Optimasi Sel Surya Larik Persimpangan Pin Nanowire GaAs dengan Menggunakan Heterojungsi AlGaAs/GaAs
Abstrak
Kami mengoptimalkan kinerja sel surya susunan sambungan pin kawat nano GaAs dengan memperkenalkan sambungan hetero AlGaAs/GaAs. AlGaAs digunakan untuk segmen atas tipe p untuk sambungan aksial dan kulit terluar tipe p untuk sambungan radial. AlGaAs tidak hanya berfungsi sebagai lapisan pasivasi untuk kawat nano GaAs tetapi juga membatasi pembangkitan optik di daerah aktif, mengurangi kehilangan rekombinasi di daerah yang banyak didoping dan rekombinasi pembawa minoritas di kontak atas. Hasilnya menunjukkan bahwa efisiensi konversi kawat nano GaAs dapat sangat ditingkatkan dengan menggunakan AlGaAs untuk segmen p daripada GaAs. Peningkatan efisiensi maksimum sebesar 8,42% telah dicapai dalam penelitian ini. Dan untuk kawat nano aksial, dengan menggunakan AlGaAs untuk segmen p atas, segmen atas yang relatif panjang dapat digunakan tanpa menurunkan kinerja perangkat, yang dapat memfasilitasi fabrikasi dan kontak sel surya susunan kawat nano. Sedangkan untuk kawat nano radial, kawat nano AlGaAs/GaAs menunjukkan toleransi yang lebih baik terhadap ketebalan kulit-p dan kondisi permukaan.
Latar Belakang
Kawat nano GaAs (NWs) telah dianggap sebagai blok bangunan potensial untuk sel surya efisiensi tinggi [1,2,3]. Dengan celah pita 1,43 eV, GaAs lebih menguntungkan daripada Si untuk memaksimalkan efisiensi sel surya [4]. Efisiensi 15,3% telah dicapai oleh array GaAs NW dengan sambungan pn aksial [5]. Namun, karena sel surya GaAs NW selalu mengalami rekombinasi permukaan yang serius, pasif permukaan diperlukan untuk mencapai kinerja yang memuaskan [6, 7]. Metode umum untuk pasivasi GaAs NW adalah membentuk kulit AlGaAs di sekitar NW, yang menciptakan penghalang besar untuk elektron dan lubang di seluruh struktur, mencegah pembawa minoritas bergabung kembali di permukaan [5, 8, 9].
Kecuali untuk pasif permukaan, meningkatkan penyerapan cahaya di daerah aktif juga merupakan metode yang efektif untuk meningkatkan efisiensi konversi, yang memfasilitasi pemisahan elektron-lubang. Untuk sel surya NW dengan sambungan pn, efisiensi yang dioptimalkan dapat dicapai dengan menempatkan sambungan di dekat posisi di mana sebagian besar pembawa dihasilkan [10,11,12], sedangkan untuk sel surya sambungan pin, efisiensi yang lebih tinggi dapat dicapai jika lebih banyak pembawa. dapat dihasilkan di daerah intrinsik [13,14,15,16,17]. Terlebih lagi, dengan menekan generasi optik di daerah dekat kontak, jumlah pembawa minoritas fotogenerasi yang berdifusi ke dalam kontak dapat dikurangi [14, 17]. Ada banyak metode untuk meningkatkan penyerapan cahaya di daerah aktif, seperti menyesuaikan posisi atau panjang persimpangan [13, 14], menggunakan NW miring [15], mendekorasi daerah aktif dengan partikel logam [16], atau membuat daerah yang banyak didoping dengan bahan celah pita tinggi [17]. Untuk sel surya GaAs NW, penggunaan cangkang AlGaAs sebagai lapisan pasif telah banyak dilaporkan. Namun, kemampuan heterostruktur AlGaAs/GaAs untuk membatasi pembawa fotogenerasi di daerah aktif kurang diperhatikan.
Dalam makalah ini, kami mengoptimalkan kinerja sel surya susunan sambungan pin GaAs NW dengan menggunakan heterojungsi AlGaAs/GaAs. Baik persimpangan aksial dan radial telah diselidiki. Dalam struktur heterojungsi pin AlGaAs/GaAs, AlGaAs digunakan untuk segmen atas tipe p untuk sambungan aksial dan kulit luar jenis p untuk sambungan radial. Karena koefisien penyerapan AlGaAs yang relatif rendah, lebih sedikit photocarrier yang dihasilkan di daerah-p. Akibatnya, lebih banyak photocarrier terkonsentrasi di i-region. Oleh karena itu, kehilangan rekombinasi yang disebabkan oleh konsentrasi doping yang tinggi dapat ditekan. Selain itu, lapisan AlGaAs celah pita tinggi dapat secara efektif membelokkan pembawa minoritas menjauh dari permukaan atau kontak NW untuk mengurangi rekombinasi pembawa minoritas.
Sel surya array NW heterojungsi pin AlGaAs/GaAs telah diselidiki dengan simulasi optoelektronik tiga dimensi (3-D), dan kinerjanya telah dibandingkan dengan array NW GaAs dengan struktur geometri yang sama. Hasil penelitian menunjukkan bahwa, dengan menggunakan AlGaAs untuk segmen p sebagai ganti GaAs, efisiensi sel surya sambungan aksial dapat ditingkatkan bahkan dengan segmen p atas yang panjang, sedangkan untuk sel surya sambungan radial, efisiensi dapat dipertahankan pada nilai yang relatif tinggi. dengan kecepatan rekombinasi permukaan (SRV) yang sangat tinggi.
Metode
Skema dari sel surya array sambungan pin kawat nano GaAs dan rekan heterojungsi AlGaAs/GaAs diilustrasikan pada Gambar. 1; setiap sel surya berisi susunan NW periodik, yang hanya ditampilkan satu NW. Untuk membuat heterojungsi AlGaAs/GaAs, Al0,8 Ga0,2 Seperti yang digunakan untuk segmen tipe p atas untuk sambungan pin aksial dan cangkang tipe p luar untuk sambungan pin radial; wilayah lain dari NW terbuat dari GaAs. Konsentrasi doping daerah p dan n adalah 10
18
cm
− 3
. Diameter dan panjang NW adalah 180 nm dan 1,2 m, dan periode lariknya adalah 360 nm; parameter geometri ini dipilih menurut [18], di mana penyerapan cahaya dari array GaAs NW telah dioptimalkan dengan menyesuaikan rasio D/P dan diameter NW.
a Gambar skema sel surya sambungan pin aksial kawat nano GaAs dan pasangan heterojungsi AlGaAs/GaAs. b Gambar skema sel surya sambungan pin radial kawat nano GaAs dan pasangan heterojungsi AlGaAs/GaAs
Untuk perhitungan optik, kami menggunakan paket perangkat lunak FDTD Solutions (Lumerical, Inc.) untuk menghitung profil penyerapan di NW. Dengan menempatkan kondisi batas periodik, simulasi dapat dilakukan menggunakan NW tunggal untuk memodelkan struktur susunan periodik. Indeks bias kompleks GaAs dan Al0,8 Ga0,2 Seperti yang digunakan dalam simulasi diambil dari [19]. Jumlah foton yang diserap pada setiap titik kisi dihitung dari vektor Poynting S, dengan asumsi bahwa setiap foton yang diserap menghasilkan satu pasangan elektron-lubang:
di mana adalah konstanta Planck tereduksi, ω adalah frekuensi sudut cahaya datang, E adalah intensitas medan listrik pada setiap titik grid, dan ε adalah bagian imajiner dari permitivitas. Untuk mendapatkan profil laju pembangkitan optik yang digunakan untuk simulasi listrik, Gph ditimbang oleh spektrum matahari AM 1.5G dan terintegrasi melalui spektrum simulasi.
Untuk pemodelan listrik, profil pembangkitan optik digabungkan ke dalam jaring elemen hingga NWs menggunakan Synopsys Sentaurus, yang memecahkan persamaan kontinuitas pembawa yang digabungkan dengan persamaan Poisson secara konsisten. Mobilitas yang bergantung pada doping, rekombinasi radiasi, Auger, dan Shockley-Reed-Hall (SRH) dipertimbangkan dalam simulasi listrik perangkat. Heterojungsi antara AlGaAs dan GaAs dimodelkan menggunakan model emisi termionik [20]. Arus elektron dan lubang (Jn dan Jp ) di seluruh heterostruktur dapat digambarkan sebagai:
dimana an (ap ) adalah koefisien arus termionik, q adalah muatan dasar, vn (vp ) adalah kecepatan pancaran elektron (hole), yang dapat dinyatakan sebagai berikut:
dan n (p ) adalah kerapatan elektron(lubang), dan mn (mp ) adalah massa efektif elektron (lubang). kB adalah konstanta Boltzmann, dan T adalah suhu yang diatur menjadi suhu kamar dalam simulasi. Subskrip 1 dan 2 masing-masing mewakili bahan dengan tepi pita konduksi yang lebih rendah dan lebih tinggi. Ec dan Ev adalah offset pita konduktif dan valensi pada antarmuka GaAs/AlGaAs. Kami berasumsi bahwa antarmuka antara AlGaAs dan GaAs sempurna tanpa pusat rekombinasi tambahan. Ini biasanya berlaku untuk epitaksi yang cocok dengan kisi dari AlGaAs pada GaAs [21]. Rekombinasi permukaan hanya dipertimbangkan untuk antarmuka antara udara dan NWs. Parameter yang digunakan dalam simulasi perangkat tercantum dalam Tabel 1. Koefisien Auger, koefisien rekombinasi radiasi, dan masa pakai rekombinasi SRH dari AlGaAs dan GaAs ditetapkan sama [11, 12].
Hasil dan Diskusi
Sifat penyerapan dari NWs heterojungsi AlGaAs/GaAs dan NWs GaAs ditunjukkan pada Gambar. 2. Untuk NW sambungan aksial, panjang daerah p-atas dan daerah n bawah masing-masing adalah 150 dan 200 nm. Untuk sambungan radial NW, ketebalan kulit tipe p adalah 20 nm dan jari-jari daerah n bagian dalam adalah 20 nm. Spektrum serapan dari AlGaAs/GaAs dan GaAs NWs hampir sama, kecuali bahwa penyerapan AlGaAs/GaAs radial heterojunction NWs turun pada panjang gelombang dekat celah pita GaAs. Pada panjang gelombang sekitar 900 nm, cahaya yang dirambatkan di NWs terkonsentrasi di dekat permukaan samping, sedangkan untuk heterojungsi radial AlGaAs/GaAs NW, cahaya yang merambat di cangkang AlGaAs tidak dapat diserap secara efektif. Gambar 2b-d menunjukkan penampang profil generasi. Karena kemampuan penyerapan AlGaAs yang lebih rendah, hanya sebagian kecil pembawa yang dihasilkan di wilayah AlGaAs; oleh karena itu, kehilangan rekombinasi di wilayah AlGaAs yang didoping berat diperkirakan tidak terlalu serius. Untuk AlGaAs/GaAs NWs dengan sambungan aksial, sebagian besar generasi optik berkonsentrasi pada antarmuka AlGaAs/GaAs. Sedangkan untuk AlGaAs/GaAs NWs dengan radial junction, sebagian besar photocarrier terkurung di inti GaAs dan terhalang dari permukaan NW; dengan demikian, kehilangan rekombinasi permukaan diharapkan dapat ditekan. Menurut pekerjaan kami sebelumnya [15], untuk sel surya NW dengan sambungan pin, pembawa yang dihasilkan foto di wilayah i bertanggung jawab atas sebagian besar efisiensi; oleh karena itu, kami mengekstrak penyerapan optik di wilayah-i dan menghitung spektrum penyerapan yang sesuai. Untuk NWs aksial dan radial, penyerapan wilayah i yang lebih tinggi dapat dicapai di NW heterojungsi AlGaAs/GaAs berkat penyerapan yang tidak efektif di wilayah AlGaAs tipe p.
a Spektrum penyerapan kawat nano GaAs dan rekan-rekan AlGaAs/GaAs dengan heterostruktur aksial dan radial. Penampang vertikal profil generasi optik di b Kawat nano heterostruktur aksial AlGaAs/GaAs, c Kawat nano heterostruktur radial AlGaAs/GaAs, dan d kawat nano GaAs. e Spektrum penyerapan daerah intrinsik dalam sel surya sambungan pin aksial kawat nano GaAs dan rekan-rekan AlGaAs / GaAs. f Spektrum serapan daerah intrinsik dalam sel surya sambungan pin radial kawat nano GaAs dan rekan AlGaAs/GaAs mereka
Profil generasi optik dimasukkan ke dalam alat listrik untuk menyelidiki potensi peningkatan efisiensi konversi perangkat yang disebabkan oleh heterojungsi AlGaAs/GaAs. Karakteristik arus-tegangan dari perangkat yang dipertimbangkan dihitung dan diplot pada Gambar. 3. Dua SRV tipikal, 10
3
dan 10
7
cm/s, dipertimbangkan selama perhitungan, sesuai dengan permukaan NW dengan dan tanpa pasivasi yang tepat [6, 8, 9]. Untuk sambungan pin aksial NW dengan rekombinasi permukaan rendah, dengan menggunakan AlGaAs untuk segmen atas p sebagai ganti GaAs, efisiensi konversi meningkat dari 11,6 menjadi 14,5%. Peningkatan efisiensi sebagian besar disebabkan oleh arus foto, yang meningkat dari 18,9 menjadi 23,3 mA/cm
2
pada bias nol. Fenomena serupa diamati di NW radial; efisiensi meningkat dari 10,8 menjadi 11,3% dengan menggunakan heterojungsi AlGaAs/GaAs, dengan peningkatan arus hubung singkat dari 22,6 menjadi 23,8 mA/cm
2
. Dengan SRV tinggi, kinerja NWs aksial rusak secara dramatis untuk NWs AlGaAs/GaAs dan NWs GaAs karena permukaan wilayah-i yang terbuka. Namun, peningkatan arus hubung singkat masih ada di AlGaAs/GaAs NWs bahkan dengan SRV tinggi 10
7
cm/s, yang berasal dari rekombinasi yang ditekan di wilayah-p atas dan kontak atas. Untuk NW radial AlGaAs/GaAs, efisiensinya hanya sedikit dipengaruhi oleh rekombinasi permukaan berkat cangkang AlGaAs, yang membatasi pembawa foto di wilayah-i dan menciptakan penghalang yang melindunginya dari mencapai permukaan NW. Sedangkan untuk GaAs radial NW, efisiensi menurun dari 10,8 menjadi 8,05% dengan SRV meningkat dari 10
3
sampai 10
7
cm/s, dan arus hubung singkat berkurang dari 22,6 menjadi 17,1 mA/cm
2
.
Karakteristik arus-tegangan dari kawat nano GaAs dan AlGaAs/GaAs a aksial dan b sel surya sambungan pin radial dengan kecepatan rekombinasi permukaan 10
3
dan 10
7
cm/s
Telah dilaporkan bahwa volume wilayah yang didoping berat memiliki pengaruh besar pada efisiensi konversi, terutama untuk wilayah di mana pembangkitan optik yang kuat dapat terjadi. Dalam karya ini, kinerja NW dengan berbagai volume wilayah-p diselidiki. Pada Gambar. 4a, profil generasi optik dari sambungan aksial AlGaAs/GaAs NWs dengan panjang daerah-p yang berbeda diplot. Karena panjang daerah p bervariasi dari 50 hingga 200 nm, hot spot generasi optik bergerak ke arah bawah NW, dan sebagian besar pembawa yang dihasilkan optik terbatas di bawah wilayah AlGaAs. Efisiensi konversi yang sesuai juga dihitung. Hasil penelitian menunjukkan bahwa, dengan SRV rendah, peningkatan panjang daerah p tidak memiliki pengaruh yang jelas terhadap efisiensi konversi AlGaAs/GaAs NWs, meskipun penyerapan keseluruhan cenderung menurun dengan meningkatnya volume AlGaAs. Terlebih lagi, wilayah AlGaAs yang lebih panjang membuat sebagian besar pembawa foto menjauh dari kontak teratas, dan lebih sedikit pembawa minoritas yang dapat digabungkan kembali pada kontak. Namun, untuk GaAs NWs, efisiensi konversi menurun secara linear dengan peningkatan panjang p-region, karena meningkatnya jumlah photocarrier yang dihasilkan di p-region atas. Dalam kasus SRV tinggi, efisiensi konversi AlGaAs/GaAs NWs bahkan meningkat dengan panjang p-region, karena pembangkitan optik di AlGaAs terkonsentrasi di pusat NW dan jauh dari permukaan, yang mengarah ke rekombinasi permukaan yang lebih rendah. dibandingkan dengan daerah GaAs. Dari pembahasan di atas, kita dapat menyimpulkan bahwa, dengan menggunakan AlGaAs untuk p-region atas alih-alih GaAs, region atas yang relatif panjang dapat digunakan tanpa menurunkan kinerja perangkat. Dan untuk NW dengan persimpangan aksial, wilayah atas yang panjang dapat memfasilitasi fabrikasi dan kontak sel surya susunan NW.
a Penampang melintang vertikal profil pembangkitan optik dalam sel surya heterojungsi pin aksial kawat nano AlGaAs/GaAs dengan p yang berbeda -panjang wilayah b Efisiensi konversi sel surya aksial kawat nano GaAs dan AlGaAs/GaAs sebagai fungsi panjang daerah p
Kinerja NW radial dengan ketebalan cangkang p yang berbeda juga telah dihitung. Gambar 5a menunjukkan profil generasi optik dari NW radial AlGaAs/GaAs. Mirip dengan NW aksial, sebagian besar pembawa foto dihasilkan di GaAs. Efisiensi konversi baik AlGaAs/GaAs dan GaAs NWs menurun dengan meningkatnya ketebalan p-shell. Dalam kasus SRV rendah 10
3
cm/s, efek rekombinasi permukaan hampir dapat diabaikan; dengan demikian, degenerasi efisiensi terutama berasal dari meningkatnya jumlah photocarrier yang dihasilkan di kulit-p. Namun, AlGaAs/GaAs NWs menunjukkan toleransi yang lebih baik terhadap ketebalan p-shell, karena sebagian besar generasi optik dapat dibatasi di wilayah GaAs bagian dalam. Dengan peningkatan SRV dari 10
3
sampai 10
7
cm/s, efisiensi konversi AlGaAs/GaAs NWs hanya sedikit menurun, karena pembawa foto dilindungi oleh cangkang AlGaAs dari permukaan. Dan untuk NW dengan cangkang AlGaAs yang lebih tebal, karena lebih sedikit operator yang dapat menjangkau dan bergabung kembali di permukaan, kinerja perangkat tidak terlalu merosot. Sebaliknya, kinerja GaAs NWs rusak parah oleh rekombinasi permukaan yang tinggi, terutama dalam kasus kulit-p yang tebal. Karena untuk NW radial GaAs, pembawa foto yang dihasilkan di kulit-p dapat digabungkan kembali dengan mudah di permukaan. Dengan ketebalan p-shell 30 nm, efisiensi konversi GaAs NWs hanya 1,98%, sedangkan NWs AlGaAs/GaAs yang sesuai menunjukkan efisiensi 10,4%, 8,42% lebih tinggi daripada GaAs NWs.
a Penampang melintang vertikal dari profil pembangkitan optik dalam sel surya heterojungsi pin radial kawat nano AlGaAs/GaAs dengan p yang berbeda -ketebalan cangkang b Efisiensi konversi sel surya radial nanowire GaAs dan AlGaAs/GaAs sebagai fungsi ketebalan p-shell
Kesimpulan
Dalam karya ini, kami menggunakan simulasi optoelektronik 3-D yang digabungkan untuk menyelidiki kinerja sel surya array heterojunction pin AlGaAs / GaAs dan GaAs NW. Dibandingkan dengan GaAs NWs, AlGaAs/GaAs NWs dapat membatasi sebagian besar pembangkitan optik di daerah aktif, mengurangi kehilangan rekombinasi yang ada di daerah yang banyak didoping, dan membentuk penghalang untuk pembawa minoritas, melindungi mereka dari rekombinasi permukaan atau kontak. Untuk NW aksial AlGaAs/GaAs, dengan menggunakan AlGaAs untuk p-region atas alih-alih GaAs, kami dapat mengizinkan region atas yang relatif panjang tanpa menurunkan kinerja perangkat, yang dapat memfasilitasi fabrikasi dan kontak sel surya NW. Dan untuk NW radial, efisiensi NW AlGaAs/GaAs dapat dipertahankan pada nilai yang relatif tinggi dengan rekombinasi permukaan yang sangat tinggi. Dari penelitian ini, dapat disimpulkan bahwa penggunaan heterojungsi AlGaAs/GaAs merupakan metode yang efektif dan praktis untuk meningkatkan kinerja sel surya GaAs NW.
