Повышение эффективности солнечных элементов на нанопроводниках GaAs с p-i-n переходом через гетероструктуры AlGaAs/GaAs

Аннотация

Демонстрирован существенный прирост производительности солнечных элементов на массивах нанопроводников (НП) GaAs с p-i-n переходом за счет включения гетероструктур AlGaAs/GaAs. В осевых структурах AlGaAs формирует верхний p-тип сегмент, в радиальных — внешнюю p-тип оболочку. AlGaAs слои одновременно действуют как поверхностная пассивация, барьеры задержки для фотогенерированных носителей и механизм подавления рекомбинации в сильно легированных областях. Прирост коэффициента преобразования достигает 8,42% относительно чистых GaAs НП. Для осевых НП использование AlGaAs позволяет увеличить длину верхнего p-сегмента без потери производительности, упрощая фabricацию приборов и контактную инженерию. В радиальных конфигурациях AlGaAs/GaAs структуры показывают повышенную толерантность к вариациям толщины p-оболочки и условиям поверхностной рекомбинации.

Введение

Нанопроводники GaAs (GaAs НП) стали перспективными кандидатами для высокоэффективного фотоэлектрического преобразования благодаря своему 1,43 эВ запрещенной зоне, превосходящей кремний для спектрального использования. Достигнутые эффективности для осевых pn-переходных массивов GaAs НП достигают 15,3%. Тем не менее, поверхностная рекомбинация остается критическим каналом потерь; поэтому эффективные стратегии пассивации необходимы. Установленная техника пассивации включает конформные AlGaAs оболочки, вводящие большие смещения проводимости и валентной зон, задерживающие мажоритарные носители и смягчающие поверхностную рекомбинацию.

Помимо пассивации, концентрация оптического поглощения внутри собственной (i) области p-i-n переходов может дополнительно повысить эффективность. Исследувались различные методы: оптимизация позиции перехода, наклонные НП, плазмонное металлическое декорирование, высокозонные сильно легированные слои. Хотя AlGaAs оболочки широко применялись для пассивации, их роль в направлении фотогенерированных носителей к активной области получила ограниченное внимание.

В данном исследовании системно оцениваются массивы GaAs НП с p-i-n переходами, включающие AlGaAs/GaAs гетероструктуры, для обеих осевой и радиальной геометрий. Замена верхнего p-сегмента (осевой) или внешней оболочки (радиальной) на AlGaAs позволяет использовать его сниженный коэффициент поглощения для концентрации фотогенерации в i-области, тем самым снижая рекомбинационные потери в сильно легированных зонах и защищая носители от поверхностной и контактной рекомбинации.

Методы

Архитектура прибора показана на рис. 1. Каждый солнечный элемент состоит из периодического массива НП; для иллюстрации показан один НП. Al_0,8Ga_0,2As слой служит верхним p-тип сегментом в осевых p-i-n переходах и внешним p-тип оболочкой в радиальных p-i-n переходах; все остальные области — GaAs. Оба p- и n-области легированы на уровне 10¹⁸ см⁻³. Диаметр и длина НП — 180 нм и 1,2 мкм соответственно, период 360 нм, следуя оптимизированному D/P соотношению из литературы.

Оптическое поглощение моделировали в Lumerical FDTD Solutions, накладывая периодические граничные условия для моделирования массива с одним НП. Комплексные показатели преломления GaAs и Al_0,8Ga_0,2As брали из литературы. Скорость фотогенерации G_ph рассчитывалась через дивергенцию векторой Пойнтинга, предполагая одну электрон-дырную пару на поглощенный фотон. Спектр AM 1.5 G использовался для взвешивания G_ph по смоделированному спектру.

Электрические характеристики вычисляли в Synopsys Sentaurus, связывая оптический профиль генерации с самосогласованным решением уравнений непрерывности носителей и уравнения Пуассона. Учитывали легированию-зависимую подвижность, радиативную, Авже и Шокли-Ред-Холл (SRH) рекомбинацию. AlGaAs/GaAs интерфейс моделировали термоионной эмиссионной моделью и считали бездефектным, как уместно для решеточно-согласованной эпитаксии. Поверхностная рекомбинация учитывалась только на воздух-НП интерфейсах; значения скорости поверхностной рекомбинации (SRV) 10³ и 10⁷ см·с⁻¹ рассматривались для представления хорошо и плохо пассивированных поверхностей. Параметры прибора суммированы в табл. 1.

Результаты и обсуждение

Рис. 2 сравнивает спектры поглощения AlGaAs/GaAs гетероструктурных НП с их GaAs аналогами. Осевые приборы имеют верхние p-области 150 нм и нижние n-области 200 нм; радиальные — 20 нм p-оболочки и 20 нм внутреннего n-радиуса. Общее поглощение похоже для всех структур, за исключением незначительного падения в радиальных гетероструктурах около запрещенной зоны GaAs. При ≈900 нм оптическое поле концентрируется вдоль боковых стенок; в радиальной гетероструктуре AlGaAs оболочка не поглощает эффективно, локализуя носители в GaAs ядре.

Электрические симуляции показывают, что при низких SRV осевые приборы с AlGaAs в верхнем p-сегменте демонстрируют 2,9% абсолютный прирост эффективности (с 11,6% до 14,5%), вызванный в основном 18,9% ростом тока короткого замыкания (с 18,9 до 23,3 мА·см⁻²). Радиальные приборы показывают меньшее, но последовательное улучшение (10,8% до 11,3% эффективности, 22,6 до 23,8 мА·см⁻²). При высоких SRV (10⁷ см·с⁻¹) осевые приборы испытывают выраженное падение эффективности для обеих конструкций; тем не менее, AlGaAs структуры сохраняют более высокий ток короткого замыкания за счет подавления рекомбинации у верхнего контакта. Радиальные AlGaAs/GaAs НП поддерживают производительность, так как AlGaAs оболочка задерживает носители от поверхности.

Вариация объема p-области разъясняет влияние сильно легированных зон на эффективность. Рис. 4a показывает, что при увеличении длины верхнего p-сегмента от 50 до 200 нм горячая точка генерации смещается к низу, концентрируя носители под AlGaAs слоем. При низких SRV эффективность AlGaAs/GaAs приборов остается в основном неизменной, тогда как GaAs приборы деградируют линейно с ростом p-длины из-за более высокой фотогенерации ближе к поверхности. При высоких SRV эффективность AlGaAs/GaAs даже растет с удлинением p-областей, так как носители, сгенерированные в AlGaAs, экранированы от поверхностной рекомбинации. Следовательно, более длинный AlGaAs верхний сегмент может использоваться без потери производительности, упрощая фabricацию и контактные процессы для осевых массивов.

Радиальные приборы демонстрируют схожий тренд относительно толщины p-оболочки. Рис. 5a показывает, что увеличение толщины AlGaAs оболочки задерживает больше фотогенерации внутри GaAs ядра, смягчая поверхностную рекомбинацию. Эффективность снижается для обеих конструкций при росте толщины оболочки, но падение ملحوчно более пологим для AlGaAs/GaAs приборов. При высоких SRV эффективность AlGaAs/GaAs падает лишь незначительно, тогда как радиальные GaAs приборы страдают серьезной потерей эффективности (с 10,8% до 8,05%) при росте SRV от 10³ до 10⁷ см·с⁻¹. С 30 нм p-оболочкой AlGaAs/GaAs приборы достигают 10,4% эффективности, на 8,42% выше, чем 1,98% чистых радиальных GaAs НП.

Заключение

Связанные 3D оптоэлектронные симуляции демонстрируют, что AlGaAs/GaAs гетероструктуры эффективно локализуют фотогенерацию в активных областях, уменьшают рекомбинационные потери в сильно легированных зонах и создают барьеры для мажоритарных носителей, защищающие от поверхностной и контактной рекомбинации. Для осевых НП использование AlGaAs позволяет удлинить верхний p-сегмент без штрафа к производительности, облегчая фabricацию приборов и электрические контакты. Радиальные НП получают преимущество от превосходной толерантности к толщине p-оболочки и поверхностной рекомбинации, сохраняя высокую эффективность даже при агрессивных SRV условиях. В целом, AlGaAs/GaAs гетероструктуры представляют практичную, высокоэффективную стратегию для продвижения производительности солнечных элементов на нанопроводниках GaAs.