Исследование влияния толщины базы на фотоэлектрические параметры кремниевых солнечных элементов с использованием новых TCAD алгоритмов 

Абдувохидов М.К., Алиев Р., Гуломов Ж. Исследование влияния толщины базы на фотоэлектрические параметры кремниевых солнечных элементов с использованием новых TCAD алгоритмов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21, № 5. С. 774–784 (на англ. яз.). doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-5-774-784

Программный пакет Sentaurus TCAD широко используется при моделировании полупроводниковых оптоэлектронных устройств. Основную часть моделирования солнечных элементов составляет разработка правильной геометрической модели. Модель можно разработать, используя модуль SDE двумя разными способами: путем написания кода или применения стандартных форм в графической среде. Разработка сложных конструкций солнечных элементов с использованием простых форм занимает много времени и является трудоемкой. В работе выполнено исследование разработок новых алгоритмов создания геометрических моделей солнечных элементов со сложными конструкционными структурами. Разработан универсальный алгоритм солнечных элементов с синусоидальным фронтом p-n перехода и задней мульти-переходной структурой. Используя алгоритм, можно создать модели солнечных элементов от простых до сложных конструкций. Изучена зависимость фотоэлектрических параметров кремниевых солнечных элементов с p-n и n-p переходами от толщины базы с целью выбора оптимальной толщины для каждого из рассмотренных структур. Установлено, что оптимальная толщина базы составляет 256 мкм для структуры с p-n перехода и 75 мкм — с n-p переходом. Максимальный КПД кремниевых солнечных элементов при выборе толщины базы с p-n переходом в 1,4 раза больше, чем с n-p переходом.

1. Sentaurus™ Device User Guide. Version O-2018.06. June 2018.

2. Индришенок В.И., Певцов Е.Ф. Основы приборно-технологического моделирования в Sentaurus TCAD: учебное пособие. M: Московский технологический институт (МИРЭА), 2018. 140 с.

3. Aliev R., Gulomov J., Abduvohidov M., Aliev S., Ziyoitdinov Z., Yuldasheva N.  Stimulation of photoactive absorption of sunlight in thin layers of silicon structures by metal nanoparticles // Applied Solar Energy. 2020. V. 56. N 5. P. 364–370. https://doi.org/10.3103/S0003701X20050035

4. Gulomov J., Aliev R., Mirzaalimov A., Mirzaalimov N., Kakhkhorov J., Rashidov B., Temirov S. Studying the effect of light incidence angle on photoelectric parameters of solar cells by simulation // International Journal of Renewable Energy Development. 2021. V. 10. N 4. P. 731–736. https://doi.org/10.14710/ijred.2021.36277

5. Жураева З.И. Обзорный анализ основных видов солнечных элементов и выявление путей повышения эффективности их работы и применения // Universum: технические науки. 2018. № 10(55). С. 66–68.

6. Заддэ В.В., Пинов А.Б., Тимербулатов Т.Р., Тимербулатов В.Т., Токарев В.Е. Конструкция и способ изготовления кремниевого фотопреобразователя с двусторонней фоточувствительностью. Патент RU 2432639. Бюл. 2011. № 30.

7. Алиев Р., Гуломов Ж., Мирзаалимов Н. и др. Полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь. Заявка на патент № 20200281. 24.12.2020.

8. Mulligan W.P., Cudzinovic M.J., Pass T., Smith D., Kaminar N., McIntosh K., Swanson R.M. Solar cell and method of manufacture. Patent US 7897867. 2011.

9. Стребков Д.С. Матричные солнечные элементы. Т. 3. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2010. 348 с.

10. Tiedje T., Yablonovich E., Cody G.D., Brooks B.G. Limiting efficiency of silicon solar cells // IEEE Transactions on Electron Devices. 1984. V. 31. N 5. P. 711–716.  https://doi.org/10.1109/T-ED.1984.21594

11. Plá J.C., Tamasi M.J.L., Bolzi C.G., Venier G.L., Durán J.C. Short circuit current vs cell thickness in solar cells under rear illumination: a direct evaluation of the diffusion length // Solid-State Electronics. 2000. V. 44. N 4. P. 719–724. https://doi.org/10.1016/s0038-1101(99)00311-1

12. Sachenko A.V., Kostylyov V.P., Bobyl A.V., Vlasyuk V.N., Sokolovskyi I.O., Konoplev G.A., Terukov E.I., Shvarts M.Z., Evstigneev M. The effect of base thickness on photoconversion efficiency in textured silicon-based solar cells // Technical Physics Letters. 2018. V. 44. N 10. P. 873–876. https://doi.org/10.1134/S1063785018100139

13. Oschlies A., Godby R.W., Needs R.J. First-principles self-energy calculations of carrier-induced band-gap narrowing in silicon // Physical Review B. 1992. V. 45. N 23. P. 13741–13744. https://doi.org/10.1103/physrevb.45.13741

14. Polman A., Atwater H.A. Photonic design principles for ultrahigh-efficiency photovoltaics // Nature Materials. 2012. V. 11. N 3. P. 174–177. https://doi.org/10.1038/nmat3263

15. Zaki A.A., El-Amin A.A. Effect of cell thickness on the electrical and optical properties of thin film silicon solar cell // Optics and Laser Technology. 2017. V. 97. P. 71–76. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2017.06.009

16. Terheiden B., Ballmann T., Horbelt R., Schiele Y., Seren S., Ebser J., Hahn G., Mertens V., Koentopp M.B., Scherff M., Müller J.W., Holman Z.C., Descoeudres A., De Wolf S., de Nicolas S.M., Geissbuehler J., Ballif C., Weber B., Saint-Cast P., Rauer M., Schmiga C., Glunz S.W., Morrison D.J., Devenport S., Antonelli D., Busto C., Grasso F., Ferrazza F., Tonelli E., Oswald W. Manufacturing 100-µm-thick silicon solar cells with efficiencies greater than 20% in a pilot production line // Physica Status Solidi (a). 2015. V. 212. N 1. P. 13–24. https://doi.org/10.1002/pssa.201431241

17. Vitorino M.A., Hartmann L.V., Lima A.M.N., Corrêa M.B.R. Using the model of the solar cell for determining the maximum power point of photovoltaic systems // Proc. European Conference on Power Electronics and Applications. 2007. P. 4417684. https://doi.org/10.1109/EPE.2007.4417684

18. Andreani L.C., Bozzola A., Kowalczewski P., Liscidini M., Redorici L. Silicon solar cells: toward the efficiency limits // Advances in Physics: X. 2019. V. 4. N 1. P. 1548305. https://doi.org/10.1080/23746149.2018.1548305

19. Petermann J.H., Zielke D., Schmidt J., Haase F., Rojas E.G., Brendel R. 19%-efficient and 43 µm-thick crystalline Si solar cell from layer transfer using porous silicon // Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 2012. V. 20. N 1. P. 1–5. https://doi.org/10.1002/pip.1129

20. Tool C.J.J., Burgers A.R., Manshanden P., Weeber A.W., van Straaten B.H.M. Influence of wafer thickness on the performance of multicrystalline Si solar cells: an experimental study // Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 2002. V. 10. N 4. P. 279–291. https://doi.org/10.1002/pip.421

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