Otimização de células solares GaAs Nanowire Pin Junction Array usando Heterojunções AlGaAs / GaAs

Resumo

Otimizamos o desempenho de células solares de matriz de junção de pinos de nanofio de GaAs introduzindo heterejunções AlGaAs / GaAs. AlGaAs é usado para o segmento superior do tipo p para as junções axiais e o revestimento externo do tipo p para as junções radiais. Os AlGaAs não servem apenas como camadas de passivação para nanofios de GaAs, mas também confinam a geração óptica nas regiões ativas, reduzindo a perda de recombinação em regiões pesadamente dopadas e a recombinação de portadores minoritários no contato superior. Os resultados mostram que a eficiência de conversão de nanofios de GaAs pode ser bastante melhorada usando AlGaAs para o segmento p em vez de GaAs. Um aumento de eficiência máxima de 8,42% foi alcançado neste estudo. E para nanofios axiais, usando AlGaAs para o segmento p superior, um segmento superior relativamente longo pode ser empregado sem degenerar o desempenho do dispositivo, o que poderia facilitar a fabricação e o contato de células solares de matriz de nanofios. Enquanto para os nanofios radiais, os nanofios AlGaAs / GaAs mostram melhor tolerância à espessura da camada p e condição da superfície.

Histórico

Nanofios de GaAs (NWs) têm sido considerados como blocos de construção potenciais para células solares de alta eficiência [1,2,3]. Com um bandgap de 1,43 eV, o GaAs é mais favorável do que o Si para maximizar a eficiência das células solares [4]. Uma eficiência de 15,3% foi alcançada por um arranjo GaAs NW com junções axiais pn [5]. No entanto, devido ao fato de que as células solares GaAs NW sempre sofrem de recombinação superficial grave, a passivação da superfície é necessária para atingir um desempenho satisfatório [6, 7]. Um método comum para a passivação do GaAs NW é formar uma camada AlGaAs ao redor do NW, que cria grandes barreiras para os elétrons e buracos em toda a estrutura, evitando que os portadores minoritários sejam recombinados na superfície [5, 8, 9].

Exceto para passivação de superfície, aumentar a absorção de luz nas regiões ativas também é um método eficaz para melhorar a eficiência de conversão, o que facilita a separação elétron-buraco. Para células solares NW com junções pn, a eficiência otimizada pode ser alcançada colocando a junção perto da posição onde a maioria dos portadores são gerados [10,11,12], enquanto para células solares de junção de pinos, maior eficiência pode ser alcançada se mais portadores pode ser gerado nas regiões intrínsecas [13,14,15,16,17]. Além disso, suprimindo a geração óptica em regiões próximas aos contatos, o número de portadoras minoritárias fotogeradas que se difundem nos contatos pode ser diminuído [14, 17]. Existem muitos métodos para aumentar a absorção de luz em regiões ativas, como ajustar as posições de junção ou comprimentos [13, 14], empregando NWs inclinados [15], decorando a região ativa com partículas de metal [16] ou fabricando as regiões fortemente dopadas com materiais com alto bandgap [17]. Para células solares GaAs NW, o uso de conchas AlGaAs como camadas de passivação tem sido amplamente relatado. No entanto, a capacidade das heteroestruturas AlGaAs / GaAs de confinar portadores fotogenerados nas regiões ativas tem recebido menos atenção.

Neste artigo, otimizamos o desempenho de células solares de matriz de junção de pinos GaAs NW empregando heterojunções AlGaAs / GaAs. Ambas as junções axiais e radiais foram investigadas. Nas estruturas de heterojunção do pino AlGaAs / GaAs, AlGaAs é usado para o segmento superior do tipo p para as junções axiais e a camada externa do tipo p para as junções radiais. Devido ao coeficiente de absorção relativamente baixo de AlGaAs, menos fototransportadores são gerados nas regiões p. Consequentemente, mais fototransportadores estão concentrados nas regiões i. Portanto, a perda de recombinação causada pela alta concentração de dopagem pode ser suprimida. Além disso, as camadas de alto bandgap AlGaAs podem efetivamente desviar portadores minoritários para longe das superfícies NW ou contatos para diminuir a recombinação de portadores minoritários.

As células solares de matriz NW de heterojunção de pino AlGaAs / GaAs foram investigadas por uma simulação optoeletrônica tridimensional (3-D) acoplada e seu desempenho foi comparado com matrizes de GaAs NW com as mesmas estruturas geométricas. Os resultados mostram que, usando AlGaAs para o segmento p em vez de GaAs, a eficiência das células solares de junção axial pode ser melhorada mesmo com segmentos p superiores longos, enquanto para células solares de junção radial, a eficiência pode ser mantida em um valor relativamente alto com velocidades de recombinação de superfície muito altas (SRVs).

Métodos

O esquema da célula solar da matriz de junção de pinos de nanofio GaAs e suas contrapartes de heterojunção AlGaAs / GaAs são ilustrados na Fig. 1; cada célula solar contém um arranjo NW periódico, do qual apenas um único NW é mostrado. Para fabricar heterojunções AlGaAs / GaAs, Al _0.8 Ga _0,2 Como é usado para o segmento de tipo p superior para junções de pinos axiais e a casca externa do tipo p para junções de pinos radiais; as demais regiões dos NWs são feitas de GaAs. A concentração de dopagem das regiões p e n é 10 ¹⁸ cm ^{- 3} . O diâmetro e o comprimento NW são 180 nm e 1,2 μm, e o período da matriz é 360 nm; esses parâmetros de geometria são escolhidos de acordo com [18], onde a absorção de luz dos arranjos de GaAs NW foi otimizada ajustando a relação D / P e o diâmetro NW.

a Os desenhos esquemáticos da célula solar de junção de pino axial de nanofio GaAs e sua contraparte de heterojunção AlGaAs / GaAs. b Os desenhos esquemáticos da célula solar de junção de pino radial de nanofio GaAs e sua contraparte de heterojunção AlGaAs / GaAs

Para o cálculo óptico, usamos o pacote de software FDTD Solutions (Lumerical, Inc.) para calcular o perfil de absorção nos NWs. Ao colocar as condições de contorno periódicas, as simulações podem ser realizadas usando um único NW para modelar a estrutura da matriz periódica. O índice de refração complexo de GaAs e Al _0,8 Ga _0,2 Como usado na simulação são retirados de [19]. O número de fótons absorvidos em cada ponto da grade é calculado a partir do vetor de Poynting S, assumindo que cada fóton absorvido gere um par elétron-buraco:
$$ {G} _ {ph} =\ frac {\ left | \ overrightarrow {\ nabla} \ cdot \ overrightarrow {S} \ right |} {2 \ mathrm {\ hslash} \ omega} =\ frac {\ varepsilon ^ {{\ prime \ prime}} {\ left | \ overrightarrow {E} \ right |} ^ 2} {2 \ mathrm {\ hslash}} $$ (1)
onde ℏ é a constante de Planck reduzida, ω é a frequência angular da luz incidente, E é a intensidade do campo elétrico em cada ponto da grade, e ε ″ É a parte imaginária da permissividade. Para obter o perfil da taxa de geração óptica usado para simulação elétrica, G _ph é ponderado pelo espectro solar AM 1.5G e integrado ao espectro de simulação.

Para a modelagem elétrica, os perfis de geração ótica são incorporados à malha de elementos finitos dos NWs usando Synopsys Sentaurus, que resolve as equações de continuidade da portadora acopladas à equação de Poisson de forma autoconsistente. A mobilidade dependente de dopagem, recombinação radiativa, Auger e Shockley-Reed-Hall (SRH) são levadas em consideração na simulação elétrica do dispositivo. A heterojunção entre AlGaAs e GaAs é modelada usando o modelo de emissão termiônica [20]. O elétron e as correntes de buraco ( J _n e J _p ) através da heteroestrutura pode ser descrito como:
$$ {J} _n ={a} _nq \ left [{v} _ {n, 2} {n} _2- \ frac {m_ {n, 2}} {m_ {n, 1}} {v} _ {n, 1} {n} _1 \ exp \ left (- \ frac {\ varDelta {E} _c} {k_BT} \ right) \ right] $$ (2) $$ {J} _p =- {a} _pq \ left [{v} _ {p, 2} {p} _2- \ frac {m_ {p, 2}} {m_ {p, 1}} {v} _ {p, 1} {p} _1 \ exp \ left (- \ frac {\ varDelta {E} _v} {k_BT} \ right) \ right] $$ (3)
onde a _n ( a _p ) são os coeficientes de corrente termiônica, q é a carga elementar, v _n ( v _p ) é a velocidade de emissão dos elétrons (buracos), que pode ser expressa da seguinte forma:
$$ {v} _n =\ sqrt {k_BT / 2 \ pi {m} _n} $$ (4) $$ {v} _p =\ sqrt {k_BT / 2 \ pi {m} _p} $$ (5)
e n ( p ) é a densidade do elétron (buraco) e m _n (m _p ) é a massa efetiva dos elétrons (buracos). k _B é a constante de Boltzmann, e T é a temperatura definida como temperatura ambiente na simulação. Os subscritos 1 e 2 representam os materiais com as bordas da banda de condução inferior e superior, respectivamente. Δ E _c e Δ E _v são os deslocamentos da banda condutiva e de valência na interface GaAs / AlGaAs. Assumimos que a interface entre AlGaAs e GaAs é perfeita, sem quaisquer centros de recombinação adicionais. Isso geralmente é válido para a epitaxia combinada de rede de AlGaAs em GaAs [21]. A recombinação de superfície é considerada apenas para as interfaces entre o ar e os NWs. Os parâmetros usados na simulação do dispositivo estão listados na Tabela 1. Os coeficientes Auger, coeficientes de recombinação radiativa e tempos de vida de recombinação SRH de AlGaAs e GaAs são definidos para serem os mesmos [11, 12].

Resultados e discussão

As propriedades de absorção da heterojunção AlGaAs / GaAs NWs e GaAs NWs são mostradas na Fig. 2. Para a junção axial NWs, os comprimentos das regiões p superiores e das regiões n inferiores são 150 e 200 nm, respectivamente. Para NWs de junção radial, a espessura das cascas do tipo p é de 20 nm e o raio das n regiões internas é de 20 nm. Os espectros de absorção dos NWs de AlGaAs / GaAs e GaAs são quase os mesmos, exceto que a absorção de NWs de heterojunção radial de AlGaAs / GaAs cai em comprimentos de onda próximos ao bandgap de GaAs. Em comprimentos de onda em torno de 900 nm, a luz propagada em NWs é concentrada perto da superfície lateral, enquanto para a heterojunção radial de AlGaAs / GaAs NW, a luz propagada na concha de AlGaAs não pode ser absorvida de forma eficaz. A Figura 2b – d mostra as seções transversais dos perfis de geração. Devido à menor capacidade de absorção de AlGaAs, apenas uma pequena fração de portadores é gerada na região de AlGaAs; portanto, espera-se que a perda de recombinação na região altamente dopada de AlGaAs não seja muito séria. Para AlGaAs / GaAs NWs com junções axiais, a maior parte da geração óptica concentra-se na interface AlGaAs / GaAs. Enquanto para AlGaAs / GaAs NWs com junções radiais, a maioria dos fototransportadores está confinada no núcleo de GaAs e bloqueada para longe da superfície NW; assim, espera-se que a perda de recombinação de superfície seja suprimida. De acordo com nosso trabalho anterior [15], para células solares NW com junções de pinos, os portadores fotogerados na região i são responsáveis pela maior parte da eficiência; portanto, extraímos a absorção óptica na região i e calculamos os espectros de absorção correspondentes. Para NWs axiais e radiais, a absorção da região i mais alta pode ser alcançada em NWs de heterojunção de AlGaAs / GaAs graças à absorção ineficaz em regiões de AlGaAs do tipo p.

a Os espectros de absorção do nanofio GaAs e seus homólogos AlGaAs / GaAs com heteroestruturas axial e radial. A seção transversal vertical de perfis de geração óptica no b Nanofio de heteroestrutura axial de AlGaAs / GaAs, c Nanofio de heteroestrutura radial de AlGaAs / GaAs e d Nanofio GaAs. e Os espectros de absorção das regiões intrínsecas em células solares de junção de pino axial de nanofio de GaAs e suas contrapartes AlGaAs / GaAs. f Os espectros de absorção das regiões intrínsecas em células solares de junção de pino radial de nanofio GaAs e suas contrapartes AlGaAs / GaAs

Os perfis de geração óptica são incorporados à ferramenta elétrica para investigar o aumento potencial na eficiência de conversão do dispositivo induzida por heterojunções AlGaAs / GaAs. As características de corrente-tensão dos dispositivos considerados são calculadas e plotadas na Fig. 3. Dois SRVs típicos, 10 ³ e 10 ⁷ cm / s, são considerados durante o cálculo, correspondendo a superfícies NW com e sem passivação adequada [6, 8, 9]. Para NWs de junção de pino axial com recombinação de superfície baixa, usando AlGaAs para o segmento p top em vez de GaAs, a eficiência de conversão aumenta de 11,6 para 14,5%. O aumento da eficiência é atribuído principalmente à corrente fotográfica, que aumenta de 18,9 para 23,3 mA / cm ² em polarização zero. Fenômeno semelhante é observado em NWs radiais; a eficiência aumenta de 10,8 para 11,3% usando heterojunções AlGaAs / GaAs, com aumento de corrente de curto-circuito de 22,6 para 23,8 mA / cm ² . Com alto SRV, o desempenho de NWs axiais é dramaticamente danificado para ambos AlGaAs / GaAs NWs e GaAs NWs devido à superfície exposta das regiões i. No entanto, o aumento da corrente de curto-circuito ainda existe em AlGaAs / GaAs NWs, mesmo com um SRV alto de 10 ⁷ cm / s, que vem da recombinação suprimida na região p superior e no contato superior. Para AlGaAs / GaAs radiais NWs, a eficiência é apenas ligeiramente afetada pela recombinação da superfície graças ao invólucro AlGaAs, que confina os fototransportadores na região i e cria uma barreira protegendo-os de alcançar a superfície NW. Enquanto para GaAs radial NW, a eficiência diminui de 10,8 para 8,05% com SRV aumenta de 10 ³ a 10 ⁷ cm / s, e a corrente de curto-circuito diminui de 22,6 para 17,1 mA / cm ² .

As características de corrente-tensão do nanofio GaAs e AlGaAs / GaAs a axial e b células solares de junção de pino radial com velocidades de recombinação de superfície de 10 ³ e 10 ⁷ cm / s

Tem sido relatado que o volume da região fortemente dopada tem grande influência na eficiência de conversão, especialmente para as regiões onde pode ocorrer forte geração óptica. Neste trabalho, o desempenho de NWs com vários volumes da região p é investigado. Na Fig. 4a, os perfis de geração óptica de NWs de junção AlGaAs / GaAs axiais com diferentes comprimentos de região p são plotados. Como o comprimento da região p varia de 50 a 200 nm, o ponto quente de geração óptica se move em direção à parte inferior do NW, e a maioria das portadoras ópticas geradas estão confinadas abaixo da região AlGaAs. As eficiências de conversão correspondentes também são calculadas. Os resultados mostram que, com baixo SRV, o aumento do comprimento da região p não tem influência óbvia na eficiência de conversão de AlGaAs / GaAs NWs, embora a absorção geral tenda a diminuir com o aumento do volume de AlGaAs. Além disso, a região AlGaAs mais longa mantém a maioria dos fototransportadores mais longe do contato superior e menos portadores minoritários podem ser recombinados no contato. No entanto, para GaAs NWs, a eficiência de conversão diminui linearmente com o aumento do comprimento da região p, devido ao aumento do número de fototransportadores gerados na região p superior. No caso do SRV alto, a eficiência de conversão de AlGaAs / GaAs NWs aumenta até com o comprimento da região p, porque a geração óptica em AlGaAs está concentrada no centro de NW e longe das superfícies, levando a uma menor recombinação da superfície em comparação com as regiões GaAs. A partir da discussão acima, podemos concluir que, usando AlGaAs para a região p superior em vez de GaAs, uma região superior relativamente longa pode ser empregada sem degenerar o desempenho do dispositivo. E para NWs com junção axial, uma longa região superior poderia facilitar a fabricação e o contato de células solares de matriz NW.

a A seção transversal vertical de perfis de geração óptica em células solares de heterojunção de pino axial de nanofio AlGaAs / GaAs com diferentes p -comprimentos de região. b A eficiência de conversão de células solares axiais de nanofios GaAs e AlGaAs / GaAs como funções do comprimento da região p

O desempenho de NWs radiais com diferentes espessuras de casca-p também foi calculado. A Figura 5a mostra os perfis de geração ótica dos NWs radiais AlGaAs / GaAs. Semelhante àquele em NWs axiais, a maioria dos fototransportadores são gerados em GaAs. A eficiência de conversão de AlGaAs / GaAs e GaAs NWs diminui com o aumento da espessura da camada p. No caso de SRV baixo de 10 ³ cm / s, o efeito da recombinação da superfície é quase desprezível; assim, a degeneração da eficiência vem principalmente do aumento do número de fototransportadores gerados na camada p. No entanto, AlGaAs / GaAs NWs mostram melhor tolerância à espessura de p-shell, uma vez que a maior parte da geração óptica pode ser confinada em regiões GaAs internas. Com o SRV aumenta de 10 ³ a 10 ⁷ cm / s, a eficiência de conversão de AlGaAs / GaAs NWs é apenas ligeiramente diminuída, uma vez que os fototransportadores são protegidos por conchas de AlGaAs da superfície. E para NWs com cascas de AlGaAs mais espessas, como menos portadores podem alcançar e recombinar na superfície, o desempenho do dispositivo é menos degenerado. Pelo contrário, o desempenho de GaAs NWs é seriamente prejudicado pela alta recombinação de superfície, especialmente nos casos de p-conchas espessas. Porque para GaAs radiais NWs, os fototransportadores gerados no p-shell podem ser facilmente recombinados nas superfícies. Com uma espessura de casca de p de 30 nm, a eficiência de conversão de GaAs NWs é de apenas 1,98%, enquanto os AlGaAs / GaAs NWs correspondentes mostram uma eficiência de 10,4%, 8,42% maior do que a de GaAs NWs.

a A seção transversal vertical de perfis de geração óptica em células solares de heterojunção de pino radial de nanofios AlGaAs / GaAs com diferentes p - espessuras de casca. b A eficiência de conversão de células solares radiais de nanofios GaAs e AlGaAs / GaAs como funções da espessura da camada p

Conclusões

Neste trabalho, usamos uma simulação optoeletrônica 3-D acoplada para investigar o desempenho de células solares de matriz de heterojunção de pinos AlGaAs / GaAs e GaAs NW. Comparado com GaAs NWs, AlGaAs / GaAs NWs podem confinar a maior parte da geração óptica nas regiões ativas, reduzindo a perda de recombinação existente nas regiões pesadamente dopadas e formando barreiras para portadores minoritários, protegendo-os da recombinação de superfície ou contato. Para AlGaAs / GaAs axiais NWs, usando AlGaAs para a região p superior em vez de GaAs, podemos permitir uma região superior relativamente longa sem degenerar o desempenho do dispositivo, o que poderia facilitar a fabricação e o contato de células solares NW. E para NWs radiais, a eficiência de AlGaAs / GaAs NWs pode ser mantida em um valor relativamente alto com recombinação de superfície muito alta. A partir deste estudo, podemos concluir que o emprego de heterojunções AlGaAs / GaAs é um método eficaz e prático para melhorar o desempenho de células solares GaAs NW.

Abreviações

3D:: Tridimensional
NW:: Nanowire
SRH:: Shockley-Reed-Hall
SRV:: Velocidade de recombinação de superfície

Transistores de efeito de campo ferroelétricos baseados em padrões de faixa de micron-largas dominadas por nanotubo de carbono de parede única com camada de controle de defeito de HfO2 Análise da distribuição de Bi em GaAsBi epitaxial por HAADF-STEM com correção de aberração

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias