CC BY
19
УДК 535.015
МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРНОГО СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА
A-SI:H(N)/A-SI:H(I)/C-SI(P)_
Ливинская С.А.
студентка 2 курса магистратуры СКФУ г. Ставрополь, РФ
UDC 535.015
SIMULATION HETEROJUNCTION SOLAR CELL A-SI: H(N)/A-SI: H(I)/C-SI(P)
Livinskaya S.A.
student of the North Caucasian Federal University
Stavropol, Russia DOI: 10.31618/ESU.2413-9335.2020.2.75.833
АННОТАЦИЯ
В данной работе был смоделирован кремниевый солнечный элемент HIT (heterojunction with intrinsic thin-layer) a-Si:H(n)/a-Si:H(i)/c-Si(p) с использованием программного обеспечения AFORS-HET. Обсуждается влияние толщины слоев и температуры исследуемого солнечного элемента на его фотоэлектрические характеристики. При оптимизации вышеуказанных характеристик его эффективность достигает значения равного 19,1%. Полученные результаты являются заделом для дальнейших научных и технологических исследований по разработке высокоэффективных кремниевых солнечных элементов.
ANNOTATION
In this work, a silicon solar cell HIT (heterojunction with intrinsic thin-layer) a-Si:H(n)/a-Si:H(i)/c-Si(p) was simulated using AFORS-HET software. The influence of layer thickness and temperature of the solar cell under study on its photovoltaic characteristics is discussed. When optimizing the above characteristics, its effectiveness reaches a value of 19.1%. The results obtained are the foundation for further scientific and technological research on the development of highly efficient silicon solar cells.
Ключевые слова: Солнечные элементы, кристаллический кремний, аморфный кремний, гетеростуктура, моделирование, AFORS-HET.
Key words: Solar cells, crystalline silicon, amorphous silicon, heterostructure, modeling, photoelectric characteristics, AFORS-HET.
Актуальность работы Солнечная энергия является наиболее экологически чистым и экономически эффективным источником энергии среди всех возобновляемых источников и может подходить для замены традиционных видов ископаемого топлива.
Наибольшей эффективностью преобразования солнечного излучения обладают
монокристаллические кремниевые солнечные элементы (c-Si). Основной их недостаток заключается в значительном расходе высокочистого монокристаллического кремния, большая часть которого выполняет роль пассивной подложки. Для уменьшения себестоимости и увеличения эффективности кремниевых солнечных элементов используются микрокристаллические и аморфные кремниевые слои толщиной до 3 мкм [1, с.2].
Таким образом, моделирование солнечного элемента HIT a-Si:H(n)/a-Si:H(i)/c-Si(p) на основе гетероперехода a-Si(n)/c-Si(p) является актуальным направлением в солнечной энергетике.
Цель работы Цель настоящей работы заключается в моделировании структуры и фотоэлектрических
характеристик СЭ ЖГ-структуры a-Si:H(n)/a-Si:H(i)/c-Si(p) (Далее по тексту - СЭ) на основе гетероперехода a-Si(n)/c-Si(p) для изучения влияния параметров СЭ на его производительность и определения оптимальных параметров.
Метод моделирования В данной работе моделирование СЭ было выполнено с использованием ПО AFORS-HET. AFORS-HET - это одномерная имитационная программа, которая может обрабатывать произвольный набор различных
полупроводниковых слоев. Программное обеспечение решает уравнение Пуассона и уравнения непрерывности, основанные на статистике Максвелла-Больцмана [4, с 2-4].
В процессе моделирования солнечное излучение ЛМ1,5 было принято в качестве источника освещения с плотностью мощности 100 мВт/см2. Передний и задний контакты считаются плоскими, чтобы пренебречь влиянием контактного потенциала. Скорость поверхностной рекомбинации как электронов, так и дырок установлена равной 107см/с.
Результаты моделирования Исходные параметры для моделирования СЭ приведены в таблице 1.
Таблица 1
Исходные параметры для моделирования СЭ__
Параметр a-Si:H(n) [2] a-Si:H(i) [2] c-Si(p) [2]
Dielectric constant, [eV] (диэлектрическая постоянная), Ес [эВ] 11.9 11.9 11.9
Electron affinity chi, [eV] (сродство электронов), [эВ] 3.9 3.9 4.05
Eg (bandgap), [eV] (ширина запрещенной зоны), [эВ] 1.72 1.72 1.124
Eg (opt. bandgap), [eV] (оптическая ширина запрещенной зоны), [эВ] 1.72 1.72 1.124
Nc (effective conduction band density), [cm-3] плотность состояний зоны проводимости, [см-3] 1х1020 1x1020 2.8x1019
Nv (effective valence band density), [cm-3] плотность состояний валентной зоны, [ см-3] 1x1020 1x1020 2.7x1019
¡m (effective electron mobility), [cm2/Vs] (подвижность электронов), [см2/Вс] 20 20 1041
¡p(effective hole mobility), [cm2/Vs] (подвижность дырок), ^м2/Вс] 5 5 412.9
Na (doping concentration acceptors), [cm-3] (акцепторная примесная концентрация), [см-3] 0 0 1.5x1016
Nd (doping concentration donators), [cm-3] (донорная примесная концентрация), [см-3] 7.3x1019 1x103 0
ve (electron thermal velocity), [cm/s] (тепловая скорость электронов), ^м/с] 1x107 1x106 1x107
vh (hole thermal velocity), [cm/s] (тепловая скорость дырок), ^м/с] 1x107 1x106 1x107
rho (layer dencity), [g cm-3] (плотность слоя),[г см3] 2.328 2.328 2.328
rae (auger electron recombination coefficient) [cm6/s] (коэф. рекомбинации Оже-электронов), [см6/^ 0 0 2.2x10-31
Рассчитаем эффективность СЭ для двух образцов различных по толщине слоев. Толщины слоев представлены в таблице 2.
Таблица 2
_Толщина слоев СЭ_
■——Образец Слой -——____ 1 2
a-SiH(n) 100 нм 5 нм
a-Si.H(i) 10 нм 5 нм
c-Si(p) 300 мкм 300 мкм
Полученные ВАХ приведены на рисунке 1. Результаты данного этапа моделирования СЭ представлены в таблице 3.
а)
б)
Рисунок 1 - ВАХ СЭ при АМ1.5 и различных толщинах слоев: а) образец 1; б) образец 2 (см. таблицу 2)
Таблица 3
Результаты моделирования СЭ
^^^^ Параметр Образец"^^^ Напряжение Усе, мВ Плотность тока JSе, мА/см2 Коэффициент заполнения ЕЕ, % КПД п, %
1 621,1 27,57 75,66 12,96
2 630,5 37,99 77,48 18,56
Как видно из рисунка 1 и таблицы 3, КПД второго образца имеет более высокое значение эффективности преобразования солнечной энергии чем аналогичная структура с меньшими толщинами слоев. Далее в работе будем говорить о СЭ,
толщина слоев которого соответствует второму образцу из таблицы 2.
В целях достижения большей эффективности СЭ оптимизируем толщину слоев. Влияние толщины внутреннего слоя /-типа проводимости на характеристики СЭ представлены на рисунке 2.
а)
б)
78
77,6
Е 77,2
76.8
76
19.5 19.1
18.7 " 13,3 17,9 17.5
4 6 8 10 12 14 16 Толщина а-51:Н(1). ни
4 6 8 10 12 14 16 Толщина ны
в) г)
Рисунок 2 - Фотоэлектрические характеристики СЭ в зависимости от толщины слоя а-$/:Н(/): а) напряжение; б) плотность тока; в) коэффициент заполнения; г) КПД
Как видно из рисунка 2 максимальная эффективность преобразования СЭ составила 18,93% при встроенном внутреннем слое /'-типа проводимости
1 нм, что на 0,37% выше по сравнению с первоначальным значением КПД СЭ.
С увеличением толщины слоя /-типа проводимости напряжение разомкнутой цепи остается практически неизменным, а плотность тока короткого замыкания уменьшается, эффективность преобразования снижается. Это объясняется тем, что с увеличением толщины слоя /-типа проводимости напряженность
электрического поля области объемного заряда уменьшается, а поглощение аморфного кремния в коротком спектре увеличивается. Это приводит к тому, что соответствующие светоиндуцированные
носители не могут быть эффективно собраны, соответственно снижается плотность тока короткого замыкания. Отметим, что при достижении толщины внутреннего слоя /-типа проводимости 5 нм, эффективность преобразования СЭ эквивалентна эффективности СЭ без данного слоя.
Влияние толщины слоя эмиттера п-проводимости на характеристики СЭ представлены на рисунке 3.
Как видно из рисунка 3, максимальная эффективность преобразования СЭ составила 19,59%, что на 0,66% выше чем КПД, полученный при уменьшении внутреннего слоя /-типа проводимости до 1 нм и на 1,03% выше чем первоначальное значение КПД моделируемого СЭ.
а)
б)
в) г)
Рисунок 3 - Фотоэлектрические характеристики СЭ в зависимости от толщины слоя эмиттера а-Si:H(n): а) напряжение; б) плотность тока; в) коэффициент заполнения; г) КПД
С увеличением толщины эмиттера a-Si.H(n) напряжение холостого хода мало меняется, а ток короткого замыкания резко уменьшается. Это связано с тем, что с увеличением толщины эмиттера поглощение фотонов в эмиттере увеличивается. Большое количество центров рекомбинации и отсутствие электрического поля в эмиттере приводят к тому, что фотоиндуцированные носители заряда не достигают края области пространственного заряда, соответственно не вносят вклад в световой ток.
Носители заряда в таком случае будут рекомбинированы и исчезнут, что приведет к снижению тока короткого замыкания. Коэффициент заполнения также уменьшается с увеличением толщины п-области, поскольку при увеличении толщины п-слоя последовательно увеличивается сопротивление, что снижает коэффициент заполнения [3, с.4].
Влияние слоя подложки р-проводимости на характеристики СЭ представлено на рисунке 4.
Как видно из рисунка 4 максимальная эффективность преобразования СЭ составила 19,97%, что на 0,38% выше чем КПД, полученный в предыдущем пункте расчета. Увеличение толщины слоя подложки приводит к увеличению эффективности элемента, что объясняется большей
вероятностью рекомбинации носителей заряда в подложке. Однако при выборе оптимальной толщины подложки необходимо учесть, что стоимость подложки, а соответственно и самого СЭ, также растет с увеличением ее толщины.
а)
мкм
б)
в)
г)
Рисунок 4 - Фотоэлектрические характеристики СЭ в зависимости от толщины слоя подложки с-Б/(р): а) напряжение; б) плотность тока; в) коэффициент заполнения; г) КПД
Рассмотрим влияние температуры на фотоэлектрических характеристик СЭ от
эффективность
СЭ.
Зависимость температуры представлены на рисунке 5.
а)
б)
в)
г)
Рисунок 5 - Зависимость фотоэлектрических характеристик СЭ от температуры
Как видно из рисунка 5 при увеличении температуры КПД СЭ уменьшается с уменьшением напряжения холостого хода, что связано с возникновением процесса термолизации носителей заряда. Потери на термолизацию носителей заряда являются основным ограничением КПД СЭ: при поглощении фотонов с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны элемента, избыточная энергия преобразуется в тепловые колебания решетки. Оптимальная температура СЭ приходится на 300 К.
Таким образом, изменяя толщину слоев гетероструктурного солнечного элемента a-Si:H(n)/a-Si:H(i)/c-Si(p), увеличили первоначальное значение КПД для СЭ на 1,41%, что является существенным показателем для солнечных элементов в целом.
Заключение
В данной статье солнечный элемент на основе HIT-структуры a-Si:H(n)/a-Si:H(i)/c-Si(p) был смоделирован с помощью программного обеспечения AFORS-HET. Было обнаружено, что эффективность исследуемого солнечного элемента увеличивается с уменьшением толщин слоя эмиттера a-Si: H(n) и внутреннего слоя a-Si: H(i), с увеличением толщины кристаллической подложки c-Si(p) и уменьшением температуры элемента.
В данной работе проведен расчет фотоэлектрических характеристик СЭ при толщине слоев СЭ: 1 нм, 1 нм и 400 мкм для эмиттера a-Si:H(n), внутреннего слоя a-Si:H(i) и кристаллической подложки c-Si(p) соответственно. В таком случае фотоэлектрические характеристики СЭ принимают следующие значения: Voc = 638,3 мВ, JSc = 40,65 мА/см2, FF = 76,98%, ц = 19,97%.
Проанализировав полученные результаты, учитывая эффективность преобразования и технологические возможности, в качестве оптимальных значений для толщины слоев СЭ были выбраны следующие значения: 3 нм, 3 нм и 300 мкм для эмиттера a-Si:H(n), внутреннего слоя a-Si:H(i) и кристаллической подложки c-Si(p) соответственно. В этом случае фотоэлектрические параметры HIT-структуры a-Si:H(n)/a-Si:H(i)/c-Si(p) имеют следующие значения: Voc = 630,5 мВ, Jsc = 38,92 мА/см2, FF = 79,65%, ц = 19,1%. В данном случае показатель коэффициента заполнения выше, что свидетельствует о более качественной структуре СЭ.
Список используемой литературы
1 .Моделирование высоковольтных
трехпереходных фотопреобразователей на основе аморфного и микрокристаллического кремния/ Чеботарев С.Н. [и др.] // Восточно-европейский журнал передовых технологий ISSN 1729-3774. 2012. №5. С.2.
2. Physical properties of Silicon (Si) [Электронный ресурс] URL: http://www.matprop.ru/Si (дата обращения: 05.06.2020).
3. Wang Lisheng, Chen Fengxiang and Ai Yu. Simulation of High Efficiency Heterojunction Solar Cells with AFORS-HET // Journal of Physics: Conference Series 276 012177. 2016. P. 4-6.
4. Rolf Stangl and Caspar Leendertz // General Principles of Solar Cell Simulation and Introduction to AFORS-HET: Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie, Institut für Silizium-Photovoltaik, D-12489. Berlin, Germany P.2-4.
© С.А. Ливинская, 2020
