Моделювання гетероперехідної сонячної батареї AlGaAs/GaAs: структура пристрою, узгодження зон, характеристики залежності струму від напруги (J–V), коефіцієнт квантової ефективності (EQE) та залежність від інтенсивності сонячного випромінювання (Suns–Voc).Моделювання гетероперехідної сонячної батареї AlGaAs/GaAs: структура пристрою, узгодження зон, характеристики залежності струму від напруги (J–V), коефіцієнт квантової ефективності (EQE) та залежність від інтенсивності сонячного випромінювання (Suns–Voc).

1. Вступ: навіщо використовувати гетероперехід AlGaAs/GaAs?1. Вступ: навіщо використовувати гетероперехід AlGaAs/GaAs?

Арсенід галію (GaAs) — це напівпровідник групи III–V із прямою смугою, який широко використовується у високопродуктивних фотоелектричних пристроях. Відносно висока здатність до поглинання випромінювання на довжинах хвиль, що перевищують ширину забороненої зони, дозволяє тонкому поглинаючому шару поглинати значну частину сонячного світла на відповідних довжинах хвиль. Однак, у звичайному гомопереході на основі GaAs можуть виникати небажані оптичні втрати та рекомбінація неосновних носіїв заряду поблизу освітленої поверхні. Використання напівпровідника з ширшою смугою, розміщеного на освітленій стороні, може зменшити ці втрати, якщо його оптичні та електронні властивості будуть правильно підібрані.Арсенід галію (GaAs) — це напівпровідник групи III–V із прямою смугою, який широко використовується у високопродуктивних фотоелектричних пристроях. Відносно висока здатність до поглинання випромінювання на довжинах хвиль, що перевищують ширину забороненої зони, дозволяє тонкому поглинаючому шару поглинати значну частину сонячного світла на відповідних довжинах хвиль. Однак, у звичайному гомопереході на основі GaAs можуть виникати небажані оптичні втрати та рекомбінація неосновних носіїв заряду поблизу освітленої поверхні. Використання напівпровідника з ширшою смугою, розміщеного на освітленій стороні, може зменшити ці втрати, якщо його оптичні та електронні властивості будуть правильно підібрані.

У цьому навчальному посібнику моделюється p-n-перехід Al0.3Ga0.7As (p-тип) / GaAs (n-тип). Верхні два шари AlGaAs утворюють p-n-перехід із широкою забороненою зоною, який виконує функцію вікна/емітера, тоді як нижній шар GaAs (n-тип) забезпечує основну область оптичного поглинання. Різниця в ширині забороненої зони та спорідненості електронів на їхньому межі призводить до розривів у зонах провідності та валентності, окрім електростатичного викривлення, спричиненого іонізованими домішками. Отже, отриманий гетероперехід необхідно аналізувати, враховуючи як різницю в ширині забороненої зони матеріалу, так і квазі-рівні Фермі носіїв заряду; розгляд його як простого PN-діода на основі GaAs призведе до ігнорування важливих фізичних явищ.У цьому навчальному посібнику моделюється p-n-перехід Al0.3Ga0.7As (p-тип) / GaAs (n-тип). Верхні два шари AlGaAs утворюють p-n-перехід із широкою забороненою зоною, який виконує функцію вікна/емітера, тоді як нижній шар GaAs (n-тип) забезпечує основну область оптичного поглинання. Різниця в ширині забороненої зони та спорідненості електронів на їхньому межі призводить до розривів у зонах провідності та валентності, окрім електростатичного викривлення, спричиненого іонізованими домішками. Отже, отриманий гетероперехід необхідно аналізувати, враховуючи як різницю в ширині забороненої зони матеріалу, так і квазі-рівні Фермі носіїв заряду; розгляд його як простого PN-діода на основі GaAs призведе до ігнорування важливих фізичних явищ.

Ми використовуватимемо одномірний розв’язувач рівнянь переносу та дифузії від OghmaNano, який поєднано з обчисленням оптичної генерації. Надана модель містить дані про характеристики приладу під дією освітлення (крива J–V), параметри для обчислень, що залежать від коефіцієнта квантової ефективності та інтенсивності, а також збережені внутрішні профілі. Робочий процес навмисно базується на вже налаштованому прикладі, тому метою є розуміння, запуск і перевірка роботи приладу, а не повторне введення кожного параметра з нуля.Ми використовуватимемо одномірний розв’язувач рівнянь переносу та дифузії від OghmaNano, який поєднано з обчисленням оптичної генерації. Надана модель містить дані про характеристики приладу під дією освітлення (крива J–V), параметри для обчислень, що залежать від коефіцієнта квантової ефективності та інтенсивності, а також збережені внутрішні профілі. Робочий процес навмисно базується на вже налаштованому прикладі, тому метою є розуміння, запуск і перевірка роботи приладу, а не повторне введення кожного параметра з нуля.

У фотоелектричному пристрої поглинуті фотони створюють електронно-діркові пари; селективні контакти витягують носії заряду, і внаслідок цього внутрішній квазірівень Фермі розділяється, що призводить до виникнення напруги розімкнутого контуру. Корисна модель повинна встановлювати зв’язок між оптичним поглинанням і генерацією заряду та електростатикою p–n-переходу, вилученням і рекомбінацією носіїв заряду. У наступних розділах ми детально розглянемо кожен із цих зв’язків.У фотоелектричному пристрої поглинуті фотони створюють електронно-діркові пари; селективні контакти витягують носії заряду, і внаслідок цього внутрішній квазірівень Фермі розділяється, що призводить до виникнення напруги розімкнутого контуру. Корисна модель повинна встановлювати зв’язок між оптичним поглинанням і генерацією заряду та електростатикою p–n-переходу, вилученням і рекомбінацією носіїв заряду. У наступних розділах ми детально розглянемо кожен із цих зв’язків.

2. Створення моделі на основі демонстраційних зразків, виготовлених з арсеніду галію.2. Створення моделі на основі демонстраційних зразків, виготовлених з арсеніду галію.

Відкрийте OghmaNano та оберіть «Нова симуляція». У вікні перегляду симуляцій відкрийте демонстраційні матеріали для GaAs, а потім оберіть гетероперехідну сонячну батарею AlGaAs/GaAs. Вікно вибору та категорію демонстраційних матеріалів можна побачити на ?? та ??. Приклад відкривається в головному вікні, де відображається структура пристрою (??).Відкрийте OghmaNano та оберіть «Нова симуляція». У вікні перегляду симуляцій відкрийте демонстраційні матеріали для GaAs, а потім оберіть гетероперехідну сонячну батарею AlGaAs/GaAs. Вікно вибору та категорію демонстраційних матеріалів можна побачити на ?? та ??. Приклад відкривається в головному вікні, де відображається структура пристрою (??).

Основне вікно містить тривимірне графічне зображення пристрою. Фізична модель, описана тут, використовує просторову варіацію вздовж осі y, перпендикулярної до шарів. Відтворена пластина, таким чином, є способом візуалізації структури та контактів, а не підтвердженням повної тривимірної електричної моделі. Виберіть вкладку «Структура пристрою», щоб переглянути або налаштувати шари; вкладки «Вихід» та «Клеми» використовуватимуться після запуску моделювання.Основне вікно містить тривимірне графічне зображення пристрою. Фізична модель, описана тут, використовує просторову варіацію вздовж осі y, перпендикулярної до шарів. Відтворена пластина, таким чином, є способом візуалізації структури та контактів, а не підтвердженням повної тривимірної електричної моделі. Виберіть вкладку «Структура пристрою», щоб переглянути або налаштувати шари; вкладки «Вихід» та «Клеми» використовуватимуться після запуску моделювання.

Перед проведенням експериментів корисно зберегти окрему копію прикладу. Зберігайте початковий варіант без змін, щоб можна було порівнювати зміни, внесені до складу легуючих речовин, пропорцій сплаву або параметрів міжфазної взаємодії, з робочим еталонним зразком.Перед проведенням експериментів корисно зберегти окрему копію прикладу. Зберігайте початковий варіант без змін, щоб можна було порівнювати зміни, внесені до складу легуючих речовин, пропорцій сплаву або параметрів міжфазної взаємодії, з робочим еталонним зразком.

3. Перевірка епітаксійної структури, допування та складу сплаву.3. Перевірка епітаксійної структури, допування та складу сплаву.

Відкрийте редактор шарів, щоб переглянути чотири епітаксійні області (??). Точна початкова геометрія та легування в цьому прикладі наведено нижче. Усі концентрації виражено як об’ємні концентрації в м−3, як це зберігається в OghmaNano; щоб перевести в см−3, поділіть на 106.Відкрийте редактор шарів, щоб переглянути чотири епітаксійні області (??). Точна початкова геометрія та легування в цьому прикладі наведено нижче. Усі концентрації виражено як об’ємні концентрації в м−3, як це зберігається в OghmaNano; щоб перевести в см−3, поділіть на 106.

Гетероперехід розташований на y = 0,40 мкм, де p-типний випромінювач AlGaAs з’єднується з n-типним поглиначем GaAs. Це одночасно зміна полярності основної домішки та зміна складу напівпровідника. На відміну від цього, перехід на 0,10 мкм всередині AlGaAs і перехід на 3,20 мкм всередині GaAs в основному є зміною концентрації домішки; ці межі не вводять нову матеріальну систему.Гетероперехід розташований на y = 0,40 мкм, де p-типний випромінювач AlGaAs з’єднується з n-типним поглиначем GaAs. Це одночасно зміна полярності основної домішки та зміна складу напівпровідника. На відміну від цього, перехід на 0,10 мкм всередині AlGaAs і перехід на 3,20 мкм всередині GaAs в основному є зміною концентрації домішки; ці межі не вводять нову матеріальну систему.

Відкрита легованість / іони від електричних керуючих елементів (??). На графіку має бути показано високу концентрацію акцепторів поблизу освітленого контакту, нижчу концентрацію акцепторів у решті частини AlGaAs-випромінювача, легованого донорами GaAs-поглинача та більш сильно легований GaAs-задній контакт. Зміна знаку сумарної легованої концентрації визначає p–n-перехід. Легування саме по собі не є оптичним параметром поглинання; воно входить до рівняння Пуассона через іонізований об’ємний заряд і впливає на провідність, рекомбінацію та збір носіїв заряду.Відкрита легованість / іони від електричних керуючих елементів (??). На графіку має бути показано високу концентрацію акцепторів поблизу освітленого контакту, нижчу концентрацію акцепторів у решті частини AlGaAs-випромінювача, легованого донорами GaAs-поглинача та більш сильно легований GaAs-задній контакт. Зміна знаку сумарної легованої концентрації визначає p–n-перехід. Легування саме по собі не є оптичним параметром поглинання; воно входить до рівняння Пуассона через іонізований об’ємний заряд і впливає на провідність, рекомбінацію та збір носіїв заряду.

Далі перевірте склад сплаву (??). Обидва шари AlGaAs мають g_x0 = g_x1 = 0.30: постійну концентрацію алюмінію по всій їхній товщині. Обидва шари GaAs мають g_x0 = g_x1 = 0 у цьому конкретному прикладі. У наданій структурі не передбачено поступової зміни складу. Для лінійно градієнтного шару AlGaAs знадобилися б різні кінцеві значення складу та модель матеріалу Lua, здатна обчислювати локальний склад у кожній точці сітки.Далі перевірте склад сплаву (??). Обидва шари AlGaAs мають g_x0 = g_x1 = 0.30: постійну концентрацію алюмінію по всій їхній товщині. Обидва шари GaAs мають g_x0 = g_x1 = 0 у цьому конкретному прикладі. У наданій структурі не передбачено поступової зміни складу. Для лінійно градієнтного шару AlGaAs знадобилися б різні кінцеві значення складу та модель матеріалу Lua, здатна обчислювати локальний склад у кожній точці сітки.

Вплив шару з широкою забороненою зоною залежить від довжини хвилі. Фотони з енергією, нижчою за поріг поглинання AlGaAs, легше проходять через верхній напівпровідниковий шар, тоді як фотони з енергією, вищою за цей поріг, можуть також поглинатися в емітері. Ступінь цієї переваги залежить від фактичних оптичних констант, товщини шару та внутрішніх властивостей поглинання; лише вміст Al не забезпечує кількісне зменшення втрат на передній поверхні.Вплив шару з широкою забороненою зоною залежить від довжини хвилі. Фотони з енергією, нижчою за поріг поглинання AlGaAs, легше проходять через верхній напівпровідниковий шар, тоді як фотони з енергією, вищою за цей поріг, можуть також поглинатися в емітері. Ступінь цієї переваги залежить від фактичних оптичних констант, товщини шару та внутрішніх властивостей поглинання; лише вміст Al не забезпечує кількісне зменшення втрат на передній поверхні.

4. Моделі електричних матеріалів і різниця енергетичних рівнів на гетеропереходах.4. Моделі електричних матеріалів і різниця енергетичних рівнів на гетеропереходах.

Відкрийте редактор електричних параметрів і перегляньте Lua-скрипти матеріалів, пов’язані з областями (?? і ??). У цьому прикладі параметри матеріалу оцінюються за допомогою зареєстрованих скриптів, а не шляхом встановлення для кожного параметра діапазону окремо фіксованого значення.Відкрийте редактор електричних параметрів і перегляньте Lua-скрипти матеріалів, пов’язані з областями (?? і ??). У цьому прикладі параметри матеріалу оцінюються за допомогою зареєстрованих скриптів, а не шляхом встановлення для кожного параметра діапазону окремо фіксованого значення.

Траєкторії AlGaAs і GaAs Lua мають різні характеристики: Inorganic/AlGaAs/AlGaAs.lua і Inorganic/GaAs/GaAs.lua. Для моделі AlGaAs доступне значення складу верхнього шару, що дорівнює 0,30, що дає змогу обчислювати електричні величини, які залежать від складу. Набори даних для оптичних властивостей налаштовуються окремо: Inorganic/AlGaAs/Adachi для двох шарів AlGaAs і Inorganic/GaAs/Adachi для шарів GaAs. Не слід плутати електричні параметри зон і набори даних для оптичного показника заломлення/поглинання.Траєкторії AlGaAs і GaAs Lua мають різні характеристики: Inorganic/AlGaAs/AlGaAs.lua і Inorganic/GaAs/GaAs.lua. Для моделі AlGaAs доступне значення складу верхнього шару, що дорівнює 0,30, що дає змогу обчислювати електричні величини, які залежать від складу. Набори даних для оптичних властивостей налаштовуються окремо: Inorganic/AlGaAs/Adachi для двох шарів AlGaAs і Inorganic/GaAs/Adachi для шарів GaAs. Не слід плутати електричні параметри зон і набори даних для оптичного показника заломлення/поглинання.

На гетеропереході локальний край зони провідності пов’язаний з електронною спорідненістю за допомогою умовної залежності, що має вигляд \(E_C=-\chi-q\phi\), а край валентної зони – за допомогою \(E_V=E_C-E_g\), за умови, що з обох боків використовується однакова опорна енергія. Отримані розриви зазвичай позначають як \(\Delta E_C\) і \(\Delta E_V\). Вони залежать як від ширини забороненої зони, що визначається складом матеріалу, так і від моделі електронної спорідненості. Отже, більша ширина забороненої зони AlGaAs сама по собі не визначає, як загальна різниця рівнів розподіляється між зонами провідності та валентності.На гетеропереході локальний край зони провідності пов’язаний з електронною спорідненістю за допомогою умовної залежності, що має вигляд \(E_C=-\chi-q\phi\), а край валентної зони – за допомогою \(E_V=E_C-E_g\), за умови, що з обох боків використовується однакова опорна енергія. Отримані розриви зазвичай позначають як \(\Delta E_C\) і \(\Delta E_V\). Вони залежать як від ширини забороненої зони, що визначається складом матеріалу, так і від моделі електронної спорідненості. Отже, більша ширина забороненої зони AlGaAs сама по собі не визначає, як загальна різниця рівнів розподіляється між зонами провідності та валентності.

З фізичної точки зору, достатньо великий пік у зоні провідності може перешкоджати вилученню електронів, тоді як відповідна неперервність у валентній зоні може перешкоджати небажаному руху дірок у протилежному напрямку. Ці ефекти конкурують із дрейфом, дифузією, легуванням, термічною активацією та рекомбінацією. Саме тому змодельована зонна структура є більш інформативною, ніж просте зазначення різниці ширини забороненої зони.З фізичної точки зору, достатньо великий пік у зоні провідності може перешкоджати вилученню електронів, тоді як відповідна неперервність у валентній зоні може перешкоджати небажаному руху дірок у протилежному напрямку. Ці ефекти конкурують із дрейфом, дифузією, легуванням, термічною активацією та рекомбінацією. Саме тому змодельована зонна структура є більш інформативною, ніж просте зазначення різниці ширини забороненої зони.

4.1. Параметри транспортування та рекомбінації4.1. Параметри транспортування та рекомбінації

OghmaNano розв’язує систему пов’язаних рівнянь Пуассона та рівнянь неперервності для електронів і дірок. У наближенні переносу-дифузії щільності струму електронів і дірок залежать від рухливості носіїв заряду, градієнтів концентрації носіїв заряду та електростатичного поля. За загальноприйнятою конвенцією знаків, їх можна виразити наступним чином:OghmaNano розв’язує систему пов’язаних рівнянь Пуассона та рівнянь неперервності для електронів і дірок. У наближенні переносу-дифузії щільності струму електронів і дірок залежать від рухливості носіїв заряду, градієнтів концентрації носіїв заряду та електростатичного поля. За загальноприйнятою конвенцією знаків, їх можна виразити наступним чином:

Електричне поле та концентрація носіїв заряду розраховуються самоузгодженим способом. Під час освітлення рівняння неперервності повинні додатково враховувати фотогенерацію \(G\) і рекомбінацію \(R\). Наприклад, за умови звичайного одномірного визначення струму, \(dJ_n/dy=q(R-G)\) і \(dJ_p/dy=q(G-R)\) у стаціонарному стані. Відповідно, їхня сума повинна залишатися просторово сталою в ідеальному стаціонарному розв’язку без додаткового розподіленого члена, що описує накопичення заряду.Електричне поле та концентрація носіїв заряду розраховуються самоузгодженим способом. Під час освітлення рівняння неперервності повинні додатково враховувати фотогенерацію \(G\) і рекомбінацію \(R\). Наприклад, за умови звичайного одномірного визначення струму, \(dJ_n/dy=q(R-G)\) і \(dJ_p/dy=q(G-R)\) у стаціонарному стані. Відповідно, їхня сума повинна залишатися просторово сталою в ідеальному стаціонарному розв’язку без додаткового розподіленого члена, що описує накопичення заряду.

Формат JSON дає змогу моделювати стаціонарну рекомбінацію за механізмом SRH (ss_srh_enabled = "True") і визначає номінальну енергію пастки в середині забороненої зони, щільність пасток \(N_t=5\times10^{19}\,\mathrm{m}^{-3}\) та ефективну площу захоплення \(\sigma_n=\sigma_p=10^{-22}\,\mathrm{m}^2\) для кожного шару. Ці поля описують налаштовану модель дефектів; необхідно перевірити, чи береться значення поля безпосередньо з JSON, чи перераховується воно за допомогою обраного скрипта для матеріалу, і порівняти його з ефективними значеннями, наданими OghmaNano. Швидкість стандартного однорівневого процесу SRH становить:Формат JSON дає змогу моделювати стаціонарну рекомбінацію за механізмом SRH (ss_srh_enabled = "True") і визначає номінальну енергію пастки в середині забороненої зони, щільність пасток \(N_t=5\times10^{19}\,\mathrm{m}^{-3}\) та ефективну площу захоплення \(\sigma_n=\sigma_p=10^{-22}\,\mathrm{m}^2\) для кожного шару. Ці поля описують налаштовану модель дефектів; необхідно перевірити, чи береться значення поля безпосередньо з JSON, чи перераховується воно за допомогою обраного скрипта для матеріалу, і порівняти його з ефективними значеннями, наданими OghmaNano. Швидкість стандартного однорівневого процесу SRH становить:

У напівпровіднику з прямою забороненою зоною також може бути важливим випромінювальне рекомбінування вільних електронів і вільних дірок, яке зазвичай позначається як \(R_{\mathrm{rad}}=B(np-n_i^2)\). Програма також може надавати коефіцієнти Оже та інші параметри через моделі матеріалів. Не робіть висновків про те, який механізм домінує, лише на основі наявності його налаштувань: використовуйте графіки рекомбінації, фактично увімкнені параметри та значення моделі матеріалу в поточному прикладі. Для цього пристрою відповідну інтерпретацію можна отримати, порівнявши значення для однієї й тієї ж точки напруги та використовуючи узгоджені вертикальні шкали.У напівпровіднику з прямою забороненою зоною також може бути важливим випромінювальне рекомбінування вільних електронів і вільних дірок, яке зазвичай позначається як \(R_{\mathrm{rad}}=B(np-n_i^2)\). Програма також може надавати коефіцієнти Оже та інші параметри через моделі матеріалів. Не робіть висновків про те, який механізм домінує, лише на основі наявності його налаштувань: використовуйте графіки рекомбінації, фактично увімкнені параметри та значення моделі матеріалу в поточному прикладі. Для цього пристрою відповідну інтерпретацію можна отримати, порівнявши значення для однієї й тієї ж точки напруги та використовуючи узгоджені вертикальні шкали.

Режим «електронний редактор» можна використовувати для перевірки рухливості та інших локальних властивостей (??). Під час експериментів зі складними матеріалами залиште налаштування, що змінюють значення ширини забороненої зони та спорідненості електронів, вимкненими, якщо немає конкретної причини для зміни значень Lua: вручну встановлені значення \(E_g\) або \(\chi\) можуть випадково усунути передбачувану залежність від складу.Режим «електронний редактор» можна використовувати для перевірки рухливості та інших локальних властивостей (??). Під час експериментів зі складними матеріалами залиште налаштування, що змінюють значення ширини забороненої зони та спорідненості електронів, вимкненими, якщо немає конкретної причини для зміни значень Lua: вручну встановлені значення \(E_g\) або \(\chi\) можуть випадково усунути передбачувану залежність від складу.

5. Електричні контакти та сітка для моделювання.5. Електричні контакти та сітка для моделювання.

Модель має два зовнішні електричні виводи. Верхній p-анод, позначений як y0, є активним контактом; нижній n-катод, позначений як y1, є заземленим виводом. Обидва використовують омічну межу, де переважають носії заряду одного типу, і блокуючу межу, де переважають носії заряду іншого типу. Це важливий вибір при моделюванні: структура не представлена загальними симетричними контактами, які довільно витягують електрони та дірки. Відкрийте редактор контактів, щоб переглянути рядки контактів (??).Модель має два зовнішні електричні виводи. Верхній p-анод, позначений як y0, є активним контактом; нижній n-катод, позначений як y1, є заземленим виводом. Обидва використовують омічну межу, де переважають носії заряду одного типу, і блокуючу межу, де переважають носії заряду іншого типу. Це важливий вибір при моделюванні: структура не представлена загальними симетричними контактами, які довільно витягують електрони та дірки. Відкрийте редактор контактів, щоб переглянути рядки контактів (??).

На аноді основними носіями заряду є дірки, а другорядними – електрони. На катоді їх ролі змінюються. Отже, застосоване зміщення змінює потенціал на p-виводі відносно заземленого n-виводу. Модель контакту відрізняється від сильно легованих епітаксійних шарів контакту, які є частиною геометрії напівпровідника. Конкретні умови на виводах визначають, як носії заряду покидають обчислювальну область.На аноді основними носіями заряду є дірки, а другорядними – електрони. На катоді їх ролі змінюються. Отже, застосоване зміщення змінює потенціал на p-виводі відносно заземленого n-виводу. Модель контакту відрізняється від сильно легованих епітаксійних шарів контакту, які є частиною геометрії напівпровідника. Конкретні умови на виводах визначають, як носії заряду покидають обчислювальну область.

Електричний розв’язувач налаштовано для одновимірної сітки по осі Y. Його чотири сегменти сітки відстежують чотири значення товщини епітаксиального шару, при цьому номінальна кількість точок у кожному сегменті становить відповідно 10, 17, 156 і 11. Це приблизно 194 задані точки, хоча фактична кількість унікальних вузлів, які використовуються, може залежати від того, як розв’язувач обробляє спільні межі. Обидва бічні напрямки електричної сітки вимкнено. Налаштування сітки відображаються у ??.Електричний розв’язувач налаштовано для одновимірної сітки по осі Y. Його чотири сегменти сітки відстежують чотири значення товщини епітаксиального шару, при цьому номінальна кількість точок у кожному сегменті становить відповідно 10, 17, 156 і 11. Це приблизно 194 задані точки, хоча фактична кількість унікальних вузлів, які використовуються, може залежати від того, як розв’язувач обробляє спільні межі. Обидва бічні напрямки електричної сітки вимкнено. Налаштування сітки відображаються у ??.

Роздільна здатність сітки має значення, особливо поблизу гетероінтерфейсу на відстані 0,40 мкм, де електростатичне викривлення та зміщення енергетичних зон можуть змінюватися на невеликій відстані. Якщо розрахована неперервність енергетичної зони або концентрація носіїв заряду утворює вузький пік, перевірка збіжності сітки є більш переконливою, ніж просто прийняття значень за замовчуванням. Повторіть розрахунок із більш дрібною сіткою для емітера/переходу та порівняйте результати J–V, а також відповідні просторові профілі. Якщо ці результати суттєво змінюються, це означає, що початкова сітка ще не була достатньо деталізована.Роздільна здатність сітки має значення, особливо поблизу гетероінтерфейсу на відстані 0,40 мкм, де електростатичне викривлення та зміщення енергетичних зон можуть змінюватися на невеликій відстані. Якщо розрахована неперервність енергетичної зони або концентрація носіїв заряду утворює вузький пік, перевірка збіжності сітки є більш переконливою, ніж просто прийняття значень за замовчуванням. Повторіть розрахунок із більш дрібною сіткою для емітера/переходу та порівняйте результати J–V, а також відповідні просторові профілі. Якщо ці результати суттєво змінюються, це означає, що початкова сітка ще не була достатньо деталізована.

6. Запуск симуляції J–V з підсвічуванням.6. Запуск симуляції J–V з підсвічуванням.

У наданій конфігурації за замовчуванням обрано режим J–V. Діапазон зміни напруги встановлено від −0,10 В до +1,00 В з кроком 0,02 В. Для освітлення використовується спектр AM1.5G, а базовий масштаб інтенсивності джерела світла становить один сонячний потік (Psun = 1). Оптичне генерування пов’язане з електричним моделюванням за допомогою налаштованої моделі генерації матриці передачі. Задана температура становить 300 К.У наданій конфігурації за замовчуванням обрано режим J–V. Діапазон зміни напруги встановлено від −0,10 В до +1,00 В з кроком 0,02 В. Для освітлення використовується спектр AM1.5G, а базовий масштаб інтенсивності джерела світла становить один сонячний потік (Psun = 1). Оптичне генерування пов’язане з електричним моделюванням за допомогою налаштованої моделі генерації матриці передачі. Задана температура становить 300 К.

Перед запуском перегляньте вкладку «Результати» (??). Натисніть «Запустити моделювання». На вкладці «Термінал» відображається прогрес і результати обчислень; на знімках екрана термінала (?? і ??) показано початковий і подальший етапи обчислення. Зміна відображення в терміналі свідчить про те, що обчислювальний алгоритм працює, але це не є остаточним доказом того, що всі точки зійшлися. Перевірте завершення обчислень, наявність помилок і отримані файли результатів.Перед запуском перегляньте вкладку «Результати» (??). Натисніть «Запустити моделювання». На вкладці «Термінал» відображається прогрес і результати обчислень; на знімках екрана термінала (?? і ??) показано початковий і подальший етапи обчислення. Зміна відображення в терміналі свідчить про те, що обчислювальний алгоритм працює, але це не є остаточним доказом того, що всі точки зійшлися. Перевірте завершення обчислень, наявність помилок і отримані файли результатів.

Після виконання обчислень поверніться до розділу «Результати» та відкрийте jv.csv (??). Світлова характеристика J–V відрізняється за концепцією від характеристики діода в умовах прямого зміщення та відсутності освітлення. Просте вираження першого порядку має вигляд \(J(V)=J_{\mathrm{dark}}(V)-J_{\mathrm{ph}}(V)\), при цьому використовується умовність позначення, згідно з якою отриманий фотострум є від’ємним. Графік, який відображає знак, що використовується в симуляторі, відповідає налаштованій у ньому умовності позначення контактів, тому фізично значущі величини слід визначати на основі значень напруги та струму, а не припускати, що всі графіки фотоелектричних елементів побудовані з використанням однакових знаків.Після виконання обчислень поверніться до розділу «Результати» та відкрийте jv.csv (??). Світлова характеристика J–V відрізняється за концепцією від характеристики діода в умовах прямого зміщення та відсутності освітлення. Просте вираження першого порядку має вигляд \(J(V)=J_{\mathrm{dark}}(V)-J_{\mathrm{ph}}(V)\), при цьому використовується умовність позначення, згідно з якою отриманий фотострум є від’ємним. Графік, який відображає знак, що використовується в симуляторі, відповідає налаштованій у ньому умовності позначення контактів, тому фізично значущі величини слід визначати на основі значень напруги та струму, а не припускати, що всі графіки фотоелектричних елементів побудовані з використанням однакових знаків.

Струм короткого замикання, \(J_{SC}\), – це щільність струму в точці \(V=0\), тоді як напруга розімкнутого кола, \(V_{OC}\), – це напруга, при якій щільність струму на клемах дорівнює нулю. Точка максимальної потужності досягається при застосуванні певного зміщення, яке максимізує величину потужності, що передається на зовнішнє навантаження, а коефіцієнт заповнення визначається наступним чином:Струм короткого замикання, \(J_{SC}\), – це щільність струму в точці \(V=0\), тоді як напруга розімкнутого кола, \(V_{OC}\), – це напруга, при якій щільність струму на клемах дорівнює нулю. Точка максимальної потужності досягається при застосуванні певного зміщення, яке максимізує величину потужності, що передається на зовнішнє навантаження, а коефіцієнт заповнення визначається наступним чином:

За умови стабільно заданої оптичної щільності випромінювання \(P_{\mathrm{in}}\), коефіцієнт перетворення визначається наступним чином \(\eta=|J_{\mathrm{mpp}}V_{\mathrm{mpp}}|/P_{\mathrm{in}}\). Не слід повідомляти про коефіцієнт, спираючись лише на форму кривої: також необхідно враховувати умовну потужність освітлення та надійно визначену точку максимальної потужності.За умови стабільно заданої оптичної щільності випромінювання \(P_{\mathrm{in}}\), коефіцієнт перетворення визначається наступним чином \(\eta=|J_{\mathrm{mpp}}V_{\mathrm{mpp}}|/P_{\mathrm{in}}\). Не слід повідомляти про коефіцієнт, спираючись лише на форму кривої: також необхідно враховувати умовну потужність освітлення та надійно визначену точку максимальної потужності.

Графік залежності J–V є найпростішим способом узагальнення характеристик, але він не пояснює, чому відбувається втрата струму. Зменшення фотоструму може бути спричинене недостатнім поглинанням, неефективним збиранням носіїв заряду або збільшенням рекомбінації; нижча напруга розімкнутого контуру може бути результатом більш інтенсивної рекомбінації або зміни електростатичних властивостей p–n-переходу. З цієї причини в наступних розділах використовуються дані з просторовою роздільною здатністю як діагностичні показники, а не лише графік J–V.Графік залежності J–V є найпростішим способом узагальнення характеристик, але він не пояснює, чому відбувається втрата струму. Зменшення фотоструму може бути спричинене недостатнім поглинанням, неефективним збиранням носіїв заряду або збільшенням рекомбінації; нижча напруга розімкнутого контуру може бути результатом більш інтенсивної рекомбінації або зміни електростатичних властивостей p–n-переходу. З цієї причини в наступних розділах використовуються дані з просторовою роздільною здатністю як діагностичні показники, а не лише графік J–V.

device.csv Візуалізація (??) надає корисну можливість незалежної перевірки, чи відповідають змодельовані фізичні області та їхні межі запланованій геометрії. Інформаційна панель моделювання (??) корисна під час порівняння різних варіантів моделювання та перевірки налаштувань, пов’язаних із певним результатом.device.csv Візуалізація (??) надає корисну можливість незалежної перевірки, чи відповідають змодельовані фізичні області та їхні межі запланованій геометрії. Інформаційна панель моделювання (??) корисна під час порівняння різних варіантів моделювання та перевірки налаштувань, пов’язаних із певним результатом.

7. Діаграми зон, концентрація носіїв заряду та транспорт через гетероперехід.7. Діаграми зон, концентрація носіїв заряду та транспорт через гетероперехід.

Відкрийте збережені знімки екрана у вікні перегляду результатів і переміщуйте повзунок знімка екрана між точками зміщення. На чотирьох скріншотах кожної величини, наведених нижче, показано різні збережені стани, отримані в результаті одного й того ж обчислення; їхні числові шкали та позначення зміщення слід зчитувати безпосередньо з відповідного вікна перегляду. Під час порівняння двох станів спочатку визначте, чи мають вони однакові межі осі та яку величину, що відображається на графіку, порівнюють.Відкрийте збережені знімки екрана у вікні перегляду результатів і переміщуйте повзунок знімка екрана між точками зміщення. На чотирьох скріншотах кожної величини, наведених нижче, показано різні збережені стани, отримані в результаті одного й того ж обчислення; їхні числові шкали та позначення зміщення слід зчитувати безпосередньо з відповідного вікна перегляду. Під час порівняння двох станів спочатку визначте, чи мають вони однакові межі осі та яку величину, що відображається на графіку, порівнюють.

7.1. Зона провідності та валентна зона, рівень Фермі.7.1. Зона провідності та валентна зона, рівень Фермі.

Діаграма зонної структури є найбільш наочним способом ідентифікації гетеропереходу AlGaAs/GaAs (??–??). Межа між матеріалами розташована на відстані 0,40 мкм. Різке зміщення локальних країв зонної структури в цій точці відображає зміщення енергетичних рівнів матеріалів, тоді як плавна зміна кривизни в інших місцях відображає електростатичні властивості. Ця відмінність є ключовою: гетероперехід не можна інтерпретувати лише на основі безперервно викривленої зонної структури GaAs.Діаграма зонної структури є найбільш наочним способом ідентифікації гетеропереходу AlGaAs/GaAs (??–??). Межа між матеріалами розташована на відстані 0,40 мкм. Різке зміщення локальних країв зонної структури в цій точці відображає зміщення енергетичних рівнів матеріалів, тоді як плавна зміна кривизни в інших місцях відображає електростатичні властивості. Ця відмінність є ключовою: гетероперехід не можна інтерпретувати лише на основі безперервно викривленої зонної структури GaAs.

У стані термічної рівноваги електрохімічні потенціали електронів і дірок збігаються, утворюючи спільний рівень Фермі. За межами рівноваги рівні квазі-Фермі для електронів і дірок можуть розходитися. Їхня різниця є мірою локальної нерівноважності носіїв заряду та пов’язана з локальним добутком концентрацій електронів і дірок. У відкритому контурі кінцева напруга відображає різницю між електрохімічними потенціалами, встановленими на селективних контактах; не слід прирівнювати окрему локальну різницю рівнів квазі-Фермі на певній глибині до виміряної напруги у відкритому контурі.У стані термічної рівноваги електрохімічні потенціали електронів і дірок збігаються, утворюючи спільний рівень Фермі. За межами рівноваги рівні квазі-Фермі для електронів і дірок можуть розходитися. Їхня різниця є мірою локальної нерівноважності носіїв заряду та пов’язана з локальним добутком концентрацій електронів і дірок. У відкритому контурі кінцева напруга відображає різницю між електрохімічними потенціалами, встановленими на селективних контактах; не слід прирівнювати окрему локальну різницю рівнів квазі-Фермі на певній глибині до виміряної напруги у відкритому контурі.

У міру зміни прикладеної напруги електростатичний потенціал і розподіл носіїв зарядів змінюються одночасно. За умови прямого електричного зміщення висота потенційного бар’єру в області переходу зменшується порівняно зі станом рівноваги; під час фотоелектричної роботи фотоносії створюють нерівноважну популяцію та фотонапругу. Будь-який видимий стрибок на графіку квазірівня Фермі слід розглядати разом із потоком струму та роздільною здатністю сітки, перш ніж інтерпретувати його як фізично різку електрохімічну напругу.У міру зміни прикладеної напруги електростатичний потенціал і розподіл носіїв зарядів змінюються одночасно. За умови прямого електричного зміщення висота потенційного бар’єру в області переходу зменшується порівняно зі станом рівноваги; під час фотоелектричної роботи фотоносії створюють нерівноважну популяцію та фотонапругу. Будь-який видимий стрибок на графіку квазірівня Фермі слід розглядати разом із потоком струму та роздільною здатністю сітки, перш ніж інтерпретувати його як фізично різку електрохімічну напругу.

7.2. Концентрація електронів і дірок.7.2. Концентрація електронів і дірок.

Графіки залежності концентрації носіїв заряду (??–??) дозволяють розрізнити області з домінуючими носіями заряду від областей, де присутні ін’єкційні або фотогенеровані носії заряду меншості. У p-типі емітера в стані рівноваги домінуючими носіями є дірки, а в n-типі абсорбера – електрони. Профілі концентрації носіїв заряду меншості містять важливу інформацію про збір і рекомбінацію, особливо на стороні GaAs p–n-переходу.Графіки залежності концентрації носіїв заряду (??–??) дозволяють розрізнити області з домінуючими носіями заряду від областей, де присутні ін’єкційні або фотогенеровані носії заряду меншості. У p-типі емітера в стані рівноваги домінуючими носіями є дірки, а в n-типі абсорбера – електрони. Профілі концентрації носіїв заряду меншості містять важливу інформацію про збір і рекомбінацію, особливо на стороні GaAs p–n-переходу.

Концентрації електронів і дірок чутливі до ефективної щільності станів, зсуву енергетичних зон, електростатичного потенціалу та балансу процесів генерації та рекомбінації. Отже, зміни концентрації не можна пояснювати виключно профілем легування. Різке збільшення концентрації поблизу гетеропереходу може бути наслідком сукупної дії локальної узгодженості енергетичних зон і процесів дрейфу та дифузії.Концентрації електронів і дірок чутливі до ефективної щільності станів, зсуву енергетичних зон, електростатичного потенціалу та балансу процесів генерації та рекомбінації. Отже, зміни концентрації не можна пояснювати виключно профілем легування. Різке збільшення концентрації поблизу гетеропереходу може бути наслідком сукупної дії локальної узгодженості енергетичних зон і процесів дрейфу та дифузії.

7.3. Щільність струму електронів і дірок.7.3. Щільність струму електронів і дірок.

Графіки струму електронів і дірок (??–??) показують, як загальний струм на виводі розподіляється між двома типами носіїв заряду в залежності від глибини. Фотогенерація створює як електрони, так і дірки, але спосіб, яким кожен з цих типів носіїв впливає на струм, змінюється в межах пристрою відповідно до локальної генерації, рекомбінації, рухливості та електричного поля.Графіки струму електронів і дірок (??–??) показують, як загальний струм на виводі розподіляється між двома типами носіїв заряду в залежності від глибини. Фотогенерація створює як електрони, так і дірки, але спосіб, яким кожен з цих типів носіїв впливає на струм, змінюється в межах пристрою відповідно до локальної генерації, рекомбінації, рухливості та електричного поля.

У стаціонарному одновимірному обчисленні сума знакових струмів електронів і дірок має бути постійною в будь-якій точці, віддаленій від будь-якого явно змодельованого розподіленого джерела струму або втрат. Однак, кожна окрема складова не обов’язково має бути постійною: у міру генерації та рекомбінації носіїв заряду, складові струму електронів і дірок обмінюються внесками, зберігаючи при цьому загальний струм. Це є ефективним способом перевірки узгодженості отриманого рішення.У стаціонарному одновимірному обчисленні сума знакових струмів електронів і дірок має бути постійною в будь-якій точці, віддаленій від будь-якого явно змодельованого розподіленого джерела струму або втрат. Однак, кожна окрема складова не обов’язково має бути постійною: у міру генерації та рекомбінації носіїв заряду, складові струму електронів і дірок обмінюються внесками, зберігаючи при цьому загальний струм. Це є ефективним способом перевірки узгодженості отриманого рішення.

Деякі графіки можуть демонструвати особливо виражені зміни в умовах низьких струмів. Не робіть висновків про наявність фізичного бар’єра для транспортування на основі лише одного зашумленого графіка: проаналізуйте межі зон, концентрацію носіїв заряду та компоненти струму, враховуючи їхні знаки, і перевірте, чи змінюється ця характеристика при уточненні сітки. Окремий графік, що відображає рухливість (??), надає зручний спосіб перегляду змодельованих локальних коефіцієнтів транспортування та визначення того, чи змінюються вони залежно від матеріалу або складу.Деякі графіки можуть демонструвати особливо виражені зміни в умовах низьких струмів. Не робіть висновків про наявність фізичного бар’єра для транспортування на основі лише одного зашумленого графіка: проаналізуйте межі зон, концентрацію носіїв заряду та компоненти струму, враховуючи їхні знаки, і перевірте, чи змінюється ця характеристика при уточненні сітки. Окремий графік, що відображає рухливість (??), надає зручний спосіб перегляду змодельованих локальних коефіцієнтів транспортування та визначення того, чи змінюються вони залежно від матеріалу або складу.

8. Рекомбінація, концентрація носіїв заряду та фотогенерація.8. Рекомбінація, концентрація носіїв заряду та фотогенерація.

Струм, що генерується сонячною батареєю, є результатом змагання між процесами генерації та втрат. Фотони, поглинуті в пристрої, створюють носії заряду, але лише частина цих носіїв досягає селективних контактів. Локальні рівняння неперервності електронів і дірок відображають цю рівновагу. OghmaNano демонструє широкий діапазон швидкостей вихідного струму, які можна порівнювати не лише шляхом інтегрованого вимірювання струму в пристрої, а й просторово.Струм, що генерується сонячною батареєю, є результатом змагання між процесами генерації та втрат. Фотони, поглинуті в пристрої, створюють носії заряду, але лише частина цих носіїв досягає селективних контактів. Локальні рівняння неперервності електронів і дірок відображають цю рівновагу. OghmaNano демонструє широкий діапазон швидкостей вихідного струму, які можна порівнювати не лише шляхом інтегрованого вимірювання струму в пристрої, а й просторово.

8.1. Рекомбінація проти застосування упередженого підходу.8.1. Рекомбінація проти застосування упередженого підходу.

Відкрийте профілі рекомбінації (??–??). Швидкість рекомбінації – це об’ємна швидкість, яка зазвичай виражається в кількості носіїв заряду на кубічний метр за секунду; її не слід порівнювати чисельно зі щільністю струму без інтегрування по відстані та множення на елементарний заряд. Для одновимірного пристрою наведено приклад щільності рекомбінаційного струму \(J_{\mathrm{rec}}=q\int R(y)\,dy\), що відповідає обраному визначенню чистої швидкості та межам.Відкрийте профілі рекомбінації (??–??). Швидкість рекомбінації – це об’ємна швидкість, яка зазвичай виражається в кількості носіїв заряду на кубічний метр за секунду; її не слід порівнювати чисельно зі щільністю струму без інтегрування по відстані та множення на елементарний заряд. Для одновимірного пристрою наведено приклад щільності рекомбінаційного струму \(J_{\mathrm{rec}}=q\int R(y)\,dy\), що відповідає обраному визначенню чистої швидкості та межам.

Порівнюйте не лише максимальні значення, але й ширину та розташування цих значень. Просторово вузький пік може менше впливати на загальну величину втрат, ніж помірне значення, яке поширюється на всю область поглинання. Під час порівняння механізмів використовуйте однакову напругу та область. У гетеропереході накопичення носіїв заряду поблизу смуги розриву може локально збільшувати рекомбінацію, але важливим діагностичним показником є те, чи можна фактично спостерігати таке накопичення на графіках щільності та смуг.Порівнюйте не лише максимальні значення, але й ширину та розташування цих значень. Просторово вузький пік може менше впливати на загальну величину втрат, ніж помірне значення, яке поширюється на всю область поглинання. Під час порівняння механізмів використовуйте однакову напругу та область. У гетеропереході накопичення носіїв заряду поблизу смуги розриву може локально збільшувати рекомбінацію, але важливим діагностичним показником є те, чи можна фактично спостерігати таке накопичення на графіках щільності та смуг.

8.2. Швидкість рекомбінації електронів і дірок.8.2. Швидкість рекомбінації електронів і дірок.

Зв’язані вихідні дані, що відображають швидкість рекомбінації електронно-діркових пар (??–??), допомагають порівнювати значення швидкостей, які відображаються у вікні перегляду. Важливо розрізняти загальну рекомбінацію від будь-якої окремої реакції захоплення, випромінювання, генерації або переходу вільних носіїв заряду. Не кожна відображена швидкість обов’язково є незалежним механізмом втрат; підсумовування відображених кривих без перевірки їхніх визначень може призвести до подвійного підрахунку шляхів передачі.Зв’язані вихідні дані, що відображають швидкість рекомбінації електронно-діркових пар (??–??), допомагають порівнювати значення швидкостей, які відображаються у вікні перегляду. Важливо розрізняти загальну рекомбінацію від будь-якої окремої реакції захоплення, випромінювання, генерації або переходу вільних носіїв заряду. Не кожна відображена швидкість обов’язково є незалежним механізмом втрат; підсумовування відображених кривих без перевірки їхніх визначень може призвести до подвійного підрахунку шляхів передачі.

Для каналу радіативної рекомбінації загалом відоме правило \(R_{\mathrm{rad}}=B(np-n_i^2)\) пояснює, чому рекомбінація збільшується зі збільшенням концентрації носіїв заряду. Натомість рекомбінація за механізмом SRH залежить від заповненості пасток і кінетики захоплення. Відносна величина цих процесів залежить від ефективних параметрів матеріалу в конкретному випадку. У цьому навчальному посібнику не передбачається, що радіативна рекомбінація домінує у всіх шарах або при всіх значеннях зміщення лише тому, що GaAs є напівпровідником із прямою забороненою зоною.Для каналу радіативної рекомбінації загалом відоме правило \(R_{\mathrm{rad}}=B(np-n_i^2)\) пояснює, чому рекомбінація збільшується зі збільшенням концентрації носіїв заряду. Натомість рекомбінація за механізмом SRH залежить від заповненості пасток і кінетики захоплення. Відносна величина цих процесів залежить від ефективних параметрів матеріалу в конкретному випадку. У цьому навчальному посібнику не передбачається, що радіативна рекомбінація домінує у всіх шарах або при всіх значеннях зміщення лише тому, що GaAs є напівпровідником із прямою забороненою зоною.

8.3. Профіль покоління.8.3. Профіль покоління.

Швидкість генерації оптичних носіїв принципово відрізняється від швидкості рекомбінації: це джерело, а не втрата. Для потоку фотонів, що залежить від довжини хвилі \(\Phi(\lambda,y)\), і коефіцієнта поглинання \(\alpha(\lambda,y)\), існує проста локальна залежність \(G(y)=\int \alpha(\lambda,y)\Phi(\lambda,y)\,d\lambda\), причому точний розрахунок залежить від інтерференції, відбиття та визначення поля обраної оптичної моделі.Швидкість генерації оптичних носіїв принципово відрізняється від швидкості рекомбінації: це джерело, а не втрата. Для потоку фотонів, що залежить від довжини хвилі \(\Phi(\lambda,y)\), і коефіцієнта поглинання \(\alpha(\lambda,y)\), існує проста локальна залежність \(G(y)=\int \alpha(\lambda,y)\Phi(\lambda,y)\,d\lambda\), причому точний розрахунок залежить від інтерференції, відбиття та визначення поля обраної оптичної моделі.

Збережені профілі генерації (?? і ??) дають змогу побачити, де утворюються фотоносії. Більш інтенсивна генерація поблизу освітленої сторони може бути наслідком експоненційного поглинання; інтерференція та поглинання, що залежить від довжини хвилі, можуть призводити до більш складної залежності від глибини. Оптично згенерований носій не обов’язково є зібраним носієм, тому генерацію необхідно вивчати разом із графіками струму та рекомбінації.Збережені профілі генерації (?? і ??) дають змогу побачити, де утворюються фотоносії. Більш інтенсивна генерація поблизу освітленої сторони може бути наслідком експоненційного поглинання; інтерференція та поглинання, що залежить від довжини хвилі, можуть призводити до більш складної залежності від глибини. Оптично згенерований носій не обов’язково є зібраним носієм, тому генерацію необхідно вивчати разом із графіками струму та рекомбінації.

9. Зовнішній квантовий вихід: залежність від довжини хвилі процесу збору носіїв заряду.9. Зовнішній квантовий вихід: залежність від довжини хвилі процесу збору носіїв заряду.

Зовнішня квантова ефективність (ЗКЕ) визначає кількість електронів, зібраних за допомогою зовнішнього кола, на кожен фотон, що потрапляє на пристрій при заданій довжині хвилі, з урахуванням знаку та нормалізації, які використовуються для вихідного сигналу. В ідеальному випадку, коли на кожен фотон збирається один електрон \(EQE(\lambda)=J_{\mathrm{photo}}(\lambda)/(q\Phi_{\mathrm{incident}}(\lambda))\), спектральний струм і потік фотонів виражаються узгоджено.Зовнішня квантова ефективність (ЗКЕ) визначає кількість електронів, зібраних за допомогою зовнішнього кола, на кожен фотон, що потрапляє на пристрій при заданій довжині хвилі, з урахуванням знаку та нормалізації, які використовуються для вихідного сигналу. В ідеальному випадку, коли на кожен фотон збирається один електрон \(EQE(\lambda)=J_{\mathrm{photo}}(\lambda)/(q\Phi_{\mathrm{incident}}(\lambda))\), спектральний струм і потік фотонів виражаються узгоджено.

Щоб відкрити обчислення EQE, виберіть опцію моделювання EQE в OghmaNano та запустіть його, а потім перегляньте збережений результат у розділі «Результати» (??). Наданий файл моделювання також містить налаштовану довжину хвилі для тестування EQE, яка становить 710 нм; не слід приймати це налаштування за повний, виміряний або розрахований широкосмуговий спектр EQE, якщо фактично не було виконано сканування довжин хвиль і результат не містить цей спектр.Щоб відкрити обчислення EQE, виберіть опцію моделювання EQE в OghmaNano та запустіть його, а потім перегляньте збережений результат у розділі «Результати» (??). Наданий файл моделювання також містить налаштовану довжину хвилі для тестування EQE, яка становить 710 нм; не слід приймати це налаштування за повний, виміряний або розрахований широкосмуговий спектр EQE, якщо фактично не було виконано сканування довжин хвиль і результат не містить цей спектр.

Для GaAs фотони з енергією, близькою до або вищою за ширину забороненої зони, відповідають області спектра, що лежить у межах ближнього інфрачервоного та видимого діапазонів, де проявляється фотоелектрична реакція. Випромінювач AlGaAs із більшою шириною забороненої зони може бути більш прозорим у певній частині корисного діапазону поглинання GaAs, що збільшує частку світла, доступного для поглинання. На дуже коротких довжинах хвиль поглинання в передній частині AlGaAs і рекомбінація носіїв, що утворюються поблизу поверхні, можуть зменшити ефективність збору. На більших довжинах хвиль, поблизу межі поглинання GaAs, неповне поглинання у поглиначі скінченної товщини (2,8 мкм) може стати важливим фактором. Кількісні спектральні висновки слід робити на основі розрахованої кривої ККЕ (коефіцієнт квантової ефективності) та підтверджених оптичних даних, а не на основі лише ширини забороненої зони.Для GaAs фотони з енергією, близькою до або вищою за ширину забороненої зони, відповідають області спектра, що лежить у межах ближнього інфрачервоного та видимого діапазонів, де проявляється фотоелектрична реакція. Випромінювач AlGaAs із більшою шириною забороненої зони може бути більш прозорим у певній частині корисного діапазону поглинання GaAs, що збільшує частку світла, доступного для поглинання. На дуже коротких довжинах хвиль поглинання в передній частині AlGaAs і рекомбінація носіїв, що утворюються поблизу поверхні, можуть зменшити ефективність збору. На більших довжинах хвиль, поблизу межі поглинання GaAs, неповне поглинання у поглиначі скінченної товщини (2,8 мкм) може стати важливим фактором. Кількісні спектральні висновки слід робити на основі розрахованої кривої ККЕ (коефіцієнт квантової ефективності) та підтверджених оптичних даних, а не на основі лише ширини забороненої зони.

ККЕ (коефіцієнт квантової ефективності) не є еквівалентним оптичному поглинанню: поглинання враховує кількість поглинених фотонів; ККЕ враховує кількість зібраних носіїв заряду. Порівняння цих показників дозволяє виявити електричні втрати під час збору. Якщо поглинання високе, але ККЕ низький на певній довжині хвилі, слід проаналізувати просторовий профіль генерації та характеристики рекомбінації/транспорту в шарі, в якому поглинаються ці фотони.ККЕ (коефіцієнт квантової ефективності) не є еквівалентним оптичному поглинанню: поглинання враховує кількість поглинених фотонів; ККЕ враховує кількість зібраних носіїв заряду. Порівняння цих показників дозволяє виявити електричні втрати під час збору. Якщо поглинання високе, але ККЕ низький на певній довжині хвилі, слід проаналізувати просторовий профіль генерації та характеристики рекомбінації/транспорту в шарі, в якому поглинаються ці фотони.

10. Обчислення інтенсивності освітлення для моделей Suns–Voc і Suns–Jsc.10. Обчислення інтенсивності освітлення для моделей Suns–Voc і Suns–Jsc.

10.1. Suns–Voc10.1. Suns–Voc

Програма Suns–Voc досліджує залежність напруги розімкненого контуру від інтенсивності освітлення. Розімкнений контур визначається нульовим чистим зовнішнім струмом, тому фотогенерувані носії заряду створюють напругу замість того, щоб передавати енергію на навантаження. Наведений приклад містить конфігурацію Suns–Voc, яка охоплює діапазон інтенсивності від 0,01 до 1000 сонячних одиниць з використанням мультиплікативних кроків 1,2. Перейдіть до цього режиму моделювання та перегляньте його параметри виводу (??) і графік (??).Програма Suns–Voc досліджує залежність напруги розімкненого контуру від інтенсивності освітлення. Розімкнений контур визначається нульовим чистим зовнішнім струмом, тому фотогенерувані носії заряду створюють напругу замість того, щоб передавати енергію на навантаження. Наведений приклад містить конфігурацію Suns–Voc, яка охоплює діапазон інтенсивності від 0,01 до 1000 сонячних одиниць з використанням мультиплікативних кроків 1,2. Перейдіть до цього режиму моделювання та перегляньте його параметри виводу (??) і графік (??).

В ідеалізованій моделі діода з приблизно незалежною від освітлення фізикою рекомбінації, залежність \(V_{OC}\approx(n_{\mathrm{id}}k_BT/q)\ln(J_{\mathrm{ph}}/J_0+1)\) передбачає приблизно логарифмічне збільшення напруги розімкнутого контуру зі збільшенням інтенсивності світла. Тут \(n_{\mathrm{id}}\) є ефективним коефіцієнтом ідеальності. У гетероструктурному пристрої локальний розподіл носіїв заряду, зміщення смуг, канали рекомбінації та поведінка при високій ін’єкції можуть змінюватися зі зміною інтенсивності, тому ефективний нахил не обов’язково має бути постійним протягом усього діапазону.В ідеалізованій моделі діода з приблизно незалежною від освітлення фізикою рекомбінації, залежність \(V_{OC}\approx(n_{\mathrm{id}}k_BT/q)\ln(J_{\mathrm{ph}}/J_0+1)\) передбачає приблизно логарифмічне збільшення напруги розімкнутого контуру зі збільшенням інтенсивності світла. Тут \(n_{\mathrm{id}}\) є ефективним коефіцієнтом ідеальності. У гетероструктурному пристрої локальний розподіл носіїв заряду, зміщення смуг, канали рекомбінації та поведінка при високій ін’єкції можуть змінюватися зі зміною інтенсивності, тому ефективний нахил не обов’язково має бути постійним протягом усього діапазону.

Метод Suns–Voc є цінним інструментом для дослідження характеристик діода в умовах нульового струму. Він сам по собі не враховує всі втрати напруги, спричинені проходженням струму через резистивний контакт або транспортний шар в умовах генерації енергії. Тому порівняння поведінки Suns–Voc з кривою J–V, отриманою під дією освітлення, може допомогти відокремити обмеження, пов’язані з рекомбінацією, від втрат при транспортуванні, які залежать від струму, хоча для інтерпретації такої різниці необхідна узгодженість параметрів освітлення, моделей рекомбінації та визначень напруги.Метод Suns–Voc є цінним інструментом для дослідження характеристик діода в умовах нульового струму. Він сам по собі не враховує всі втрати напруги, спричинені проходженням струму через резистивний контакт або транспортний шар в умовах генерації енергії. Тому порівняння поведінки Suns–Voc з кривою J–V, отриманою під дією освітлення, може допомогти відокремити обмеження, пов’язані з рекомбінацією, від втрат при транспортуванні, які залежать від струму, хоча для інтерпретації такої різниці необхідна узгодженість параметрів освітлення, моделей рекомбінації та визначень напруги.

10.2. Suns–Jsc10.2. Suns–Jsc

Програма Suns–Jsc досліджує залежність струму короткого замикання від інтенсивності освітлення. У наведеному прикладі налаштовано послідовність, яка починається зі значення 0,01 сонячної одиниці та закінчується значенням 10 сонячних одиниць, при цьому використовується мультиплікативний коефіцієнт інтенсивності 1,05 і збережене початкове значення sundp = 0.01. Використовуйте селектор симуляції Suns–Jsc і перегляньте результат у ?? та ??.Програма Suns–Jsc досліджує залежність струму короткого замикання від інтенсивності освітлення. У наведеному прикладі налаштовано послідовність, яка починається зі значення 0,01 сонячної одиниці та закінчується значенням 10 сонячних одиниць, при цьому використовується мультиплікативний коефіцієнт інтенсивності 1,05 і збережене початкове значення sundp = 0.01. Використовуйте селектор симуляції Suns–Jsc і перегляньте результат у ?? та ??.

У найпростішому режимі зі сталою ефективністю збору, короткозамкнений струм приблизно лінійно залежить від потоку фотонів, що падають на поверхню, тому \(|J_{SC}|\propto P_{\mathrm{sun}}\). Систематичне відхилення від лінійності може свідчити про залежність збору, рекомбінації або транспорту носіїв заряду від інтенсивності. Однак, при інтерпретації слід також враховувати, як код змінює масштаб оптичного освітлення та чи досягається числова збіжність для кожної точки.У найпростішому режимі зі сталою ефективністю збору, короткозамкнений струм приблизно лінійно залежить від потоку фотонів, що падають на поверхню, тому \(|J_{SC}|\propto P_{\mathrm{sun}}\). Систематичне відхилення від лінійності може свідчити про залежність збору, рекомбінації або транспорту носіїв заряду від інтенсивності. Однак, при інтерпретації слід також враховувати, як код змінює масштаб оптичного освітлення та чи досягається числова збіжність для кожної точки.

Обидва методи вимірювання інтенсивності дають відповіді на різні питання: метод «Suns–Voc» досліджує напругу, що виникає за відсутності зовнішнього струму, тоді як метод «Suns–Jsc» досліджує зібраний струм при напрузі, близькій до нуля. Їх слід аналізувати разом із звичайною кривою J–V, отриманою при стандартному освітленні, а не використовувати як заміну для неї.Обидва методи вимірювання інтенсивності дають відповіді на різні питання: метод «Suns–Voc» досліджує напругу, що виникає за відсутності зовнішнього струму, тоді як метод «Suns–Jsc» досліджує зібраний струм при напрузі, близькій до нуля. Їх слід аналізувати разом із звичайною кривою J–V, отриманою при стандартному освітленні, а не використовувати як заміну для неї.

11. Оптичне моделювання та просторовий розподіл фотогенерованих носіїв заряду11. Оптичне моделювання та просторовий розподіл фотогенерованих носіїв заряду

Електричний розв’язувач потребує значення просторової швидкості фотогенерації, але це значення надається оптичним розрахунком. У наведеному прикладі джерело світла налаштовано для сонячного спектра AM1.5G, світло падає зверху (сторона y0), а модель генерації використовує матрицю передачі. Спектральна сітка охоплює діапазон 320–1100 нм і містить 201 задану точку довжини хвилі; окрема оптична просторова сітка охоплює всю площу пристрою розміром 3,4 мкм і містить 200 заданих точок. Це оптичні дискретизації, які відрізняються від електричної сітки, описаної раніше.Електричний розв’язувач потребує значення просторової швидкості фотогенерації, але це значення надається оптичним розрахунком. У наведеному прикладі джерело світла налаштовано для сонячного спектра AM1.5G, світло падає зверху (сторона y0), а модель генерації використовує матрицю передачі. Спектральна сітка охоплює діапазон 320–1100 нм і містить 201 задану точку довжини хвилі; окрема оптична просторова сітка охоплює всю площу пристрою розміром 3,4 мкм і містить 200 заданих точок. Це оптичні дискретизації, які відрізняються від електричної сітки, описаної раніше.

Відкрийте оптичний інтерфейс і виберіть доступні вкладки виводу (??–??). На скріншотах показано різні види оптичних графіків, зокрема графіки, які можуть містити невелику кількість даних або бути порожніми для певних вибраних параметрів. Порожню панель не слід автоматично інтерпретувати як нульове оптичне поглинання: спочатку перевірте, чи було виконано відповідне оптичне обчислення, чи існує відповідний набір даних для виводу, і чи охоплюють його діапазон довжин хвиль або просторових координат вибрані осі.Відкрийте оптичний інтерфейс і виберіть доступні вкладки виводу (??–??). На скріншотах показано різні види оптичних графіків, зокрема графіки, які можуть містити невелику кількість даних або бути порожніми для певних вибраних параметрів. Порожню панель не слід автоматично інтерпретувати як нульове оптичне поглинання: спочатку перевірте, чи було виконано відповідне оптичне обчислення, чи існує відповідний набір даних для виводу, і чи охоплюють його діапазон довжин хвиль або просторових координат вибрані осі.

Метод матриці передачі дозволяє оцінити, як прямо- і зворотньо поширювані оптичні хвилі взаємодіють із шаром, що складається з декількох шарів із комплексними показниками заломлення \(\tilde n(\lambda)=n(\lambda)+ik(\lambda)\). Отримане рішення враховує відбиття та інтерференцію; локальне поглинання потім перетворюється на швидкість генерації з використанням енергії фотонів. Для поглинача на основі арсеніду галію (GaAs) коефіцієнт поглинання, що залежить від довжини хвилі, є важливим вхідним параметром, оскільки він визначає, де фотони з різною енергією поглинаються всередині шару товщиною 2,8 мкм.Метод матриці передачі дозволяє оцінити, як прямо- і зворотньо поширювані оптичні хвилі взаємодіють із шаром, що складається з декількох шарів із комплексними показниками заломлення \(\tilde n(\lambda)=n(\lambda)+ik(\lambda)\). Отримане рішення враховує відбиття та інтерференцію; локальне поглинання потім перетворюється на швидкість генерації з використанням енергії фотонів. Для поглинача на основі арсеніду галію (GaAs) коефіцієнт поглинання, що залежить від довжини хвилі, є важливим вхідним параметром, оскільки він визначає, де фотони з різною енергією поглинаються всередині шару товщиною 2,8 мкм.

При інтерпретації оптичних даних AlGaAs слід приділяти особливу увагу. Електрична модель матеріалу використовує чітко визначену частку легованого компонента, тоді як обрана база даних оптичних матеріалів використовується незалежно. Перед використанням розрахунків для кількісного спектрального проєктування перевірте, чи дійсно набір даних Inorganic/AlGaAs/Adachi містить відповідну інформацію про залежність складу від довжини хвилі. Електрична частка легованого компонента, що дорівнює 0,30, не є доказом того, що кожна оптична константа правильно змінюється зі зміною складу.При інтерпретації оптичних даних AlGaAs слід приділяти особливу увагу. Електрична модель матеріалу використовує чітко визначену частку легованого компонента, тоді як обрана база даних оптичних матеріалів використовується незалежно. Перед використанням розрахунків для кількісного спектрального проєктування перевірте, чи дійсно набір даних Inorganic/AlGaAs/Adachi містить відповідну інформацію про залежність складу від довжини хвилі. Електрична частка легованого компонента, що дорівнює 0,30, не є доказом того, що кожна оптична константа правильно змінюється зі зміною складу.

Аналогічно, змодельована одновимірна структура ідеалізує оптичну геометрію. Вона не моделює окремо виготовлену передню металеву решітку, бічне розповсюдження струму, структуру поверхні, детальні антиблікові покриття або дефекти, що виникають у реальному епітаксіальному процесі, якщо ці характеристики не включені безпосередньо в оптичні та електричні моделі. Таким чином, оптичний аналіз особливо корисний для розуміння тенденцій і виявлення ймовірних спектральних втрат, тоді як для порівняння з виміряними характеристиками елементів потрібна ретельно підібрана структура та відкалібровані дані про матеріали.Аналогічно, змодельована одновимірна структура ідеалізує оптичну геометрію. Вона не моделює окремо виготовлену передню металеву решітку, бічне розповсюдження струму, структуру поверхні, детальні антиблікові покриття або дефекти, що виникають у реальному епітаксіальному процесі, якщо ці характеристики не включені безпосередньо в оптичні та електричні моделі. Таким чином, оптичний аналіз особливо корисний для розуміння тенденцій і виявлення ймовірних спектральних втрат, тоді як для порівняння з виміряними характеристиками елементів потрібна ретельно підібрана структура та відкалібровані дані про матеріали.

12. Припущення, перевірки та обмеження12. Припущення, перевірки та обмеження

Цей приклад слід розглядати як практичну чисельну демонстрацію гетеропереходу AlGaAs/GaAs, а не як підтверджене прогнозування сертифікованої ефективності конкретної виготовленої сонячної батареї. Чотирьохшарова структура, контакти та сітка отримані з наданої конфігурації моделювання, а скріншоти показують, що було підготовлено кілька обчислень і варіантів відображення результатів. Для отримання надійного кількісного прогнозу додатково потрібні незалежно перевірені матеріали, оптичні характеристики, коефіцієнти рекомбінації, якість контактів і числова збіжність.Цей приклад слід розглядати як практичну чисельну демонстрацію гетеропереходу AlGaAs/GaAs, а не як підтверджене прогнозування сертифікованої ефективності конкретної виготовленої сонячної батареї. Чотирьохшарова структура, контакти та сітка отримані з наданої конфігурації моделювання, а скріншоти показують, що було підготовлено кілька обчислень і варіантів відображення результатів. Для отримання надійного кількісного прогнозу додатково потрібні незалежно перевірені матеріали, оптичні характеристики, коефіцієнти рекомбінації, якість контактів і числова збіжність.

Геометрія та розмірність. Тривимірний переглядач – це візуальне відображення; у цьому навчальному посібнику електрична та оптична залежність від глибини є одновимірною. Такі ефекти, як затінення передньої решітки, втрати на краях, бічне падіння напруги та неоднорідні контакти, не охоплюються цією базовою одновимірною моделлю.Геометрія та розмірність. Тривимірний переглядач – це візуальне відображення; у цьому навчальному посібнику електрична та оптична залежність від глибини є одновимірною. Такі ефекти, як затінення передньої решітки, втрати на краях, бічне падіння напруги та неоднорідні контакти, не охоплюються цією базовою одновимірною моделлю.

Відповідність між матеріалом і моделлю. Ширина забороненої зони та спорідненість електронів у сплаві, що залежить від його складу, повинні визначатися на основі узгоджених моделей. Електричні скрипти Lua та оптичні набори даних \(n,k\) є окремими вхідними даними. Будь-яке коригування, застосоване лише до однієї сторони, може ненавмисно створювати штучні розриви, особливо на гетероінтерфейсі.Відповідність між матеріалом і моделлю. Ширина забороненої зони та спорідненість електронів у сплаві, що залежить від його складу, повинні визначатися на основі узгоджених моделей. Електричні скрипти Lua та оптичні набори даних \(n,k\) є окремими вхідними даними. Будь-яке коригування, застосоване лише до однієї сторони, може ненавмисно створювати штучні розриви, особливо на гетероінтерфейсі.

Рекомбінація та міжфазні області. Наявні загальні налаштування SRH, але це не доводить, що реальна міжфазна область AlGaAs/GaAs була змодельована з використанням експериментально підтвердженої швидкості рекомбінації на міжфазній межі. Фактична якість міжфазної області може впливати на виміряну напругу та збір носіїв заряду. Зміни в пастках і радіаційних/процесах Оже повинні перевірятися по черзі, і їх слід вивчати за допомогою профілів швидкостей.Рекомбінація та міжфазні області. Наявні загальні налаштування SRH, але це не доводить, що реальна міжфазна область AlGaAs/GaAs була змодельована з використанням експериментально підтвердженої швидкості рекомбінації на міжфазній межі. Фактична якість міжфазної області може впливати на виміряну напругу та збір носіїв заряду. Зміни в пастках і радіаційних/процесах Оже повинні перевірятися по черзі, і їх слід вивчати за допомогою профілів швидкостей.

Чисельна відтворюваність результатів. Перевірте збіжність розв’язку для всієї кривої залежності струму від напруги (J–V) та для всього діапазону інтенсивностей, виконайте уточнення сітки поблизу гетероінтерфейсу та перевірте, чи стабільні ключові фотоелектричні показники та внутрішні профілі. Відсутність збіжності в певній точці з високою інтенсивністю не є доказом фізичного ефекту пристрою. Використовуйте незмінну базову лінію, щоб відрізнити фізичні тенденції від чутливості розв’язувача.Чисельна відтворюваність результатів. Перевірте збіжність розв’язку для всієї кривої залежності струму від напруги (J–V) та для всього діапазону інтенсивностей, виконайте уточнення сітки поблизу гетероінтерфейсу та перевірте, чи стабільні ключові фотоелектричні показники та внутрішні профілі. Відсутність збіжності в певній точці з високою інтенсивністю не є доказом фізичного ефекту пристрою. Використовуйте незмінну базову лінію, щоб відрізнити фізичні тенденції від чутливості розв’язувача.

Аналіз скріншотів. Кожен знімок – це певний стан, вибраний із збережених даних моделювання, і номери фігур у цьому посібнику вказують на індекс скріншота, а не на гарантовану прикладену напругу. Перед тим, як присвоїти числове значення напруги певному профілю, перегляньте фактичну анотацію напруги на графіку OghmaNano. Не намагайтеся визначити числове значення \(V_{OC}\), \(J_{SC}\), коефіцієнт заповнення або ефективність на основі невеликої мініатюри зображення, якщо файл вихідних даних містить точні значення.Аналіз скріншотів. Кожен знімок – це певний стан, вибраний із збережених даних моделювання, і номери фігур у цьому посібнику вказують на індекс скріншота, а не на гарантовану прикладену напругу. Перед тим, як присвоїти числове значення напруги певному профілю, перегляньте фактичну анотацію напруги на графіку OghmaNano. Не намагайтеся визначити числове значення \(V_{OC}\), \(J_{SC}\), коефіцієнт заповнення або ефективність на основі невеликої мініатюри зображення, якщо файл вихідних даних містить точні значення.

13. Рекомендовані обстеження13. Рекомендовані обстеження