Моделирование характеристик тандемного монолитного солнечного элемента Si/Ge с буферным слоем Si1–хGeх

Проведено компьютерное моделирование тандемного монолитного солнечного элемента Si/Ge с буферным слоем Si1–хGeх, получены вольт-амперные характеристики, рассчитаны фотовольтаические параметры и найдено распределение основных физических величин. Показано, что добавление второго германиевого каскада п...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2015
Автори:	Гниленко, А.Б., Лаврич, Ю.Н., Плаксин, С.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України 2015
Назва видання:	Технология и конструирование в электронной аппаратуре
Теми:	Энергетическая электроника
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100562
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Моделирование характеристик тандемного монолитного солнечного элемента Si/Ge с буферным слоем Si1–хGeх / А.Б. Гниленко, Ю.Н. Лаврич, С.В. Плаксин // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2015. — № 5-6. — С. 28-34. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100562
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1005622025-02-09T15:40:11Z Моделирование характеристик тандемного монолитного солнечного элемента Si/Ge с буферным слоем Si1–хGeх Моделюваня характеристик тандемного монолітного сонячного елемента Si/Ge з буферним шаром Si1–хGeх Simulating characteristics of Si/Ge tandem monolithic solar cell with Si1-xGex buffer layer Гниленко, А.Б. Лаврич, Ю.Н. Плаксин, С.В. Энергетическая электроника Проведено компьютерное моделирование тандемного монолитного солнечного элемента Si/Ge с буферным слоем Si1–хGeх, получены вольт-амперные характеристики, рассчитаны фотовольтаические параметры и найдено распределение основных физических величин. Показано, что добавление второго германиевого каскада позволяет существенно повысить коэффициент полезного действия кремниевых фотоэлектрических преобразователей. Проведено комп'ютерне моделювання тандемного монолітного сонячного елемента Si/Ge з буферним шаром Si1–хGeх, одержано вольт-амперні характеристики, розраховано фотовольтаїчні параметри і знайдено розподіл основних фізичних величин. Показано, що додатковий германієвий каскад дозволяє суттєво підвищити коефіцієнт корисної дії кремнієвих фотоелектричних перетворювачів. Excitation of bulk and surface acoustic waves with the interdigital transducer (IDT), which is deposited on the surface of piezoelectric crystal, is widely used in the development of devices in acoustoelectronics and in the design of the microwave acousto-optic deflectors. Excitation of bulk acoustic waves by IDT in the devices on surface acoustic waves leads to the appearance of spurious signals. At the same time excitation of bulk acoustic waves with IDT from the surface of lithium niobate crystals allows creating high frequency acousto-optic deflectors, which makes possible to significantly simplify the technology of their production. Therefore, significant attention is paid to the task of excitation and distribution of bulk acoustic waves with IDT including recent times by the method of simulation of their excitation and distribution. The obtained theoretical results require experimental verification. 2015 Article Моделирование характеристик тандемного монолитного солнечного элемента Si/Ge с буферным слоем Si1–хGeх / А.Б. Гниленко, Ю.Н. Лаврич, С.В. Плаксин // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2015. — № 5-6. — С. 28-34. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 2225-5818 DOI: 10.15222/TKEA2015.5-6.28 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100562 621.383.51 ru Технология и конструирование в электронной аппаратуре application/pdf Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Энергетическая электроника Энергетическая электроника
spellingShingle	Энергетическая электроника Энергетическая электроника Гниленко, А.Б. Лаврич, Ю.Н. Плаксин, С.В. Моделирование характеристик тандемного монолитного солнечного элемента Si/Ge с буферным слоем Si1–хGeх Технология и конструирование в электронной аппаратуре
description	Проведено компьютерное моделирование тандемного монолитного солнечного элемента Si/Ge с буферным слоем Si1–хGeх, получены вольт-амперные характеристики, рассчитаны фотовольтаические параметры и найдено распределение основных физических величин. Показано, что добавление второго германиевого каскада позволяет существенно повысить коэффициент полезного действия кремниевых фотоэлектрических преобразователей.
format	Article
author	Гниленко, А.Б. Лаврич, Ю.Н. Плаксин, С.В.
author_facet	Гниленко, А.Б. Лаврич, Ю.Н. Плаксин, С.В.
author_sort	Гниленко, А.Б.
title	Моделирование характеристик тандемного монолитного солнечного элемента Si/Ge с буферным слоем Si1–хGeх
title_short	Моделирование характеристик тандемного монолитного солнечного элемента Si/Ge с буферным слоем Si1–хGeх
title_full	Моделирование характеристик тандемного монолитного солнечного элемента Si/Ge с буферным слоем Si1–хGeх
title_fullStr	Моделирование характеристик тандемного монолитного солнечного элемента Si/Ge с буферным слоем Si1–хGeх
title_full_unstemmed	Моделирование характеристик тандемного монолитного солнечного элемента Si/Ge с буферным слоем Si1–хGeх
title_sort	моделирование характеристик тандемного монолитного солнечного элемента si/ge с буферным слоем si1–хgeх
publisher	Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
publishDate	2015
topic_facet	Энергетическая электроника
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100562
citation_txt	Моделирование характеристик тандемного монолитного солнечного элемента Si/Ge с буферным слоем Si1–хGeх / А.Б. Гниленко, Ю.Н. Лаврич, С.В. Плаксин // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2015. — № 5-6. — С. 28-34. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
series	Технология и конструирование в электронной аппаратуре
work_keys_str_mv	AT gnilenkoab modelirovanieharakteristiktandemnogomonolitnogosolnečnogoélementasigesbufernymsloemsi1hgeh AT lavričûn modelirovanieharakteristiktandemnogomonolitnogosolnečnogoélementasigesbufernymsloemsi1hgeh AT plaksinsv modelirovanieharakteristiktandemnogomonolitnogosolnečnogoélementasigesbufernymsloemsi1hgeh AT gnilenkoab modelûvanâharakteristiktandemnogomonolítnogosonâčnogoelementasigezbufernimšaromsi1hgeh AT lavričûn modelûvanâharakteristiktandemnogomonolítnogosonâčnogoelementasigezbufernimšaromsi1hgeh AT plaksinsv modelûvanâharakteristiktandemnogomonolítnogosonâčnogoelementasigezbufernimšaromsi1hgeh AT gnilenkoab simulatingcharacteristicsofsigetandemmonolithicsolarcellwithsi1xgexbufferlayer AT lavričûn simulatingcharacteristicsofsigetandemmonolithicsolarcellwithsi1xgexbufferlayer AT plaksinsv simulatingcharacteristicsofsigetandemmonolithicsolarcellwithsi1xgexbufferlayer
first_indexed	2025-11-27T12:40:58Z
last_indexed	2025-11-27T12:40:58Z
_version_	1849947341034881024
fulltext	Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 5–6 28 ÝíåðãåòèЧåñêàя Ýëåêòðîíèêà ISSN 2225-5818 ÓÄÊ 621.383.51 К. ф.-м. н. А. Б. ГниленКо2, к. т. н. Ю. н. лАврич1, д. ф.-м. н. С. в. ПлАКСин1 Óêðàèíà, ã. Äíåïðîïåòðîâñê, 1Институт транспортных систем и технологий НАН Украины, 2Днепропетровский национальный университет имени Олеся Гончара E-mail: svp@westa-inter.com МОДелИрОвАНИе хАрАктерИстИк тАНДеМНОГО МОНОлИтНОГО сОлНечНОГО элеМеНтА Si/Ge с бУферНыМ слОеМ Si1–хGeх Уже несколько десятилетий кремний является полупроводниковым материалом, наиболее ши- ðîêî èñïîëьзóющèмñÿ â ñîëíåчíîé ýíåðãåòèêå. Однако, имея ширину запрещенной зоны при- близительно 1,1 эв, кремний плохо поглоща- ет фотоны, приходящиеся на «красную» и «ин- фðàêðàñíóю» îбëàñòè ñîëíåчíîãî ñïåêòðà. Äëÿ эффективного использования длинноволновой части спектра желательно было бы дополнить кремний еще одним полупроводниковым мате- риалом с меньшей шириной запрещенной зоны, применяя принцип разделения спектра, харак- терный для многопереходных солнечных эле- мåíòîâ [1]. Очåâèдíî, чòî íàèëóчшèм âыбîðîм здåñь ÿâëÿåòñÿ ãåðмàíèé. Обëàдàÿ шèðèíîé зà- ïðåщåííîé зîíы ïðèмåðíî 0,66 ýВ, ãåðмàíèé способен эффективно поглощать низкоэнерге- òèчåñêèå фîòîíы. Êîýффèцèåíò ïîãëîщåíèÿ Ge больше, чем у Si, причем не только в длинновол- íîâîé чàñòè ñïåêòðà. Гåðмàíèé, ê òîмó жå, èзâå- стен как превосходный материал для подложки, на котором успешно выращиваются соединения AIIIBV ïî õîðîшî îòðàбîòàííым òåõíîëîãèÿм. Проблема соединения Si и Ge в одной тан- демной структуре связана, прежде всего, со зна- чительным отличием постоянных решетки этих полупроводниковых материалов —приблизи- òåëьíî 4,2%. Пðè òàêîé ðàзíèцå ïðîцåññ âыðà- щивания высококачественного слоя Si на под- ложке из Ge или наоборот является трудновы- полнимым, поскольку при выращивании, на- пример, слоя Si в него неизбежно будут вне- дряться дислокации, порождаемые несогласо- ванностью кристаллических решеток материа- ëîâ. Êîíцåíòðàцèÿ òàêèõ ïðîíèêàющèõ дèñëî- каций может быть настолько высокой, что фото- вольтаические свойства материала будут в зна- чèòåëьíîé ñòåïåíè óõóдшåíы. Нàïðèмåð, ñíè- Проведено компьютерное моделирование тандемного монолитного солнечного элемента Si/Ge с бу- ферным слоем Si1–хGeх, получены вольт-амперные характеристики, рассчитаны фотовольтаиче- ские параметры и найдено распределение основных физических величин. Показано, что добавление второго германиевого каскада позволяет существенно повысить коэффициент полезного действия кремниевых фотоэлектрических преобразователей. Ключевые слова: фотоэлектрический преобразователь, тандемный солнечный элемент, буферный слой, Silvaco TCAD, диффузионно-дрейфовая модель, вольт-амперная характеристика, КПД. зится подвижность носителей заряда, в особен- ности неосновных, и тем самым будет уменьше- на эффективность фото электрического преобра- зîâàíèÿ [2]. Наиболее распространенным способом умень- шения концентрации проникающих дислокаций является выращивание промежуточных буфер- ных слоев с постепенно изменяющейся посто- ÿííîé ðåшåòêè. Òàêèå ñëîè ñíèмàюò íàïðÿжå- ние решетки, препятствуя распространению дис- ëîêàцèé. Äëÿ òàíдåмíîãî ñîëíåчíîãî ýëåмåíòà Si/Ge естественным материалом для буферно- го слоя является соединение Si1–xGex со ступен- чато изменяющейся концентрацией компонен- òîâ. Òåõíîëîãèÿ âыðàщèâàíèÿ, õàðàêòåðèñòèêè и особенности использования Si1–xGex буфер- ных слоев достаточно хорошо изучены благодаря многочисленным попыткам создания каскадных солнечных элементов путем выращивания сло- ев AIIIBV íà êðåмíèåâîé ïîдëîжêå [2—4]. Ещå одним подходом является использование сверх- решеток из тонких чередующихся слоев Si и Ge [5, 6]. В [5] èññëåдîâàíà n+—p—p+-структура из кремния толщиной 1 мкм, в которую для ис- пользования «красной» и ближней «инфракрас- ной» части солнечного спектра встроена сверх- решетка из чередующихся наноразмерных сло- ев Si и Ge с собственной концентрацией носите- ëåé. Òàêîé ñîëíåчíыé ýëåмåíò ïîêàзàë ïðè мî- дåëèðîâàíèè ýффåêòèâíîñòь íà óðîâíå 10,16%. тандемный солнечный элемент Si/Ge с распо- ложенным между каскадами коммутирующим туннельным диодом, образующим гетеропереход Si—Ge, ðàññмîòðåí â [7]. Пðè ýòîм ïðåдïîëà- галось, что дислокации, вызванные несогласо- ванностью постоянных кристаллических реше- ток Si и Ge, локализованы только на гетеропе- реходе между слоями Si и Ge туннельного дио- DOI: 10.15222/TKEA2015.5-6.28 Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 5–6 29 ÝíåðãåòèЧåñêàя Ýëåêòðîíèêà ISSN 2225-5818 да и не проникают в толщу фотоактивных сло- ев, что, однако, не отражает реальных физиче- ñêèõ ïðîцåññîâ â ïîдîбíîм óñòðîéñòâå. в настоящей статье представлены результа- ты компьютерного исследования характеристик тандемного солнечного элемента Si/Ge, в кон- струкции которого используется буферный слой Si1–xGex, расположенный между кремниевым êàñêàдîм è ãåðмàíèåâым òóííåëьíым дèîдîм. Метод моделирования в настоящее время для математического моде- лирования в микроэлектронике используют про- граммные системы приборно-технологического ïðîåêòèðîâàíèÿ TCAD, ïðè ïîмîщè êîòîðыõ можно проводить сквозное моделирование по- лупроводниковых устройств от процесса форми- рования устройства и до расчета полного набо- ðà åãî õàðàêòåðèñòèê [8]. В дàííîé ðàбîòå быëà использована одна из таких систем — программ- íыé ïàêåò Silvaco TCAD [9], îðèåíòèðîâàííыé на решение всего комплекса конструкторско- технологических задач, связанных как с моде- лированием технологического маршрута форми- рования полупроводникового устройства, так и с анализом электрических характеристик уже ãîòîâîãî óñòðîéñòâà. Сòðóêòóðà ïðîãðàммíîãî ïàêåòà Silvaco TCAD ïðåдñòàâëåíà íà рис. 1. Оñíîâîé Silvaco TCAD ÿâëÿюòñÿ дâà âзàèм- но интегрированных программных компонен- та: программа для моделирования технологиче- ских процессов изготовления полупроводнико- âыõ óñòðîéñòâ Athena è ïðîãðàммà дëÿ ðàñчåòà ýëåêòðèчåñêèõ õàðàêòåðèñòèê Atlas. Сîâмåñòíîå èñïîëьзîâàíèå êîмïîíåíòîâ Athena è Atlas â åдè- ном процессе сквозного моделирования позволя- ет исследовать влияние параметров и условий технологических процессов формирования полу- проводниковых устройств на их выходные элек- òðèчåñêèå õàðàêòåðèñòèêè [10]. Пîñêîëьêу объ- ектами настоящего исследования являлись гото- вые полупроводниковые устройства, при модели- ðîâàíèè èñïîëьзîâàëñÿ òîëьêî êîмïîíåíò Atlas. Из возможных моделей переноса выбрана диффузионно-дрейфовая, адекватно описываю- щая физические процессы, проходящие в полу- проводниковых устройствах, и успешно приме- íÿâшàÿñÿ ðàíåå â [11, 12]. Эòà мîдåëь ïðèмå- нима практически ко всем полупроводниковым устройствам, кроме, разве что, структур сверх- мàëîãî ðàзмåðà. Äèффóзèîííî-дðåéфîâàÿ мà- тематическая модель представляет собой систе- му фундаментальных уравнений, связывающих электростатический потенциал и концентрацию носителей заряда внутри рассматриваемой об- ëàñòè. Ê ýòèм óðàâíåíèÿм îòíîñÿòñÿ óðàâíåíèå Пуассона, уравнения непрерывности и транс- ïîðòíыå óðàâíåíèÿ. Пðîцåññы ðåêîмбèíàцèè описываются в рамках рекомбинационной моде- ли Шокли—рида—холла, учитывающей уров- íè ëåãèðîâàíèÿ. Òàêжå ïðèíèмàюòñÿ âî âíèмà- ние Оже-рекомбинация и уменьшение ширины зàïðåщåííîé зîíы. Мîдåëь ïîдâèжíîñòè íîñè- телей заряда, зависящей от концентрации приме- си, основана на собственных эмпирических дан- íыõ ñèñòåмы Atlas. Äëÿ мîíîëèòíыõ мíîãîïå- реходных структур с коммутирующими каскады туннельными диодами учитываются физические процессы туннелирования на специально подо- бðàííыõ êîîðдèíàòíыõ ñåòêàõ. Уравнение Пуассона связывает электроста- тический потенциал Ψ с объемной плотностью заряда ρ: div(ε∇Ψ) = –ρ, где ε — дèýëåêòðèчåñêàÿ ïðîíèцàåмîñòь. электрическое поле определяется как гради- ент потенциала: .E    Уравнения непрерывности для электронов и дырок задаются выражениями Рèñ. 1. Взàèмîñâÿзь êîмïîíåíòîâ èíòåãðèðîâàííîé ñèñòåмы мîдåëèðîâàíèÿ Silvaco TCAD Silvaco TCAD компо- ненты: Процес- сы: Модели: числен- ные методы Athena моделирование технологических процессов Atlas анализ электрических характерис- тик полупроводниковых устройств Tonyplot визуали- зация чис- ленных ре- зультатов Ионная имплантация Отжиг и диф- фузия Окис- ление Осаж- дение трав- ление Гаусса, Пирсона, Монте-карло ферми Дила- Грува Монте-карло Ньютона Гумеля блочных итераций Модели переноса (диффу- зионно- дрейфовая è ò. д.) Модели подвиж - ности Модели генерации- рекомби- нации Модели ударной иониза- ции ... Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 5–6 30 ÝíåðãåòèЧåñêàя Ýëåêòðîíèêà ISSN 2225-5818 1 div ; 1 div , n n n p p p n J G R t q p J G R t q              где n, p — значения концентрации электронов и ды- рок, а также индексы в обозначении со- ответствующих им величин; ,n pJ  — плотность тока; Gn, p — коэффициенты генерации; Rn, p — коэффициенты рекомбинации; q — зàðÿд ýëåêòðîíà. вид транспортных уравнений, определяю- щих значения плотности электронного и ды- ðîчíîãî òîêîâ, зàâèñèò îò мîдåëè ïåðåíîñà. Преимуществом выбранной диффузионно- дрейфовой модели является то, что кроме Ψ, n и p в ней не используются никакие другие неза- âèñèмыå âåëèчèíы. В ðàмêàõ ýòîé мîдåëè òðàíñ- портные уравнения обычно формулируются в виде уже готовых решений для токов: ; , n n n n p p p p J qn E qD n J qp E qD p             где µn, p — значения подвижности носителей заря- дà, îïðåдåëÿåмыå â Atlas ïî ýмïèðèчå- ским данным; ,n pÅ  — эффективное электрическое поле; Dn, p — êîýффèцèåíòы дèффóзèè. Значения ,n pÅ  вычисляются по формулам ln ; ln , L n ie L p ie kT E n q kT E n q                     где TL — абсолютная температура решетки; nie — эффективная собственная концентрация носителей заряда (определяется из эмпи- ðèчåñêèõ фîðмóë). коэффициенты диффузии определяются из соотношений эйнштейна в рамках статистики больцмана в виде ; .L L n n p p kT kT D D q q     Процессы рекомбинации описываются соглас- но рекомбинационной модели Шокли—рида— холла, учитывающей уровни легирования, как         2 01 / ( , ) ie p ie n ie pn n N N R p n p n n n         , где τn, p — время жизни носителей заряда; N∑ — суммарная концентрация доноров и ак- цåïòîðîâ [13]. ðезультаты моделирования в качестве объекта моделирования был вы- бран изображенный на рис. 2 тандемный моно- литный солнечный элемент Si/Ge, между ка- скадами которого расположен буферный слой Si1–xGex со ступенчато изменяющимся соотно- шåíèåм êîмïîíåíòîâ. Сîëíåчíыé ýëåмåíò ñî- ñòîèò èз дâóõ êàñêàдîâ. Вåðõíèé êàñêàд îб- разован тонким слоем кремния с гомогенным p—n-переходом, толщина эмиттера и базы, соот- âåòñòâåííî, 1 è 6 мêм. Нèжíèé êàñêàд îбðàзîâàí гомогенным p—n-переходом в слое германия, тол- щèíà ýмèòòåðà è бàзы, ñîîòâåòñòâåííî, 1 è 90 мêм. каскады коммутируются туннельным диодом, образованным гомогенным p—n-переходом в высоколегированном слое германия толщиной 0,1 мêм. Мåждó ãåðмàíèåâым òóííåëьíым дèî- дом и кремниевым верхним каскадом размещен буферный слой Si1–xGex, предназначенный для уменьшения рассогласования значений постоян- íыõ ðåшåòêè Si è Ge. Бóфåðíыé ñëîé ñîñòîèò из десяти слоев Si1–xGex со ступенчато изменяю- щимся от чистого кремния до чистого германия ñîîòíîшåíèåм êîмïîíåíòîâ. Пðè мîдåëèðîâàíèè электроды считались бесконечно тонкими, фак- òîð зàòåíåíèÿ êîíòàêòíîé ñåòêîé íå óчèòыâàëñÿ. Для моделирования данного солнечного эле- мента был составлен командный файл, задаю- щèé íà ÿзыêå îïåðàòîðîâ ñèñòåмы Atlas íåðåãó- лярную сетку метода конечных разностей, геоме- трические параметры областей, заполненных од- нородным материалом, уровни легирования по- лупроводников, свойства всех используемых ма- териалов, включая их оптические данные, мате- матические модели, выбранные для численного àíàëèзà, ñâîéñòâà èñòîчíèêà èзëóчåíèÿ è ò. д. Моделирование было выполнено для нормально Рèñ. 2. Сõåмà ïîïåðåчíîãî ñåчåíèÿ òàíдåмíîãî мî- нолитного солнечного элемента Si/Ge с буферным слоем Si1–xGex эмиттер, p-типа Si, 1 мкм база, n-òèïà Si, 6 мêм 10 буферных слоев Si1–xGex со ступенчато изменяющимся соотношением компонентов от x=0 до x=1, толщина каждого слоя 1 мкм туннельный диод n+-типа Ge, 0,05 мкм туннельный диод p+-типа Ge, 0,05 мкм эмиттер, p-типа Ge, 1 мкм база, n-типа Ge, 90 мкм Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 5–6 31 ÝíåðãåòèЧåñêàя Ýëåêòðîíèêà ISSN 2225-5818 ориентированного солнечного освещения с ин- тенсивностью 1 солнце при условиях освещен- нîñòè AM0. в данном исследовании проводился ана- лиз поведения вольт-амперных характеристик (вАх) и основных фотовольтаических параме- тров в зависимости от толщины верхнего крем- ниевого каскада и буферных слоев рассматри- âàåмîãî ñîëíåчíîãî ýëåмåíòà. Из ïðèâåдåííыõ на рис. 3 вАх видно, что изменение толщины этого слоя значительно влияет на ток коротко- го замыкания и несущественно сказывается на íàïðÿжåíèè õîëîñòîãî õîдà. Òîê êîðîòêîãî зà- мыкания достигает наибольшего значения при òîëщèíå бàзîâîãî ñëîÿ âåðõíåãî êàñêàдà 8 мêм. влияние толщины базового слоя верхнего ка- скада на значение коэффициента полезного дей- ствия солнечного элемента показано на рис. 4, а. При исследовании влияния толщины буфер- ных слоев Si1–xGex на основные фотовольтаиче- Рèñ. 3. ВАХ òàíдåмíîãî мîíîëèòíîãî ñîëíåчíîãî ýëå- мента Si/Ge с буферным слоем Si1–xGex при различ- ной толщине базового слоя верхнего Si каскада (ука- зана в мкм возле кривых) 0,2 0,4 0,6 0,8 Напряжение, в т ок , нА 8 10 5 3 20 1 30 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 Рèñ. 4. Зàâèñèмîñòь ÊПÄ ýëåмåíòà îò òîëщèíы бàзîâîãî ñëîÿ âåðõíåãî Si êàñêàдà (а) и от толщины буферных слоев Si1–xGex (б) а) к П Д , % 0 5 10 15 20 25 30 толщина базы, мкм 14 12 10 8 6 4 2 к П Д , % 0 1 2 3 4 5 толщина буферных слоев, мкм б) 14 13 12 11 10 9 8 7 Рèñ. 5. Эíåðãåòèчåñêàÿ зîííàÿ ñòðóêòóðà â îбëàñòè бóфåðíîãî ñëîÿ Si1–xGex (а) и в области германиевого туннельного диода (б) б) 1 — дно зоны проводимости; 2 — потолок валентной зоны э не рг ия , эв 10,12 10,13 10,14 10,15 10,16 10,17 расстояние, мкм 1,2 0,8 0,4 0 –0,4 –0,8 –1,2 1 2 а) 1 — дно зоны проводимости; 2 — потолок валентной зоны э не рг ия , эв 9,0 9,2 9,4 9,6 9,8 10,0 10,2 расстояние, мкм 1,2 0,8 0,4 0 –0,4 –0,8 –1,2 1 2 1 2 Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 5–6 32 ÝíåðãåòèЧåñêàя Ýëåêòðîíèêà ISSN 2225-5818 ские параметры солнечного элемента толщина одного слоя варьировалась в пределах от 0,01 дî 5,0 мêм. Рàñчåòы ïðîâîдèëèñь дëÿ 10 ñëîåâ одинаковой толщины, но с разным соотношени- åм âõîдÿщèõ â ñîåдèíåíèå êîмïîíåíòîâ. Нà îñíîâàíèè ïðèâåдåííîãî íà ðèñ. 4, б гра- фика можно сделать вывод о том, что уменьше- ние толщины буферных слоев приводит к уве- ëèчåíèю ýффåêòèâíîñòè ñîëíåчíîãî ýëåмåíòà. Однако при этом следует заметить, что чем боль- ше толщина буферных слоев, тем лучше снима- ется напряжение решетки и, соответственно, в большей степени уменьшается плотность дис- локаций, отрицательно сказывающихся на фо- òîâîëьòàèчåñêèõ õàðàêòåðèñòèêàõ. Пîñêîëьêó плотность дислокаций в используемой модели не учитывается, изменение этого параметра не отражается на поведении фотовольтаических ха- ðàêòåðèñòèê. На рис. 5 показана энергетическая структу- ра солнечного элемента, отображающая положе- ние дна зоны проводимости и потолка валент- ной зоны в области размещения буферного слоя è òóííåëьíîãî дèîдà. Вåðòèêàëьíыå ëèíèè îò- мечают границы раздела между различными по- ëóïðîâîдíèêîâымè мàòåðèàëàмè. Нà ðèñ. 5, а показан ступенчатый характер изменения шири- ны запрещенной зоны буферного слоя Si1–xGex при изменении долевого состава компонентов от чèñòîãî Si ê чèñòîмó Ge. Нà ðèñ. 5, б более де- тально показана энергетическая структура гер- мàíèåâîãî òóííåëьíîãî дèîдà. результаты моделирования распределения скорости фотогенерации в тандемном солнеч- ном элементе с буферным слоем Si1–xGex приве- дены на рис. 6. Здåñь âèдíî, чòî ñêîðîñòь фî- тогенерации и в кремнии, и германии экспонен- циально уменьшается по мере прохождения из- ëóчåíèÿ âãëóбь мàòåðèàëà. Лåãêî заметить, что уменьшение скорости фотогенерации намного больше при прохождении излучения через ниж- ний, германиевый каскад, чем через верхний, кремниевый (это объясняется различием значе- íèé êîýффèцèåíòîâ ïîãëîщåíèÿ). В бóфåðíîм слое Si1–xGex скорость фотогенерации оказыва- ется меньшей, чем в каскадах тандемного сол- íåчíîãî ýëåмåíòà. Пî ýòîé ïðèчèíå ïðè óâåëè- чении толщины буферного слоя эффективность ñîëíåчíîãî ýëåмåíòà ñíèжàåòñÿ. Выводы На основании проведенного при помощи ком- ïьюòåðíîãî ïàêåòà Silvaco TCAD мîдåëèðîâà- ния тандемного монолитного солнечного элемен- та Si/Ge с буферным слоем Si1–xGex было уста- íîâëåíî, чòî åãî ýффåêòèâíîñòь дîñòèãàåò 13%. Аналогичное моделирование «стандартного» од- нопереходного кремниевого солнечного элемента тех же размеров и структуры показало, что его ýффåêòèâíîñòь íå ïðåâышàåò 10—11%. Òàêèм образом, переход к тандемному солнечному эле- менту Si/Ge позволяет повысить коэффициент полезного действия кремниевых фотоэлектри- ческих преобразователей как минимум на чет- âåðòь. Пðè ýòîм íåмàëîâàжíым ÿâëÿåòñÿ è òî, что использование буферного слоя между ка- скадами позволяет снизить напряжение решетки при переходе от Ge к Si и тем самым уменьшить плотность дислокаций до приемлемого уровня, а следовательно, и их влияние на характеристи- êè ñîëíåчíîãî ýëåмåíòà. ИсПОлЬЗОвАННые ИстОчНИкИ 1. Luque A., Hegedus S. Handbook of photovoltaic science and engineering.— John Wiley & Sons Ltd, 2003. 2. Ringel S.A., Carlin J.A., Andre C.L. et al. Single- junction InGaP/GaAs solar cells grown on Si substrates with SiGe buffer layers // Progress in photovoltaics: Research and applications.— 2002.— Vol. 10, iss. 6.— P. 417—426.— http://dx.doi.org/10.1002/pip.448 3. Пóòÿòî М.А., Сåмÿãèí Б.Р., Емåëьÿíîâ Е.А. è дð. Мîëåêóëÿðíî-ëóчåâàÿ ýïèòàêñèÿ ñòðóêòóð GaAs/ Si(001) дëÿ âыñîêîýффåêòèâíыõ òàíдåмíыõ AIIIBV/Si- преобразователей солнечной энергии на активной крем- íèåâîé ïîдëîжêå // Изâ. Вóзîâ. Фèзèêà.— 2010.— ¹ 9.— С. 26—33. 4. Fitzgerald E.A., Currie M.T., Samavedam S.B. et al. Dislocations in relaxed SiGe/Si heterostructures // Phys. Status Solidi (a).— 1999.— No. 171.— P. 227—238.— http://dx.doi.org/10.1002/(SICI)1521- 396X(199901)171:1<227::AID-PSSA227>3.0.CO;2-Y 5. Zulkefle A.A., Zainon M., Zakaria Z. et al. Numerical modeling of silicon/germanium (Si/Ge) superlattice solar cells // Proc. of the 7-th WSEAS Int. conf. on Renewable energy sources.— Kuala Lumpur, Malaysia.— 2013.— P. 233—237. 6. Varonides A.C. High efficiency solar cells via tuned superlattice structures: Beyond 42,2% // In book: Solar cells — new aspects and solutions / Ed. by L. Kosyachenko.— InTech, 2011.— Chapter 15.— http:// dx.doi.org/10.5772/23510 Рèñ. 6. Рàñïðåдåëåíèå ñêîðîñòè фîòîãåíåðàцèè â òàí- демном монолитном солнечном элементе Si/Ge с бу- ферным слоем Si1–xGex с ко ро ст ь ф от ог ен ер ац ии , см – 3 • ñ– 1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 расстояние, мкм 21 20 19 Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 5–6 33 ÝíåðãåòèЧåñêàя Ýëåêòðîíèêà ISSN 2225-5818 7. Sun G., Chang F., Soref R.A. High efficiency thin-film crystalline Si/Ge tandem solar cell // Optics express.— 2010.— Vol. 18, iss. 4.— P. 3746—3753.— http://dx.doi. org/10.1364/OE.18.003746 8. Гëóшêî А.А., Рîдèîíîâ И. А., Мàêàðчóê В. В. Моделирование технологии изготовления субмикронных ÊМОП СБИС ñ ïîмîщью ñèñòåм TCAD // Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå.— 2007.— ¹ 4.— С. 32—34. 9. Simulation standard: Simulating solar cell devices using Silvaco TCAD.— 2008.— Vol. 18.— N 2. 10. ATLAS User’s Manual.— Santa Clara, CA: Silvaco, 2004. 11. Гíèëåíêî А.Б., Äзåíзåðñêèé В.А., Пëàêñèí С.В. è дð. Вëèÿíèå òîëщèíы êðåмíèåâыõ ïëàñòèí íà õàðàêòåðè- стики многопереходных солнечных элементов с вертикаль- ными p—n-переходами // технология и конструирование â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå. — 2012. — ¹ 1. — С. 27—29. 12. Гíèëåíêî А.Б., Пëàêñèí С.В., Пîãîðåëàÿ Л.М, Äзåíзåðñêèé В.А. Мîдåëèðîâàíèå êðåмíèåâîãî ñîëíåчíîãî элемента с вертикальным p-n переходом // відновлювана åíåðãåòèêà.— 2013.— ¹ 2.— С. 37—44. 13. Пîëьñêèé Б.С. Чèñëåííîå мîдåëèðîâàíèå ïîëóïðî- âîдíèêîâыõ ïðèбîðîâ. — Рèãà: Зèíàòíå, 1986. Дата поступления рукописи в редакцию 07.07 2015 г. о. Б. ГниленКо, Ю. М. лАвріч, С. в. ПлАКСін Óêðàїíà, м. Äíіïðîïåòðîâñьê, Іíñòèòóò òðàíñïîðòíèõ ñèñòåм і òåõíîëîãіé НАН Óêðàїíè, Дніпропетровський національний університет имені Олеся Гончара E-mail: svp@westa-inter.com МОÄЕЛюВАННя ХАРАÊÒЕРИСÒИÊ ÒАНÄЕМНОГО МОНОЛІÒНОГО сОНячНОГО елеМеНтА Si/Ge З бУферНИМ ШАрОМ Si1–хGeх Проведено комп'ютерне моделювання тандемного монолітного сонячного елемента Si/Ge з буферним шаром Si1–хGeх, одержано вольт-амперні характеристики, розраховано фотовольтаїчні параметри і знайдено розподіл основних фізичних величин. Показано, що додатковий германієвий каскад дозволяє суттєво підвищити коефіцієнт корисної дії кремнієвих фотоелектричних перетворювачів. Ключові слова: фотоелектричний перетворювач, тандемний сонячний елемент, буферний шар, Silvaco TCAD, дифузійно-дрейфова модель, вольт-амперна характеристика, ККД. A. B. GNiLeNko2, Ju. N. LAvRiCh1, S. v. PLAkSiN1 Ukraine, Dnipropetrovsk, 1Institute of Transport Systems and Technologies of NAS of Ukraine, 2Oles Honchar Dnipropetrovsk National University E-mail: svp@westa-inter.com SIMULATING CHARACTERISTICS OF Si/Ge TANDEM MONOLITHIC SOLAR CELL WITH Si1-хGeх BUFFER LAYER in spite of many efforts to propose new semiconductor materials and sophisticated constructions of solar cells, crystalline silicone remains the main photovoltaic material widely used up to now. There are various methods to enhance the efficiency of silicone solar cells. one of them is to combine silicone with an additional semiconductor material with the different bandgap to form a tandem construction. For example, the germanium sub-cell used as the bottom cascade for the silicone sub-cell in the tandem monolithic solar cell makes it possible to utilize the “red” sub-band of solar spectra increasing overall solar cell efficiency. The problem of the 4.2% mismatch in lattice constant between Si and Ge can be resolved in such a case by the use of SiGe buffer layer. in the paper the results of the computer simulation for Si/Ge tandem monolithic solar cell with Si1-xGex buffer layer are presented. in the solar cell under consideration, the step graded Si1-xGex buffer layer is located between the top silicone and the bottom germanium cascades to reduce the threading dislocation density in mismatched materials. The cascades are commutated by the use of the germanium tunnel diode between the bottom sub-cell and the buffer layer. For the solar cell modeling, the physically-based device simulator ATLAS of Silvaco TCAD software is employed to predict the electrical behavior of the semiconductor structure and to provide a deep insight into the internal physical processes. The voltage-current characteristic, photovoltaic parameters and the distribution of basic physical values are obtained for the investigated tandem solar cell. The influence of layer thicknesses on the photovoltaic parameters is studied. The calculated efficiency of the tandem solar cell reaches 13% which is a quarter more than the efficiency of a simple silicone solar cell with the same constructive parameters and under the same illumination conditions. keywords: photovoltaic cell, tandem solar cell, buffer layer, Silvaco TCAD, drift-diffusion model, voltage- current characteristics, efficiency. DOI: 10.15222/TKEA2015.5-6.28 UDC 621.383.51 Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 5–6 34 ÝíåðãåòèЧåñêàя Ýëåêòðîíèêà ISSN 2225-5818 REFERENCES 1. Luque A., Hegedus S. handbook of photovoltaic sci- ence and engineering. John Wiley & Sons Ltd, 2003, 1138 p. 2. Ringel S.A., Carlin J.A., Andre C.L., Hudait M.K., Gonzalez M., Wilt D.M., Clark E.B., Jenkins P., Scheiman D., Allerman A., Fitzgerald E.A., Leitz C.W. Single-junction InGaP/GaAs solar cells grown on Si substrates with SiGe buffer layers. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2002, vol. 10, iss. 6, pp. 417-426. http:// dx.doi.org/10.1002/pip.448 3. Putyato M.A., Semyagin B.R., Emel’yanov E.A., Pakhanov N.A., Preobrazhenskii V.V. [GaAs/Si(001) mo- lecular beam epitaxy for high-performance tandem AIIIBV/ Si sun energy converters on active Si substrate]. izvestiya vuzov: Fizika, 2010, no. 9, pp. 26-33. (Rus) 4. Fitzgerald E.A., Currie M.T., Samavedam S.B., Langdo T.A., Taraschi G., Yang V., Leitz C.W., Bulsara M.T. Dislocations in relaxed SiGe/Si heterostructures. Phys. Status Solidi (a), 1999, no. 171, pp. 227-238. http://dx.doi. org/10.1002/(SICI)1521-396X(199901)171:1<227::AID- PSSA227>3.0.CO;2-Y 5. Zulkefle A.A., Zainon M., Zakaria Z., Sopian K., Amin N. Numerical modeling of silicon/germanium (Si/Ge) super- lattice solar cells. Proc. of the 7-th WSeAS int. Conf. on Renewable energy sources, Kuala Lumpur, Malaysia, 2013, pp. 233-237. 6. Varonides A.C. High Efficiency Solar Cells via Tuned Superlattice Structures: Beyond 42,2%. In book: Solar cells — new aspects and solutions, chapter 15, ed. by L. Kosyachenko, InTech, 2011. http://dx.doi.org/10.5772/23510 7. Sun G., Chang F., Soref R.A. High efficiency thin-film crystalline Si/Ge tandem solar cell. optics express, 2010, vol. 18, iss. 4, pp. 3746-3753. http://dx.doi.org/10.1364/ OE.18.003746 8. Glushko A.A., Rodionov I.A., Makarchuk V.V. [Simulating submicron KMOP SBIS technology using TCAD]. Tekhnologiya i konstruirovanie v elektronnoi Apparature, 2007, no. 4, pp. 32-34. (Rus) 9. Simulation Standard: Simulating Solar Cell Devices Using Silvaco TCAD. 2008, vol. 18, no.2, pp. 1-3. 10. ATLAS User’s Manual. Santa Clara, CA, Silvaco, 2004. 11. Gnilenko A.B., Dzenzersky V.A., Plaksin S.V., Pogorelaya L.M. [The investigation of silicon wafer thickness influence on characteristics of multijunction solar cells with vertical p—n junctions]. Tekhnologiya i konstruirovanie v elektronnoi Apparature, 2012, no. 1. pp. 27-29. 12. Gnilenko A.B., Dzenzersky V.A., Plaksin S.V., Pogorelaya L.M. [Simulating Si Solar Cell with vertical p—n junction]. vidnovlyuvana energetyka, 2013, no. 2, pp. 37-44. (Rus) 13. Pol’skii B.C. Chislennoe modelirovanie poluprovod- nikovykh priborov [Numerical simulating semiconductor devicis]. Riga, Zinatne, 1986, 168 p. (Rus) ÍÎÂÛÅ ÊÍÈÃÈ Í Î Â Û Å Ê Í È Ã È Матвійків М. Д., Вус Б. ñ., Матвійків î. М. åлементи та компоненти елек- тронних пристроїв.— ëьвів: Видавництво ëьвівської політехніки, 2015. викладено основні відомості про сучасні та перспективні елементи і компонен- ти електронних пристроїв, зокрема наведено визначення різних видів елементів та компонентів, розглянуто їх призначення, класифікацію, умовні зображення і ïîзíàчåííÿ, бóдîâó, ðîбîòó, âëàñòèâîñòі, зàñòîñóâàííÿ. Для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямом “радіоелектронні апарати”, та фахівців, які проектують, виготовляють або об- слуговують різноманітні електронні апарати, зокрема аудіо- та відеотехніку, åëåêòðîííі îбчèñëюâàëьíі мàшèíè, міêðîïðîцåñîðè òà ïåðñîíàëьíі êîмï’юòåðè, мåдèчíі àïàðàòè, зàñîбè зâ’ÿзêó, êîíòðîëьíî-âèміðюâàëьíі ïðèëàдè, ðîбîòîòåõíіêó, àâòîмàòèзîâàíі ñèñòåмè ïðîåêòóâàííÿ òà óïðàâëіííÿ òîщî. Í Î Â Û Å Ê Í È Ã È Баришніков ã. В., Волинюк Д. Ю., ãельжинський І. І., ãотра З. Ю., Мінаєв Б. П., ñтахіра П. Й., Черпак В. В. îрганічна електроніка.— ëьвів: Видавництво ëьвівської політехніки, 2015. Нàâåдåíî îñíîâíі ïîñòóëàòè êâàíòîâîї мåõàíіêè дëÿ îðãàíічíîї åëåêòðîíіêè. Оïè- сано базові структури та особливості функціонування нанорозмірних елементів, пристроїв електронної техніки: сонячних фотоелементів, світловипромінювальних ñòðóêòóð, òðàíзèñòîðíèõ ñòðóêòóð, ñåíñîðіâ òîщî. Рîзãëÿíóòî фізèêî-õімічíі îñíî- âè òåõíîëîãії ñòâîðåííÿ åëåêòðîííèõ ñòðóêòóð îðãàíічíîї åëåêòðîíіêè. Äëÿ ñòóдåíòіâ òà àñïіðàíòіâ, ÿêі íàâчàюòьñÿ зà íàïðÿмîм åëåêòðîíіêè.

Моделирование характеристик тандемного монолитного солнечного элемента Si/Ge с буферным слоем Si1–хGeх

Репозитарії

Схожі ресурси