Optimisation des cellules solaires GaAs Nanowire Pin Junction Array en utilisant des hétérojonctions AlGaAs/GaAs

Contexte

Les nanofils de GaAs (NW) ont été considérés comme des blocs de construction potentiels pour les cellules solaires à haut rendement [1,2,3]. Avec une bande interdite de 1,43 eV, GaAs est plus favorable que Si pour maximiser l'efficacité des cellules solaires [4]. Un rendement de 15,3 % a été atteint par un réseau GaAs NW avec des jonctions pn axiales [5]. Cependant, du fait que les cellules solaires GaAs NW souffrent toujours d'une grave recombinaison de surface, une passivation de surface est nécessaire pour obtenir des performances satisfaisantes [6, 7]. Une méthode courante pour la passivation GaAs NW consiste à former une couche d'AlGaAs autour du NW, ce qui crée de grandes barrières pour les électrons et les trous dans toute la structure, empêchant les porteurs minoritaires d'être recombinés à la surface [5, 8, 9].

À l'exception de la passivation de surface, l'amélioration de l'absorption de la lumière dans les régions actives est également une méthode efficace pour améliorer l'efficacité de conversion, ce qui facilite la séparation électron-trou. Pour les cellules solaires NW avec jonctions pn, l'efficacité optimisée peut être obtenue en plaçant la jonction près de la position où le plus de porteurs sont générés [10,11,12], tandis que pour les cellules solaires à jonction pin, une efficacité plus élevée peut être obtenue si plus de porteurs peuvent être générés dans les régions intrinsèques [13,14,15,16,17]. De plus, en supprimant la génération optique dans les régions proches des contacts, le nombre de porteurs minoritaires photogénérés qui diffusent dans les contacts peut être diminué [14, 17]. Il existe de nombreuses méthodes pour améliorer l'absorption de la lumière dans les régions actives, telles que l'ajustement des positions ou des longueurs de jonction [13, 14], l'utilisation de NW inclinés [15], la décoration de la région active avec des particules métalliques [16] ou la fabrication des régions fortement dopées avec matériaux à bande interdite élevée [17]. Pour les cellules solaires GaAs NW, l'utilisation de coques AlGaAs comme couches de passivation a été largement rapportée. Cependant, la capacité des hétérostructures AlGaAs/GaAs à confiner les porteurs photogénérés dans les régions actives a été moins étudiée.

Dans cet article, nous avons optimisé les performances des cellules solaires à matrice de jonction à broches GaAs NW en utilisant des hétérojonctions AlGaAs/GaAs. Les jonctions axiales et radiales ont été étudiées. Dans les structures à hétérojonction pin AlGaAs/GaAs, AlGaAs est utilisé pour le segment supérieur de type p pour les jonctions axiales et l'enveloppe externe de type p pour les jonctions radiales. En raison du coefficient d'absorption relativement faible de l'AlGaAs, moins de photoporteurs sont générés dans les régions p. Par conséquent, davantage de photoporteurs sont concentrés dans les régions i. Par conséquent, la perte de recombinaison causée par une concentration de dopage élevée peut être supprimée. De plus, les couches d'AlGaAs à bande interdite élevée peuvent dévier efficacement les porteurs minoritaires des surfaces ou des contacts NW pour diminuer la recombinaison des porteurs minoritaires.

Les cellules solaires à réseau NW à hétérojonction à broches AlGaAs/GaAs ont été étudiées par une simulation optoélectronique tridimensionnelle (3-D) couplée, et leurs performances ont été comparées à des réseaux GaAs NW avec les mêmes structures géométriques. Les résultats montrent qu'en utilisant AlGaAs pour le segment p au lieu de GaAs, l'efficacité des cellules solaires à jonction axiale peut être améliorée même avec de longs segments p supérieurs, tandis que pour les cellules solaires à jonction radiale, l'efficacité peut être maintenue à une valeur relativement élevée. avec des vitesses de recombinaison de surface (SRV) très élevées.

Méthodes

Le schéma de la cellule solaire à matrice de jonction à broches à nanofils GaAs et ses homologues à hétérojonction AlGaAs/GaAs sont illustrés sur la figure 1 ; chaque cellule solaire contient un réseau NW périodique, dont un seul NW est affiché. Pour fabriquer des hétérojonctions AlGaAs/GaAs, Al_0,8 Ga_0.2 Tel qu'utilisé pour le segment supérieur de type p pour les jonctions à broches axiales et la coque extérieure de type p pour les jonctions à broches radiales ; les autres régions des NW sont constituées de GaAs. La concentration de dopage des régions p et n est de 10 ¹⁸ cm ^− 3 . Le diamètre et la longueur NW sont de 180 nm et 1,2 µm, et la période du réseau est de 360 ​​nm; ces paramètres géométriques sont choisis selon [18], où l'absorption lumineuse des matrices GaAs NW a été optimisée en ajustant le rapport D/P et le diamètre NW.

un Les schémas de la cellule solaire à jonction pin axiale à nanofils de GaAs et de son homologue à hétérojonction AlGaAs/GaAs. b Les schémas de la cellule solaire à jonction radiale à broches à nanofils de GaAs et de son homologue à hétérojonction AlGaAs/GaAs

Pour le calcul optique, nous utilisons le progiciel FDTD Solutions (Lumerical, Inc.) pour calculer le profil d'absorption dans les NW. En plaçant des conditions aux limites périodiques, les simulations peuvent être effectuées en utilisant un seul NW pour modéliser la structure du réseau périodique. L'indice de réfraction complexe de GaAs et Al_0,8 Ga_0.2 Tels qu'utilisés dans la simulation, ils sont tirés de [19]. Le nombre de photons absorbés à chaque point de la grille est calculé à partir du vecteur de Poynting S, en supposant que chaque photon absorbé génère une paire électron-trou :

où est la constante de Planck réduite, ω est la fréquence angulaire de la lumière incidente, E est l'intensité du champ électrique à chaque point de la grille, et ε est la partie imaginaire de la permittivité. Pour obtenir le profil de taux de génération optique utilisé pour la simulation électrique, G _ph est pondéré par le spectre solaire AM 1.5G et intégré sur le spectre de simulation.

Pour la modélisation électrique, les profils de génération optique sont incorporés dans le maillage d'éléments finis des NW à l'aide de Synopsys Sentaurus, qui résout les équations de continuité de porteuse couplées à l'équation de Poisson de manière auto-cohérente. La mobilité dépendante du dopage, la recombinaison radiative, Auger et Shockley-Reed-Hall (SRH) sont prises en compte dans la simulation électrique du dispositif. L'hétérojonction entre AlGaAs et GaAs est modélisée à l'aide du modèle d'émission thermoionique [20]. Les courants d'électrons et de trous (J _n et J _p ) à travers l'hétérostructure peut être décrit comme :

où un _n (un _p ) est les coefficients de courant thermoionique, q est la charge élémentaire, v _n (v _p ) est la vitesse d'émission des électrons (trous), qui peut être exprimée comme suit :

et n (p ) est la densité d'électrons (trou), et m_n (m_p ) est la masse effective des électrons (trous). k _B est la constante de Boltzmann, et T est la température réglée pour être la température ambiante dans la simulation. Les indices 1 et 2 représentent les matériaux avec les bords de bande de conduction inférieur et supérieur, respectivement. ΔE _c et ΔE _v sont les décalages des bandes conductrices et de valence à l'interface GaAs/AlGaAs. Nous supposons que l'interface entre AlGaAs et GaAs est parfaite sans aucun centre de recombinaison supplémentaire. Ceci est généralement valable pour l'épitaxie adaptée au réseau d'AlGaAs sur GaAs [21]. La recombinaison de surface n'est considérée que pour les interfaces entre l'air et les NW. Les paramètres utilisés dans la simulation de l'appareil sont répertoriés dans le tableau 1. Les coefficients Auger, les coefficients de recombinaison radiative et les durées de vie de recombinaison SRH d'AlGaAs et de GaAs sont définis pour être les mêmes [11, 12].

Résultats et discussion

Les propriétés d'absorption des hétérojonctions AlGaAs/GaAs NW et GaAs NW sont présentées sur la figure 2. Pour les jonctions axiales NW, les longueurs des régions p supérieures et des régions n inférieures sont respectivement de 150 et 200 nm. Pour les jonctions radiales NWs, l'épaisseur des coques de type p est de 20 nm et le rayon des régions n internes est de 20 nm. Les spectres d'absorption des NW AlGaAs/GaAs et GaAs sont presque les mêmes, sauf que l'absorption des NW à hétérojonction radiale AlGaAs/GaAs chute à des longueurs d'onde proches de la bande interdite GaAs. Aux longueurs d'onde d'environ 900 nm, la lumière propagée dans les NW est concentrée près de la surface latérale, tandis que pour l'hétérojonction radiale AlGaAs/GaAs NW, la lumière propagée dans la couche d'AlGaAs ne peut pas être absorbée efficacement. La figure 2b–d montre les coupes transversales des profils de génération. En raison de la capacité d'absorption inférieure de l'AlGaAs, seule une petite fraction des porteurs est générée dans la région de l'AlGaAs ; par conséquent, la perte de recombinaison dans la région d'AlGaAs fortement dopée ne devrait pas être très grave. Pour les NW AlGaAs/GaAs avec des jonctions axiales, la majeure partie de la génération optique se concentre à l'interface AlGaAs/GaAs. Alors que pour les NW AlGaAs/GaAs avec des jonctions radiales, la plupart des photoporteurs sont confinés dans le cœur de GaAs et bloqués à l'écart de la surface NW ; ainsi, on s'attend à ce que la perte de recombinaison de surface soit supprimée. Selon nos travaux antérieurs [15], pour les cellules solaires NW avec jonctions pin, les porteurs photo-générés dans la région i représentent la majeure partie de l'efficacité ; par conséquent, nous extrayons l'absorption optique dans la région i et calculons les spectres d'absorption correspondants. Pour les NW axiales et radiales, une absorption plus élevée de la région i peut être obtenue dans les NW à hétérojonction AlGaAs/GaAs grâce à l'absorption inefficace dans les régions AlGaAs de type p.

un Les spectres d'absorption du nanofil de GaAs et de ses homologues AlGaAs/GaAs avec des hétérostructures axiales et radiales. La section transversale verticale des profils de génération optique dans le b Nanofil à hétérostructure axiale AlGaAs/GaAs, c Nanofil à hétérostructure radiale AlGaAs/GaAs, et d Nanofil de GaAs. e Les spectres d'absorption des régions intrinsèques dans les cellules solaires à jonction pin axiale à nanofils de GaAs et leurs homologues AlGaAs/GaAs. f Les spectres d'absorption des régions intrinsèques des cellules solaires à nanofils à jonction radiale à broches GaAs et leurs homologues AlGaAs/GaAs

Les profils de génération optique sont intégrés à l'outil électrique pour étudier l'augmentation potentielle de l'efficacité de conversion du dispositif induite par les hétérojonctions AlGaAs/GaAs. Les caractéristiques courant-tension des appareils considérés sont calculées et tracées sur la figure 3. Deux SRV typiques, 10 ³ et 10 ⁷ cm/s, sont pris en compte lors du calcul, correspondant à des surfaces NW avec et sans passivation appropriée [6, 8, 9]. Pour les NW à jonction pin axiale avec une faible recombinaison de surface, en utilisant AlGaAs pour le segment supérieur p au lieu de GaAs, l'efficacité de conversion augmente de 11,6 à 14,5%. L'amélioration de l'efficacité est principalement attribuée au photocourant, qui passe de 18,9 à 23,3 mA/cm ² à zéro biais. Un phénomène similaire est observé dans les NW radiales; le rendement passe de 10,8 à 11,3 % en utilisant des hétérojonctions AlGaAs/GaAs, avec des augmentations de courant de court-circuit de 22,6 à 23,8 mA/cm ² . Avec un SRV élevé, les performances des NW axiaux sont considérablement endommagées pour les NW AlGaAs/GaAs et les NW GaAs en raison de la surface exposée des régions i. Cependant, l'amélioration du courant de court-circuit existe toujours dans les NW AlGaAs/GaAs même avec un SRV élevé de 10 ⁷ cm/s, qui provient de la recombinaison supprimée au niveau de la région p supérieure et du contact supérieur. Pour les NW radiaux AlGaAs/GaAs, l'efficacité n'est que légèrement affectée par la recombinaison de surface grâce à la coque AlGaAs, qui confine les photoporteurs dans la région i et crée une barrière les protégeant d'atteindre la surface NW. Alors que pour le GaAs radial NW, l'efficacité diminue de 10,8 à 8,05 % avec des augmentations de SRV de 10 ³ à 10 ⁷ cm/s, et le courant de court-circuit diminue de 22,6 à 17,1 mA/cm ² .

Les caractéristiques courant-tension des nanofils GaAs et AlGaAs/GaAs a axial et b Cellules solaires à jonction radiale à broches avec des vitesses de recombinaison de surface de 10 ³ et 10 ⁷ cm/s

Il a été rapporté que le volume de la région fortement dopée a une grande influence sur l'efficacité de conversion, en particulier pour les régions où une forte génération optique peut se produire. Dans ce travail, la performance des NW avec divers volumes de région p est étudiée. Sur la figure 4a, les profils de génération optique des jonctions axiales AlGaAs/GaAs NW avec différentes longueurs de région p sont tracés. Comme la longueur de la région p varie de 50 à 200 nm, le point chaud de génération optique se déplace vers le bas du NW, et la majorité des porteurs optiques générés sont confinés en dessous de la région AlGaAs. Les rendements de conversion correspondants sont également calculés. Les résultats montrent que, avec une faible SRV, l'augmentation de la longueur de la région p n'a pas d'influence évidente sur l'efficacité de conversion des NWs AlGaAs/GaAs, bien que l'absorption globale ait tendance à diminuer avec l'augmentation du volume d'AlGaAs. De plus, une région plus longue d'AlGaAs éloigne la plupart des photoporteurs du contact supérieur et moins de porteurs minoritaires peuvent être recombinés au niveau du contact. Cependant, pour GaAs NWs, l'efficacité de conversion diminue linéairement avec l'augmentation de la longueur de la région p, en raison du nombre croissant de photoporteurs générés dans la région p supérieure. Dans le cas du SRV élevé, l'efficacité de conversion des NW AlGaAs/GaAs augmente même avec la longueur de la région p, car la génération optique dans AlGaAs est concentrée au centre du NW et loin des surfaces, conduisant à une recombinaison de surface inférieure. par rapport aux régions GaAs. De la discussion ci-dessus, nous pouvons conclure que, en utilisant AlGaAs pour la région p supérieure au lieu de GaAs, une région supérieure relativement longue peut être utilisée sans dégénérer les performances du dispositif. Et pour les NW avec jonction axiale, une longue région supérieure pourrait faciliter la fabrication et la mise en contact des cellules solaires du réseau NW.

un La section transversale verticale des profils de génération optique dans des cellules solaires à hétérojonction à broches axiales et nanofils AlGaAs/GaAs avec différents p -longueurs de région. b L'efficacité de conversion des cellules solaires axiales à nanofils GaAs et AlGaAs/GaAs en fonction de la longueur de la région p

Les performances des NW radiaux avec différentes épaisseurs de coque p ont également été calculées. La figure 5a montre les profils de génération optique des NW radiaux AlGaAs/GaAs. Similaire à celui des NW axiaux, la majorité des photoporteurs sont générés dans GaAs. L'efficacité de conversion d'AlGaAs/GaAs et de GaAs NWs diminue avec l'augmentation de l'épaisseur de la couche p. Dans le cas d'un SRV faible de 10 ³ cm/s, l'effet de la recombinaison de surface est presque négligeable; ainsi, la dégénérescence de l'efficacité provient principalement du nombre croissant de photoporteurs générés dans la coque p. Cependant, les NW AlGaAs/GaAs présentent une meilleure tolérance à l'épaisseur de la couche p, car la plupart de la génération optique peut être confinée dans les régions internes de GaAs. Avec le SRV augmente de 10 ³ à 10 ⁷ cm/s, l'efficacité de conversion des NWs AlGaAs/GaAs n'est que légèrement diminuée, car les photoporteurs sont protégés par des coques AlGaAs de la surface. Et pour les NW avec des coques en AlGaAs plus épaisses, comme moins de porteurs peuvent atteindre et se recombiner à la surface, les performances de l'appareil sont moins dégradées. Au contraire, les performances des GaAs NW sont sérieusement endommagées par une recombinaison de surface élevée, en particulier dans le cas des couches p épaisses. Parce que pour les NW radiaux GaAs, les photoporteurs générés dans la couche p peuvent être facilement recombinés au niveau des surfaces. Avec une épaisseur de couche p de 30 nm, l'efficacité de conversion des GaAs NW n'est que de 1,98 %, tandis que les NW AlGaAs/GaAs correspondants montrent une efficacité de 10,4 %, soit 8,42 % supérieure à celle des GaAs NW.

un La section transversale verticale des profils de génération optique dans des cellules solaires à hétérojonction à broche radiale et nanofils AlGaAs/GaAs avec différents p -épaisseurs de coque. b L'efficacité de conversion des cellules solaires radiales à nanofils GaAs et AlGaAs/GaAs en fonction de l'épaisseur de la coque p

Conclusions

Dans ce travail, nous utilisons une simulation optoélectronique 3D couplée pour étudier les performances des cellules solaires à réseau à hétérojonction à broches AlGaAs/GaAs et GaAs NW. Par rapport aux NWs GaAs, les NWs AlGaAs/GaAs peuvent confiner la majeure partie de la génération optique dans les régions actives, ce qui réduit la perte de recombinaison existe dans les régions fortement dopées, et forme des barrières pour les porteurs minoritaires, les protégeant de la recombinaison de surface ou de contact. Pour les NW axiaux AlGaAs/GaAs, en utilisant AlGaAs pour la région p supérieure au lieu de GaAs, nous pouvons autoriser une région supérieure relativement longue sans dégénérer les performances du dispositif, ce qui pourrait faciliter la fabrication et la mise en contact des cellules solaires NW. Et pour les NW radiaux, le rendement des NW AlGaAs/GaAs peut être maintenu à une valeur relativement élevée avec une recombinaison de surface très élevée. De cette étude, nous pouvons conclure que l'utilisation d'hétérojonctions AlGaAs/GaAs est une méthode efficace et pratique pour améliorer les performances des cellules solaires GaAs NW.

Abréviations

3D :

Tridimensionnel

NW :

Nanofil

SSR :

Shockley-Reed-Hall

SRV :

Vitesse de recombinaison surfacique