Amélioration des cellules solaires à nanofils GaAs à jonction pin par hétérojonctions AlGaAs/GaAs

Résumé

Nous démontrons un gain de performance substantiel pour des cellules solaires à réseau de nanofils (NF) GaAs à jonction pin en incorporant des hétérojonctions AlGaAs/GaAs. Dans les structures axiales, l'AlGaAs forme le segment p-type supérieur, tandis que dans les dispositifs radiaux il constitue la coquille p-type externe. Les couches AlGaAs agissent simultanément comme passivation de surface, barrières de confinement pour les porteurs photogénérés, et mécanisme de suppression de la recombinaison dans les régions fortement dopées. Les gains d'efficacité de conversion atteignent jusqu'à 8,42 % par rapport aux NFs GaAs purs. Pour les NFs axiaux, l'utilisation d'AlGaAs permet un segment p-type supérieur plus long sans perte de performance, simplifiant la fabrication du dispositif et l'ingénierie des contacts. Dans les configurations radiales, les structures AlGaAs/GaAs exhibent une tolérance accrue aux variations d'épaisseur de coquille p et aux conditions de recombinaison de surface.

Contexte

Les nanofils (NFs) d'arséniure de gallium (GaAs) ont émergé comme candidats prometteurs pour la conversion photovoltaïque à haute efficacité, grâce à leur gap de bande de 1,43 eV qui surpasse le silicium pour l'utilisation spectrale. Les efficacités rapportées pour les réseaux de NFs GaAs à jonction pn axiale atteignent 15,3 %. Néanmoins, la recombinaison de surface reste un canal de perte critique ; ainsi, des stratégies de passivation efficaces sont essentielles. Une technique de passivation bien établie implique des coquilles AlGaAs conformes, qui introduisent de larges décalages de bandes de conduction et de valence qui confinent les porteurs minoritaires et atténuent la recombinaison de surface.

Au-delà de la passivation, concentrer l'absorption optique dans la région intrinsèque (i) des jonctions pin peut encore élever l'efficacité. Diverses méthodes ont été explorées, incluant l'optimisation de la position de jonction, NFs inclinés, décoration plasmonique métallique, et couches fortement dopées à gap de bande élevé. Bien que les coquilles AlGaAs aient été largement adoptées pour la passivation, leur rôle dans le guidage des porteurs photogénérés vers la région active a reçu une attention limitée.

Dans cette étude, nous évaluons systématiquement des réseaux de NFs GaAs à jonction pin incorporant des hétérojonctions AlGaAs/GaAs, ciblant les géométries axiales et radiales. En remplaçant le segment p-type supérieur (axial) ou la coquille externe (radiale) par de l'AlGaAs, nous exploitons son coefficient d'absorption réduit pour concentrer la photogénération dans la région i, réduisant ainsi les pertes de recombinaison dans les zones fortement dopées et protégeant les porteurs de la recombinaison de surface et de contact.

Méthodes

L'architecture du dispositif est illustrée Fig. 1. Chaque cellule solaire consiste en un réseau périodique de NFs ; pour l'illustration, un seul NF est montré. La couche Al_0.8Ga_0.2As sert de segment p-type supérieur dans les jonctions pin axiales et de coquille p-type externe dans les jonctions pin radiales ; toutes les régions restantes sont du GaAs. Les régions p- et n- sont dopées à 10¹⁸ cm⁻³. Le diamètre et la longueur des NFs sont 180 nm et 1,2 µm respectivement, avec une période de 360 nm, suivant le rapport D/P optimisé rapporté dans la Réf. [18].

L'absorption optique était simulée en utilisant Lumerical FDTD Solutions, imposant des conditions aux limites périodiques pour modéliser le réseau avec un seul NF. Les indices de réfraction complexes pour GaAs et Al_0.8Ga_0.2As étaient pris de la Réf. [19]. Le taux de génération de photons G_ph était calculé via la divergence du vecteur de Poynting, en supposant une paire électron-trou par photon absorbé : G_ph = |∇·S| / (2ħω) = ε″|E|² / (2ħ). Le spectre AM 1.5 G était utilisé pour pondérer G_ph à travers le spectre simulé.

Les caractéristiques électriques étaient calculées dans Synopsys Sentaurus en couplant le profil de génération optique à une solution auto-cohérente des équations de continuité des porteurs et de Poisson. La mobilité dépendante du dopage, la recombinaison radiative, Auger et Shockley-Read-Hall (SRH) étaient incluses. L'interface AlGaAs/GaAs était modélisée avec un modèle d'émission thermionique (Éqs. 2–5) et supposée sans défauts, comme approprié pour l'épitaxie adaptée au réseau. La recombinaison de surface était considérée seulement aux interfaces air-NF ; des VRS de 10³ et 10⁷ cm s⁻¹ étaient examinés pour représenter des surfaces bien et mal passivées. Les paramètres du dispositif sont résumés au Tableau 1.

Résultats et discussion

La Figure 2 compare les spectres d'absorption des NFs à hétérojonction AlGaAs/GaAs avec leurs homologues GaAs. Les dispositifs axiaux présentent des régions p-type supérieures de 150 nm et n-type inférieures de 200 nm ; les dispositifs radiaux ont des coquilles p de 20 nm et un rayon n interne de 20 nm. L'absorption globale est similaire entre les structures, sauf une légère baisse dans les hétérojonctions radiales près du gap de bande GaAs. À ≈900 nm, le champ optique se concentre le long des parois latérales ; dans l'hétérojonction radiale, la coquille AlGaAs n'absorbe pas efficacement, localisant les porteurs dans le cœur GaAs.

Les simulations électriques révèlent que, pour des conditions de faible VRS, les dispositifs axiaux utilisant l'AlGaAs dans le segment p-type supérieur exhibent une augmentation absolue d'efficacité de 2,9 % (de 11,6 % à 14,5 %) pilotée principalement par une hausse de 18,9 % du courant de court-circuit (de 18,9 à 23,3 mA cm⁻²). Les dispositifs radiaux montrent une amélioration plus faible mais constante (10,8 % à 11,3 % efficacité, 22,6 à 23,8 mA cm⁻²). Sous VRS élevé (10⁷ cm s⁻¹), les dispositifs axiaux subissent une chute d'efficacité prononcée pour les deux designs ; néanmoins, les structures AlGaAs retiennent un courant de court-circuit plus élevé grâce à la recombinaison supprimée au contact supérieur. Les NFs radiaux AlGaAs/GaAs maintiennent la performance car la coquille AlGaAs confine les porteurs loin de la surface.

La variation du volume de la région p-type élucide l'impact des zones fortement dopées sur l'efficacité. La Figure 4a montre qu'à mesure que la longueur du segment p-type supérieur augmente de 50 à 200 nm, le point chaud de génération se déplace vers le bas, concentrant les porteurs sous la couche AlGaAs. Dans les scénarios de faible VRS, l'efficacité des dispositifs AlGaAs/GaAs reste largement inchangée, alors que les dispositifs GaAs se dégradent linéairement avec l'augmentation de la longueur p due à une photogénération plus proche de la surface. À VRS élevé, l'efficacité AlGaAs/GaAs augmente même avec des régions p plus longues, car les porteurs générés dans l'AlGaAs sont protégés de la recombinaison de surface. Par conséquent, un segment supérieur AlGaAs plus long peut être employé sans sacrifier la performance, simplifiant la fabrication et les processus de contact pour les réseaux axiaux.

Les dispositifs radiaux exhibent une tendance similaire vis-à-vis de l'épaisseur de coquille p-type. La Figure 5a démontre qu'augmenter l'épaisseur de la coquille AlGaAs confine plus de photogénération dans le cœur GaAs, atténuant la recombinaison de surface. L'efficacité diminue pour les deux designs à mesure que l'épaisseur de coquille croît, mais le déclin est markedly plus doux pour les dispositifs AlGaAs/GaAs. Sous VRS élevé, l'efficacité AlGaAs/GaAs chute seulement marginalement, alors que les dispositifs radiaux GaAs subissent une perte d'efficacité sévère (de 10,8 % à 8,05 %) quand le VRS passe de 10³ à 10⁷ cm s⁻¹. Avec une coquille p de 30 nm, les dispositifs AlGaAs/GaAs atteignent 10,4 % d'efficacité, 8,42 % plus haute que les 1,98 % des NFs radiaux GaAs purs.

Conclusions

Des simulations optoélectroniques 3D couplées démontrent que les hétérojonctions AlGaAs/GaAs confinent efficacement la photogénération aux régions actives, diminuent les pertes de recombinaison dans les zones fortement dopées, et créent des barrières de porteurs minoritaires protégeant contre la recombinaison de surface et de contact. Pour les NFs axiaux, l'utilisation d'AlGaAs permet un segment p-type supérieur plus long sans pénalité de performance, facilitant la fabrication du dispositif et le contact électrique. Les NFs radiaux bénéficient d'une tolérance supérieure à l'épaisseur de coquille p et à la recombinaison de surface, maintenant des efficacités élevées même sous conditions VRS agressives. Globalement, les hétérojonctions AlGaAs/GaAs représentent une stratégie pratique à fort impact pour faire progresser la performance des cellules solaires à nanofils GaAs.