urządzenia w ciemności i w świetle. Aby zasymulować działanie urządzenia w ciemności, należy wybrać opcję „Optical ribbon” i ustawić wartość „Light intensity (Suns)” na zero (??), a następnie ponownie uruchomić symulację. Otrzymany diagram pasm energetycznych przy napięciu około 0 V przedstawiono na rysunku ??. Zauważ, że poziomy Fermiego dla elektronów i dziur pokrywają się i są całkowicie płaskie w całym urządzeniu. Jest to cecha charakterystyczna dla stanu równowagi termicznej: chociaż pasma półprzewodnika ulegają znacznemu zakrzywieniu, przez urządzenie nie przepływa żaden wypadkowy prąd.

Teraz przywróć oświetlenie do 1. Słońce i uruchom ponownie symulację. Odpowiedni diagram pasm dla napięcia około 0 V przedstawiono na рисунке. ??Podczas oświetlania pasmo przewodnictwa i pasmo walencyjne pozostają zbliżone do tych, które występują w ciemności, ale poziomy quasi-Fermiego dla elektronów i dziur przestają się pokrywać. Zamiast tego rozdzielają się, ponieważ elektrony i dziury generowane przez światło tworzą populacje nośników, które nie znajdują się w stanie równowagi wewnątrz urządzenia.

Przyjrzawszy się bliżej diagramom pasmowym, można zauważyć, że najbardziej wyraźną cechą jest silne zakrzywienie pasma w zakresie od około 0,25 µm do 0,55 µm. Odpowiada to obszarowi zubożenia w złączu p–n wykonanym z GaAs. Ponieważ warstwa absorbująca typu n jest mniej domieszkowana niż warstwa emiterowa typu p, obszar zubożenia rozciąga się głównie w warstwie absorbującej. W ten sposób powstaje wewnętrzne pole elektryczne, które pomaga w rozdzielaniu par elektron-dziura powstałych pod wpływem światła, kierując elektrony w stronę kontaktu typu n, a dziury w stronę kontaktu typu p.

Kolejną interesującą cechą jest zjawisko występujące na oświetlonej powierzchni, w miejscu styku okna AlGaAs z emiterem GaAs. Nieciągłość w paśmie przewodnictwa wynika z różnic w powinowactwie elektronowym i szerokości pasma energetycznego obu materiałów. To heterozłącze tworzy barierę energetyczną, która pomaga zapobiegać dotarciu nośników mniejszościowych (elektronów) w emiterze typu p do przedniej powierzchni, gdzie mogłyby ulec rekombinacji. Niewielka zmiana jest również widoczna w pobliżu tylnej części urządzenia, odpowiadająca przejściu do silnie domieszkowanej warstwy kontaktowej typu n+.

Różnica między quasi-poziomami Fermiego elektronów i dziur określa, jak bardzo dany półprzewodnik odbiega od stanu równowagi. W przypadku statystyki nośników niebędącej zdegenerowaną, lokalne koncentracje elektronów i dziur są powiązane z tą różnicą zależnością:

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

Pod wpływem oświetlenia proces fotogeneracji zwiększa liczbę nośników ładunku i powoduje rozszczepienie między \(E_{F,n}\) a \(E_{F,p}\). To rozszczepienie może występować wewnątrz urządzenia, nawet przy zwarciu, gdy przyłożone zewnętrzne napięcie wynosi zero. W stanie otwartym napięcie na zaciskach jest określane przez różnicę poziomów quasi-Fermiego, która powstaje na stykach, przy czym \(qV_{OC}\) odpowiada tej różnicy dla idealnych, selektywnych styków. Rekombinacja ogranicza, jak duże może być to rozszczepienie, i dlatego odgrywa kluczową rolę w określaniu napięcia w stanie otwartym. Przesuwając suwak zakresu napięć, można obserwować, jak zmieniają się pasma energetyczne i poziomy quasi-Fermiego, gdy ogniwo słoneczne zbliża się do wartości VOC.

9. Dalsze dochodzenie/śledztwo.

10. Podsumowanie i wnioski, jakie wyciągnąłeś.

W tym samouczku przeprowadziliśmy symulację ogniwa słonecznego opartego na heterospójeniu GaAs/Al0,3Ga0,7As, składającego się z warstwy AlGaAs o szerokiej przerwie energetycznej, emitera typu p z GaAs, absorbora typu n z GaAs oraz silnie domieszkowanego kontaktu tylnego. W warunkach oświetlenia odpowiadającego jednemu słońcu, symulacja wykazała prąd zwarciowy o gęstości 26,91 mA/cm², napięcie w obwodzie otwartym wynoszące 0,922 V, współczynnik wypełnienia na poziomie 80,8% oraz sprawność konwersji energii wynoszącą 20,05%. Wyniki te pokazują, w jaki sposób właściwości optyczne i elektryczne heterostruktury półprzewodnikowej łączą się, aby określić jej parametry fotowoltaiczne.

Analizując profile generacji optycznej i diagramy pasm energetycznych, zaobserwowaliśmy, w jaki sposób światło słoneczne jest absorbowane w warstwach GaAs, w jaki sposób wewnętrzne pole elektryczne rozdziela fotogenerowane nośniki ładunku oraz w jaki sposób heterozłącze AlGaAs/GaAs wprowadza przesunięcia pasm, które wpływają na transport i rekombinację nośników. Porównanie działania urządzenia w ciemności i pod wpływem światła również wykazało znaczenie rozszczepienia quasi-poziomu Fermiego i jego związek z napięciem w obwodzie otwartym.

Na koniec zbadaliśmy, w jaki sposób OghmaNano łączy obliczenia oparte na macierzy transferu optycznego z modelowaniem dryfu i dyfuzji oraz w jaki sposób jego baza danych materiałów Lua i system nadpisywania parametrów pozwalają na kontrolowanie właściwości półprzewodników. Razem te narzędzia stanowią platformę do badania wpływu grubości warstwy, domieszkowania, składu stopu i właściwości materiałów na wydajność urządzeń. To samo podejście można rozszerzyć na inne fotowoltaiczne urządzenia z materiałów grupy III–V oraz na heterostruktury półprzewodnikowe.