Optimización de celdas solares de matriz de unión de pines de nanocables GaAs mediante el uso de heterouniones AlGaAs / GaAs

Resumen

Optimizamos el rendimiento de las células solares de matriz de unión de clavijas de nanocables de GaAs mediante la introducción de hetereuniones de AlGaAs / GaAs. AlGaAs se utiliza para el segmento superior tipo p para uniones axiales y la carcasa exterior tipo p para uniones radiales. Los AlGaAs no solo sirven como capas de pasivación para los nanocables de GaAs, sino que también limitan la generación óptica en las regiones activas, reduciendo la pérdida de recombinación en regiones muy dopadas y la recombinación de portadores minoritarios en el contacto superior. Los resultados muestran que la eficiencia de conversión de los nanocables de GaAs se puede mejorar en gran medida utilizando AlGaAs para el segmento p en lugar de GaAs. En este estudio se ha logrado una mejora máxima de la eficiencia del 8,42%. Y para los nanocables axiales, mediante el uso de AlGaA para el segmento p superior, se puede emplear un segmento superior relativamente largo sin degenerar el rendimiento del dispositivo, lo que podría facilitar la fabricación y el contacto de células solares de matriz de nanocables. Mientras que para los nanocables radiales, los nanocables AlGaAs / GaAs muestran una mejor tolerancia al grosor de la capa p y al estado de la superficie.

Antecedentes

Los nanocables de GaAs (NW) se han considerado como bloques de construcción potenciales para células solares de alta eficiencia [1, 2, 3]. Con una banda prohibida de 1,43 eV, GaAs es más favorable que Si para maximizar la eficiencia de las células solares [4]. Se ha logrado una eficiencia del 15,3% mediante una matriz de GaAs NW con uniones pn axiales [5]. Sin embargo, debido al hecho de que las células solares de GaAs NW siempre sufren una recombinación superficial grave, la pasivación de la superficie es necesaria para lograr un rendimiento satisfactorio [6, 7]. Un método común para la pasivación de GaAs NW es formar una capa de AlGaAs alrededor del NW, que crea grandes barreras tanto para los electrones como para los huecos en toda la estructura, evitando que los portadores minoritarios se recombinen en la superficie [5, 8, 9].

A excepción de la pasivación de la superficie, mejorar la absorción de luz en las regiones activas también es un método eficaz para mejorar la eficiencia de conversión, lo que facilita la separación entre electrones y huecos. Para las células solares NW con uniones pn, la eficiencia optimizada se puede lograr colocando la unión cerca de la posición donde se generan la mayoría de los portadores [10, 11, 12], mientras que para las células solares con uniones pin, se puede lograr una mayor eficiencia si hay más portadores se puede generar en las regiones intrínsecas [13,14,15,16,17]. Además, al suprimir la generación óptica en las regiones cercanas a los contactos, se puede reducir el número de portadores minoritarios fotogenerados que se difunden en los contactos [14, 17]. Existen muchos métodos para mejorar la absorción de luz en las regiones activas, como ajustar las posiciones o longitudes de las uniones [13, 14], emplear NW inclinados [15], decorar la región activa con partículas metálicas [16] o fabricar las regiones muy dopadas con materiales de banda prohibida alta [17]. Para las células solares de GaAs NW, se ha informado ampliamente sobre el uso de carcasas de AlGaAs como capas de pasivación. Sin embargo, se ha prestado menos atención a la capacidad de las heteroestructuras de AlGaAs / GaAs para confinar portadores fotogenerados en las regiones activas.

En este artículo, optimizamos el rendimiento de las células solares de matriz de unión de clavijas GaAs NW mediante el empleo de heterouniones AlGaAs / GaAs. Se han investigado tanto las uniones axiales como radiales. En las estructuras de heterounión de pines AlGaAs / GaAs, AlGaAs se utiliza para el segmento superior tipo p para uniones axiales y la carcasa exterior tipo p para uniones radiales. Debido al coeficiente de absorción relativamente bajo de AlGaAs, se generan menos fotoportadores en las regiones p. En consecuencia, se concentran más fotoportadores en las i-regiones. Por lo tanto, se puede suprimir la pérdida de recombinación causada por una alta concentración de dopaje. Además, las capas de AlGaAs con banda prohibida alta pueden desviar eficazmente los portadores minoritarios lejos de las superficies o contactos NW para disminuir la recombinación de portadores minoritarios.

Las células solares de matriz NW de heterounión de pines AlGaAs / GaAs se han investigado mediante una simulación optoelectrónica tridimensional (3-D) acoplada, y su rendimiento se ha comparado con matrices GaAs NW con las mismas estructuras geométricas. Los resultados muestran que, al usar AlGaAs para el segmento p en lugar de GaAs, la eficiencia de las células solares de unión axial se puede mejorar incluso con segmentos p superiores largos, mientras que para las células solares de unión radial, la eficiencia se puede mantener en un valor relativamente alto. con velocidades de recombinación de superficie (SRV) muy altas.

Métodos

El esquema de la celda solar de matriz de unión de clavijas de nanocables de GaAs y sus homólogos de heterounión de AlGaAs / GaAs se ilustran en la Fig. 1; cada celda solar contiene una matriz NW periódica, de la cual solo se muestra un NW. Para fabricar heterouniones AlGaAs / GaAs, Al _0.8 Ga _0.2 Como se utiliza para el segmento superior tipo p para uniones de pasador axiales y la carcasa exterior tipo p para uniones de pasador radiales; las otras regiones de los NW están hechas de GaAs. La concentración de dopaje de las regiones p y n es 10 ¹⁸ cm ^{- 3} . El diámetro y la longitud NW son 180 nm y 1,2 μm, y el período de la matriz es 360 nm; estos parámetros de geometría se eligen de acuerdo con [18], donde la absorción de luz de las matrices de GaAs NW se ha optimizado ajustando la relación D / P y el diámetro NW.

un Los dibujos esquemáticos de la celda solar de unión de clavija axial de nanocables de GaAs y su contraparte de heterounión AlGaAs / GaAs. b Los dibujos esquemáticos de la celda solar de unión de clavija radial de nanocables de GaAs y su contraparte de heterounión de AlGaAs / GaAs

Para el cálculo óptico, utilizamos el paquete de software FDTD Solutions (Lumerical, Inc.) para calcular el perfil de absorción en los NW. Al colocar condiciones de contorno periódicas, las simulaciones se pueden llevar a cabo utilizando un solo NW para modelar la estructura de la matriz periódica. El índice de refracción complejo de GaAs y Al _0.8 Ga _0.2 Como se usa en la simulación se toman de [19]. El número de fotones absorbidos en cada punto de la cuadrícula se calcula a partir del vector de Poynting S, asumiendo que cada fotón absorbido genera un par electrón-hueco:

$$ {G} _ {ph} =\ frac {\ left | \ overrightarrow {\ nabla} \ cdot \ overrightarrow {S} \ right |} {2 \ mathrm {\ hslash} \ omega} =\ frac {\ varepsilon ^ {{\ prime \ prime}} {\ left | \ overrightarrow {E} \ right |} ^ 2} {2 \ mathrm {\ hslash}} $$ (1)

donde ℏ es la constante de Planck reducida, ω es la frecuencia angular de la luz incidente, E es la intensidad del campo eléctrico en cada punto de la cuadrícula, y ε ″ Es la parte imaginaria de la permitividad. Para obtener el perfil de tasa de generación óptica utilizado para la simulación eléctrica, G _ph está ponderado por el espectro solar AM 1.5G e integrado en el espectro de simulación.

Para el modelado eléctrico, los perfiles de generación óptica se incorporan en la malla de elementos finitos de los NW utilizando Synopsys Sentaurus, que resuelve las ecuaciones de continuidad de portadora junto con la ecuación de Poisson de manera autoconsistente. La movilidad dependiente del dopaje, la recombinación radiativa, Auger y Shockley-Reed-Hall (SRH) se tienen en cuenta en la simulación eléctrica del dispositivo. La heterounión entre AlGaAs y GaAs se modela utilizando el modelo de emisión termoiónica [20]. Las corrientes de electrones y huecos ( J _n y J _p ) a través de la heteroestructura se puede describir 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)

donde a _n ( a _p ) son los coeficientes de corriente termoiónica, q es la carga elemental, v _n ( v _p ) es la velocidad de emisión de los electrones (huecos), que se puede expresar de la siguiente manera:

$$ {v} _n =\ sqrt {k_BT / 2 \ pi {m} _n} $$ (4) $$ {v} _p =\ sqrt {k_BT / 2 \ pi {m} _p} $$ (5)

y n ( p ) es la densidad de electrones (huecos) y m _n (m _p ) es la masa efectiva de los electrones (huecos). k _B es la constante de Boltzmann y T es la temperatura configurada como temperatura ambiente en la simulación. Los subíndices 1 y 2 representan los materiales con los bordes de la banda de conducción inferior y superior, respectivamente. Δ E _c y Δ E _v son los desplazamientos de banda conductiva y de valencia en la interfaz GaAs / AlGaAs. Suponemos que la interfaz entre AlGaAs y GaAs es perfecta sin ningún centro de recombinación adicional. Esto suele ser válido para la epitaxia de AlGaAs en GaAs [21]. La recombinación de superficie solo se considera para las interfaces entre aire y NW. Los parámetros utilizados en la simulación del dispositivo se enumeran en la Tabla 1. Los coeficientes Auger, los coeficientes de recombinación radiativa y la vida útil de la recombinación SRH de AlGaAs y GaAs se establecen para que sean los mismos [11, 12].

Resultados y discusión

Las propiedades de absorción de las NW de heterounión de AlGaAs / GaAs y las NW de GaAs se muestran en la Fig. 2. Para las NW de unión axial, las longitudes de las regiones p superiores y las regiones n inferiores son 150 y 200 nm, respectivamente. Para NW de unión radial, el grosor de las capas de tipo p es de 20 nm y el radio de las n regiones internas es de 20 nm. Los espectros de absorción de los NW de AlGaAs / GaAs y GaAs son casi los mismos, excepto que la absorción de los NW de heterounión radial de AlGaAs / GaAs cae en longitudes de onda cercanas a la banda prohibida de GaAs. A longitudes de onda alrededor de 900 nm, la luz propagada en los NW se concentra cerca de la superficie lateral, mientras que para la heterounión radial NW de AlGaAs / GaAs, la luz propagada en la capa de AlGaAs no se puede absorber de manera efectiva. La Figura 2b – d muestra las secciones transversales de los perfiles de generación. Debido a la menor capacidad de absorción de los AlGaAs, solo se genera una pequeña fracción de portadores en la región de AlGaAs; por lo tanto, se espera que la pérdida de recombinación en la región de AlGaAs fuertemente dopada no sea muy grave. Para los NW de AlGaAs / GaAs con uniones axiales, la mayor parte de la generación óptica se concentra en la interfaz AlGaAs / GaAs. Mientras que para los NW de AlGaAs / GaAs con uniones radiales, la mayoría de los fotoportadores están confinados en el núcleo de GaAs y bloqueados lejos de la superficie NW; por tanto, se espera que se suprima la pérdida de recombinación superficial. Según nuestro trabajo anterior [15], para las células solares NW con uniones de pines, los portadores fotogenerados en la i-región representan la mayor parte de la eficiencia; por lo tanto, extraemos la absorción óptica en la i-región y calculamos los espectros de absorción correspondientes. Tanto para NW axiales como radiales, se puede lograr una mayor absorción de i-región en NW de heterounión de AlGaAs / GaAs gracias a la absorción ineficaz en las regiones de AlGaAs de tipo p.

un Los espectros de absorción del nanoalambre de GaAs y sus homólogos de AlGaAs / GaAs con heteroestructuras axiales y radiales. La sección transversal vertical de los perfiles de generación óptica en el b Nanoalambre heteroestructura axial AlGaAs / GaAs, c Nanoalambre heteroestructura radial AlGaAs / GaAs, y d Nanocable de GaAs. e Los espectros de absorción de las regiones intrínsecas en las células solares de unión de clavijas axiales de nanocables de GaAs y sus homólogos de AlGaAs / GaAs. f Los espectros de absorción de las regiones intrínsecas en las células solares de unión de clavija radial de nanocables de GaAs y sus homólogos de AlGaAs / GaAs

Los perfiles de generación óptica se incorporan a la herramienta eléctrica para investigar el aumento potencial en la eficiencia de conversión del dispositivo inducido por heterouniones AlGaAs / GaAs. Las características de corriente-voltaje de los dispositivos considerados se calculan y grafican en la Fig. 3. Dos SRV típicos, 10 ³ y 10 ⁷ cm / s, se consideran durante el cálculo, correspondientes a superficies NW con y sin pasivación adecuada [6, 8, 9]. Para NW de unión de pasador axial con recombinación de superficie baja, al usar AlGaAs para el segmento p superior en lugar de GaAs, la eficiencia de conversión aumenta de 11,6 a 14,5%. La mejora de la eficiencia se atribuye principalmente a la fotocorriente, que aumenta de 18,9 a 23,3 mA / cm ² con sesgo cero. Se observa un fenómeno similar en NW radiales; la eficiencia aumenta del 10,8 al 11,3% mediante el uso de heterouniones AlGaAs / GaAs, con aumentos de la corriente de cortocircuito de 22,6 a 23,8 mA / cm ² . Con un SRV alto, el rendimiento de los NW axiales se ve dramáticamente dañado tanto para los NW de AlGaAs / GaAs como para los NW de GaAs debido a la superficie expuesta de las i-regiones. Sin embargo, la mejora de la corriente de cortocircuito todavía existe en los NW de AlGaAs / GaAs incluso con un SRV alto de 10 ⁷ cm / s, que proviene de la recombinación suprimida en la región p superior y el contacto superior. Para los NW radiales de AlGaAs / GaAs, la eficiencia solo se ve afectada ligeramente por la recombinación de la superficie gracias a la capa de AlGaAs, que confina los fotoportadores en la región i y crea una barrera que los protege de alcanzar la superficie del NW. Mientras que para GaAs radial NW, la eficiencia disminuye de 10,8 a 8,05% con SRV aumenta de 10 ³ a 10 ⁷ cm / s, y la corriente de cortocircuito disminuye de 22,6 a 17,1 mA / cm ² .

Las características de corriente-voltaje de los nanocables GaAs y AlGaAs / GaAs a axial y b células solares de unión de clavija radial con velocidades de recombinación de superficie de 10 ³ y 10 ⁷ cm / s

Se ha informado que el volumen de la región fuertemente dopada tiene una gran influencia en la eficiencia de conversión, especialmente para las regiones donde puede ocurrir una fuerte generación óptica. En este trabajo, se investiga el rendimiento de NW con varios volúmenes de región p. En la Fig. 4a, se representan los perfiles de generación óptica de NW de unión axial AlGaAs / GaAs con diferentes longitudes de región p. A medida que la longitud de la región p varía de 50 a 200 nm, el punto caliente de generación óptica se mueve hacia la parte inferior del NW, y la mayoría de los portadores generados ópticos están confinados por debajo de la región AlGaAs. También se calculan las eficiencias de conversión correspondientes. Los resultados muestran que, con un SRV bajo, el aumento de la longitud de la región p no tiene una influencia obvia sobre la eficiencia de conversión de los NW de AlGaAs / GaAs, aunque la absorción general tiende a disminuir con el aumento del volumen de AlGaAs. Es más, una región de AlGaAs más larga mantiene a la mayoría de los fotoportadores más lejos del contacto superior, y se pueden recombinar menos portadores minoritarios en el contacto. Sin embargo, para GaAs NW, la eficiencia de conversión disminuye linealmente con el aumento de la longitud de la región p, debido al número creciente de fotoportadores generados en la región p superior. En el caso del SRV alto, la eficiencia de conversión de los NW de AlGaAs / GaAs incluso aumenta con la longitud de la región p, porque la generación óptica en AlGaAs se concentra en el centro del NW y lejos de las superficies, lo que conduce a una recombinación de superficie más baja. en comparación con las regiones de GaAs. De la discusión anterior, podemos concluir que, utilizando AlGaAs para la región p superior en lugar de GaAs, se puede emplear una región superior relativamente larga sin degenerar el rendimiento del dispositivo. Y para los NW con unión axial, una región superior larga podría facilitar la fabricación y el contacto de las células solares de matriz NW.

un La sección transversal vertical de los perfiles de generación óptica en células solares de heterounión de pines axiales de nanocables AlGaAs / GaAs con diferentes p -Longitudes de región. b La eficiencia de conversión de células solares axiales de nanocables de GaAs y AlGaAs / GaAs como funciones de la longitud de la región p

También se ha calculado el rendimiento de NW radiales con diferentes espesores de capa p. La Figura 5a muestra los perfiles de generación óptica de los NW radiales de AlGaAs / GaAs. Al igual que en los NW axiales, la mayoría de los fotoportadores se generan en GaAs. La eficiencia de conversión tanto de AlGaAs / GaAs como de GaAs NWs disminuye con el aumento del espesor de la capa p. En el caso de un SRV bajo de 10 ³ cm / s, el efecto de la recombinación de la superficie es casi insignificante; por lo tanto, la degeneración de la eficiencia proviene principalmente del número creciente de fotoportadores generados en la capa p. Sin embargo, los NW de AlGaAs / GaAs muestran una mejor tolerancia al grosor de la capa p, ya que la mayor parte de la generación óptica puede estar confinada en las regiones internas de GaAs. Con el SRV aumenta de 10 ³ a 10 ⁷ cm / s, la eficiencia de conversión de los NW de AlGaAs / GaAs solo se reduce ligeramente, ya que los fotoportadores están protegidos por conchas de AlGaAs de la superficie. Y para los NW con carcasas de AlGaAs más gruesas, dado que menos portadores pueden alcanzar y recombinarse en la superficie, el rendimiento del dispositivo está menos degenerado. Por el contrario, el rendimiento de los GaAs NW se ve seriamente dañado por la alta recombinación de la superficie, especialmente en los casos de capas p gruesas. Porque para los NW radiales de GaAs, los fotoportadores generados en la capa p se pueden recombinar fácilmente en las superficies. Con un espesor de capa p de 30 nm, la eficiencia de conversión de los GaAs NW es solo del 1,98%, mientras que los correspondientes AlGaAs / GaAs NW muestran una eficiencia del 10,4%, un 8,42% más alta que la de los GaAs NW.

un La sección transversal vertical de los perfiles de generación óptica en células solares de heterounión de pines radiales de nanocables AlGaAs / GaAs con diferentes p -Espesor de la cáscara. b La eficiencia de conversión de las células solares radiales de nanocables de GaAs y AlGaAs / GaAs como funciones del espesor de la capa p

Conclusiones

En este trabajo, utilizamos una simulación optoelectrónica 3-D acoplada para investigar el rendimiento de las células solares de matriz de heterounión de pines AlGaAs / GaAs y GaAs NW. En comparación con los GaAs NW, los AlGaAs / GaAs NW pueden confinar la mayor parte de la generación óptica en las regiones activas, reduciendo la pérdida de recombinación que existe en las regiones fuertemente dopadas y formando barreras para los portadores minoritarios, protegiéndolos de la recombinación de superficie o de contacto. Para los NW axiales de AlGaAs / GaAs, al usar AlGaAs para la región p superior en lugar de GaAs, podemos permitir una región superior relativamente larga sin degenerar el rendimiento del dispositivo, lo que podría facilitar la fabricación y el contacto de las células solares NW. Y para los NW radiales, la eficiencia de los NW de AlGaAs / GaAs se puede mantener a un valor relativamente alto con una recombinación de superficie muy alta. A partir de este estudio, podemos concluir que el empleo de heterouniones AlGaAs / GaAs es un método eficaz y práctico para mejorar el rendimiento de las células solares GaAs NW.

Abreviaturas

3D:: Tridimensional
NW:: Nanocable
SRH:: Shockley-Reed-Hall
SRV:: Velocidad de recombinación superficial

Transistores de efecto de campo ferroeléctricos basados en patrones de banda de micrones dominados por nanotubos de carbono de pared simple con capa de control de defectos de HfO2 Análisis de distribución Bi en GaAsBi epitaxial mediante HAADF-STEM con corrección de aberraciones

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