Численное моделирование характеристик солнечных элементов на основе GaPNAs/Si гетероструктур и GaN нитевидных нанокристаллов

Abstract

С помощью методов численного моделирования рассмотрены режимы работы и определены конструкции солнечных элементов комбинированной размерности на основе планарной гетероструктуры GaPNAs/Si и массива GaN нитевидных нанокристаллов. Показано, что массив GaN нитевидных нанокристаллов обладает антиотражающими свойствами на уровне не хуже 2.5% при освещении солнечным спектром AM1.5D. Наибольшее влияние на эффективность работы солнечных элементов оказывают времена жизни неосновных носителей заряда и толщина фотоактивных слоев. Продемонстрировано, что эффективность двухпереходных солнечных элементов, состоящих из перехода на основе твердого полупроводникового раствора GaPNAs и массива GaN нитевидных нанокристаллов на Si подложке, достигает 32% при AM1.5D. ВведениеВ последнее время в связи с многочисленными дости-жениями в технологии роста полупроводниковых соеди-нений все отчетливее становится перспектива прямой интеграции полупроводников A III B V и кремния. Данная интеграция позволит создавать монолитные оптоэлек-тронные приборы с совершенно новыми характеристи-ками. Работы по непосредственному росту GaAs на Si-подложках ведутся достаточно давно [1,2], однако наличие относительно большого рассогласования в па-раметрах кристаллических решеток (∼ 4%) данных ма-териалов практически во всех экспериментах приводит к формированию большого количества дислокаций несоот-ветствий на гетероинтерфейсе (10 6 −10 7 см −2 ), появле-нию каналов стока неосновных носителей, что драмати-ческим образом влияет на эффективность работы прибо-ров. Полупроводниковое соединение GaP схоже по пара-метру решетки с кремнием, но при этом за счет того, что GaP является непрямозонным полупроводником [3], эф-фективность оптоэлектронных приборов (диодов, лазе-ров, фотовольтаических преобразователей и т. д.) на его основе относительно не высока. Добавление небольшого количества азота (менее 4%) в GaP существенно меняет его свойства, делая полупроводниковый твердый раствор GaPN прямозонным [4,5] и увеличивая его коэффициент поглощения. Отметим при этом, что значение ширины запрещенной зоны GaPN составляет около 2 эВ [3], что не является оптимальным при создании двухпереходных солнечных элементов (СЭ) на основе GaPN/Si. Разбавленные нитридные твердые растворы GaPNAs за счет варьирования содержания As и P могут быть решеточно согласованы с ростовой подложкой (Si). При этом появляется возможность независимого управления значением ширины запрещенной зоны в широком диа-пазоне значений 1.5−2 эВ [6]. Как было эксперимен-тально и теоретически показано в работах [7,8], СЭ с несколькими переходами на основе системы материалов GaPNAs/Si могут быть решеточно согласованными и об-ладать высокой эффективностью при низкой стоимости подложки.В данной работе рассматриваются СЭ комбиниро-ванной размерности на основе GaPNAs/Si, в которых эмиттерный слой верхнего перехода заменен на массивы GaN или GaP нитевидных нанокристаллов (ННК). Дан-ный подход имеет ряд преимуществ, включающий эф-фективную пассивацию лицевой поверхности верхнего перехода GaPNAs и формирование широкозонн...