Численное моделирование функциональных характеристик солнечных элементов на основе гетероструктур InGaAsN/Si

Девицкий О.В., Санакулов С.О. Численное моделирование функциональных характеристик солнечных элементов на основе гетероструктур InGaAsN/Si // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21, № 2. С. 191–197. doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-2-191-197

Предмет исследования. Впервые выполнено численное моделирование и оптимизация вольтамперных характеристик принципиально нового однопереходного солнечного элемента на основе гетероструктуры In_xGa_1–xAs_1–yN_y/Si. Интеграция многокомпонентных слоев A₃B₅ и разбавленных нитридов A₃B₅N c кремниевыми подложками на данный момент является технологически сложным процессом. Несмотря на всю сложность данной интеграции существуют определенные предпосылки, которые возможно позволят получить слои In_xGa_1–xAs_1–yN_y с относительно низкой плотностью дефектов. Твердый раствор In_xGa_1–xAs_1–yN_y является перспективным для применения в оптоэлектронике, но в то же время малоизученным. Метод. Численное моделирование проводилось с помощью программного продукта AFORS HET v2.5. При расчете параметров солнечного элемента In_0,02Ga_0,98As_1–yN_y/Si изменялась концентрация азота y в диапазоне 0–5 %; толщина слоя In_0,02Ga_0,98As_1–yN_y варьировалась в пределах 0,3–0,8 мкм; степени легирования базы и эмиттера солнечного элемента менялись в интервале 10¹⁶–8·10¹⁹ см^–3. Исследованы зависимости вольтамперной и спектральной характеристик от толщины и состава эмиттера, степени легирования слоев. Основные результаты. Показано, что солнечные элементы, состоящие из гетероперехода In_0,02Ga_0,98As_0,98N_0,02/Si, могут достигать эффективности 22,2 % при освещении AM1.5. Результаты моделирования влияния концентрации азота на величину эффективности солнечных элементов показали, что изменение концентрации азота от 0 до 5 % в слое In_0,02Ga_0,98As_1–yN_y приводит к снижению эффективности от 21,9 до 21,82 % соответственно. Этот факт прежде всего обусловлен снижением значения ширины запрещенной зоны эмиттера и, как следствие, уменьшением величины напряжения холостого хода солнечного элемента. Установлено, что увеличение концентрации примеси в эмиттере In_0,02Ga_0,98As_0,98N_0,02 в диапазоне 10¹⁶–8·10¹⁹ см^–3 приводит к росту эффективности солнечного элемента с 17,11 до 21,89 %. При увеличении концентрации примеси в базе p-Si в интервале 10¹⁶–5·10¹⁷ см^–3 наблюдается устойчивый рост эффективности вплоть до 22,2 %, а после — монотонное снижение до 10,87 % при концентрации примеси 5·10¹⁷ см^–3. При снижении толщины эмиттера квантовая эффективность солнечного элемента увеличивается вследствие снижения числа фотогенерированных носителей заряда. Практическая значимость. В результате численного моделирования в программном продукте AFORS HET v2.5 определено, что напряжение холостого хода солнечных элементов на основе гетероструктуры n-In_0,02Ga_0,98As_0,98N_0,02/p-Si составляет 716,8 мВ, при плотности тока короткого замыкания 36,52 мА/см², факторе заполнения — 84,81 % и эффективности 22,2 %.

1. Shockley W., Queisser H.J. Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells // Journal of Applied Physics. 1961. V. 32. N 3. P. 510–519. doi: 10.1063/1.1736034
2. Bellil W., Aissat A., Vilcot J.P. Optimization and comparison between the efficiency of GaNAsSb and GaInNAs single solar cells deposed on GaAs // Procedia Computer Science. 2019. V. 151. P. 1028–1033. doi: 10.1016/j.procs.2019.04.145
3. Blasco R., Naranjo F.B., Valdueza-Felip S. Design of AlInN on silicon heterojunctions grown by sputtering for solar devices // Current Applied Physics. 2020. V. 20. N 11. P. 1244–1252. doi: 10.1016/j.cap.2020.07.018
4. Essig S., Ward S., Steiner M.A., Friedman D.J., Geisz J.F., Stradins P., Young D.L. Progress towards a 30% efficient GaInP/Si tandem solar cell // Energy Procedia. 2015. V. 77. P. 464–469. doi: 10.1016/j.egypro.2015.07.066
5. Kurtz S.R., Allerman A.A., Jones E.D., Gee J.M., Banas J.J., Hammons B.E. InGaAsN solar cells with 1.0 eV band gap, lattice matched to GaAs // Applied Physics Letters. 1999. V. 74. N 5. P. 729–731. doi: 10.1063/1.123105
6. Prete P., Lovergine N. Dilute nitride III-V nanowires for high-efficiency intermediate-band photovoltaic cells: Materials requirements, self-assembly methods and properties // Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. 2020. V. 66. N 4. P. 100510. doi: 10.1016/j.pcrysgrow.2020.100510
7. Kim T.W., Mawst L.J., Kim Y., Kim K., Lee J., Kuech T.F. 13.2% efficiency double-hetero structure single-junction InGaAsN solar cells grown by MOVPE // Journal of Vacuum Science & Technology A. 2015. V. 33. N 2. P. 021205. doi: 10.1116/1.4906511
8. Arbez G., Wheeldon J., Walker A., Hinzer K., Schriemer H. Modeling and simulation of triple junction solar cells // Proceedings of SPIE. 2010. V. 7750. P. 775032. doi: 10.1117/12.876131
9. Cariou R., Benick J., Feldmann F., Höhn O., Hauser H., Beutel P., Razek N., Wimplinger M., Bläsi B., Lackner D., Hermle M., Siefer G., Glunz S.W., Bett A.W., Dimroth F. III–V-on-silicon solar cells reaching 33% photoconversion efficiency in two-terminal configuration // Nature Energy. 2018. V. 3. N 4. P. 326–333. doi: 10.1038/s41560-018-0125-0
10. Ganji J. Numerical simulation of thermal behavior and optimization of a-Si/a-Si/C-Si/a-Si/A-Si hit solar cell at high temperatures // Електротехнiка i Електромеханiка. 2017. № 6. С. 47–52. doi: 10.20998/2074-272X.2017.6.07
11. Gudovskikh A.S., Kaluzhniy N.A., Lantratov V.M., Mintairov S.A., Shvarts M.Z., Andreev V.M. Numerical modelling of GaInP solar cells with AlInP and AlGaAs windows // Thin Solid Films. 2008. V. 516. N 20. P. 6739–6743. doi: 10.1016/j.tsf.2007.12.016
12. Aydin K., Leite M.S., Atwater H.A. Increased cell efficiency in InGaAs thin film solar cells with dielectric and metal back reflectors // Proc. 34^th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC). 2009. P. 001713–001717. doi: 10.1109/PVSC.2009.5411432
13. Lunin L.S., Lunina M.L., Devitsky O.V., Sysoev I.A. Pulsed laser deposition of Al_xGa_1–xAs and GaP thin films onto Si substrates for photoelectric converters // Semiconductors. 2017. V. 51. N 3. P. 387–391. doi: 10.1134/S1063782617030174
14. Varache R., Leendertz C., Gueunier-Farret M.E., Haschke J., Muñoz D., Korte L. Investigation of selective junctions using a newly developed tunnel current model for solar cell applications // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2015. V. 141. P. 14–23. doi: 10.1016/j.solmat.2015.05.014
15. Dilute III-V nitride semiconductors and material systems: Physics and Technology / ed. by A. Erol. Berlin: Springer-Verlag, 2008. 590 p. (Springer Materials Science, V. 105). doi: 10.1007/978-3-540-74529-7
16. Kudrawiec R. Alloying of GaN_xAs_1−x with InN_xAs_1−x: A simple formula for the band gap parametrization of Ga_1−yIn_yN_xAs_1−x alloys // Journal of Applied Physics. 2007. V. 101. N 2. P. 023522. doi: 10.1063/1.2424528
17. Vurgaftman I., Meyer J.R., Ram-Mohan L.R. Band parameters for III-V compound semiconductors and their alloys // Journal of Applied Physics. 2001. V. 89. N 11. P. 5815–5875. doi: 10.1063/1.1368156
18. Vurgaftman I., Meyer J.R. Band parameters for nitrogen-containing semiconductors // Journal of Applied Physics. 2003. V. 94. N 6. P. 3675–3696. doi: 10.1063/1.1600519
19. Ajnef N., Jemmali W.Q., Habchi M.M., Rebey A. Biaxial strain effects on the band structure and absorption coefficient of GaAs_1-x-yN_xBi_y/GaAs MQWs calculated using k.p method // Optik. 2020. V. 223. P. 165484. doi: 10.1016/j.ijleo.2020.165484
20. Song J., Luo Z., Liu X., Li E., Jiang C., Huang Z., Li J., Guo X., Ding Z., Wang J. The study on structural and photoelectric properties of zincblende InGaN via first principles calculation // Crystals. 2020. V. 10. N 12. P. 1159. doi: 10.3390/cryst10121159
21. Kawamura T., Fujita Y., Hamaji Y., Akiyama T., Kangawa Y., Gorczyca I., Suski T., Wierzbowska M., Krukowski S. First‐principles calculation of band gaps of Al1−xInxN alloys and short period Al_1−xIn_xN/Al_1−yIn_yN superlattices // Physica Status Solidi B. 2020. V. 257. N 4. P. 1900530. doi: 10.1002/pssb.201900530
22. Geppert T., Wagner J., Köhler K., Ganser P., Maier M. Preferential formation of Al–N bonds in low N-content AlGaAsN // Applied Physics Letters. 2002. V. 80. N 12. P. 2081–2083. doi: 10.1063/1.1464660

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License