Meningkatkan Sel Surya Pin Junction Nanowawa GaAs melalui Heterojungsi AlGaAs/GaAs

Abstrak

Kami menunjukkan peningkatan performa yang besar untuk sel surya array nanowawa (NW) pin-junction GaAs dengan mengintegrasikan heterojungsi AlGaAs/GaAs. Dalam struktur aksial, AlGaAs membentuk segmen p-tipe atas, sementara dalam perangkat radial ia merupakan cangkang p-tipe luar. Lapisan AlGaAs bertindak sekaligus sebagai passivasi permukaan, penghalang penahanan untuk penangkap yang dihasilkan cahaya, dan mekanisme penindasan rekombinasi di wilayah yang ter-dopecini tinggi. Peningkatan efisiensi konversi mencapai hingga 8,42 % relatif terhadap NW GaAs murni. Untuk NW aksial, penggunaan AlGaAs memungkinkan segmen p-segment atas yang lebih panjang tanpa kehilangan performa, yang menyederhanakan pembuatan perangkat dan teknik kontak. Dalam konfigurasi radial, struktur AlGaAs/GaAs menunjukkan toleransi yang ditingkatkan terhadap variasi ketebalan cangkang p dan kondisi rekombinasi permukaan.

Latar Belakang

Nanowawa GaAs (GaAs NW) telah muncul sebagai calon yang menjanjikan untuk konversi energi matahari yang efisien, berkat jarak energi 1,43 eV yang unggul dibandingkan silikon untuk utilitas spektral [1–4]. Efisiensi yang dilaporkan untuk array NW pin junction GaAs aksial mencapai 15,3 % [5]. Namun, rekombinasi permukaan tetap menjadi saluran kerugian kritis; oleh karena itu, strategi passivasi yang efektif sangat penting [6, 7]. Teknik passivasi yang ter-estabilisasi melibatkan cangkang AlGaAs yang konformal, yang memperkenalkan offset konduksi dan valensi yang besar yang menahan penangkap minoritas dan mengurangi rekombinasi permukaan [5, 8–10].

Di luar passivasi, konsentrasi penyerapan optik dalam wilayah intrinsik (i) pin junction dapat meningkatkan efisiensi lebih lanjut [11–17]. Berbagai metode telah dieksplorasi, termasuk optimasi posisi junc, NW miring, dekorasi logam plasmonik, dan lapisan ter-dopecini tinggi jarak energi [13–17]. Meskipun cangkang AlGaAs telah banyak digunakan untuk passivasi, perannya dalam mengarahkan penangkap yang dihasilkan cahaya ke wilayah aktif belum mendapat perhatian yang cukup.

Dalam penelitian ini, kami secara sistematis mengevaluasi array pin junction GaAs NW yang mengintegrasikan heterojungsi AlGaAs/GaAs, yang menargetkan geometri aksial dan radial. Dengan mengganti segmen p-atas (aksial) atau cangkang p-luar (radial) dengan AlGaAs, kami mengeksploitasi koefisien penyerapan yang lebih rendah untuk mengonsentrasi penyerapan cahaya dalam wilayah i, yang mengurangi kerugian rekombinasi di wilayah yang ter-dopecini tinggi dan melindungi penangkap dari rekombinasi permukaan dan kontak.

Metode

Arsitektur perangkat diilustrasikan dalam Gambar 1. Setiap sel surya terdiri dari array NW periodik; untuk ilustrasi, satu NW ditampilkan. Lapisan Al₀.₈Ga₀.₂As berfungsi sebagai segmen p-tipe atas dalam pin junction aksial dan sebagai cangkang p-tipe luar dalam pin junction radial; semua wilayah yang tersisa adalah GaAs. Kedua wilayah p- dan n- di-dopecini pada 10¹⁸ cm⁻³. Diameter dan panjang NW adalah 180 nm dan 1,2 µm, masing-masing, dengan periode 360 nm, mengikuti rasio D/P yang dioptimalkan yang dilaporkan dalam Ref. [18].

a Skema sel surya pin junction GaAs NW aksial dan salinan heterojungsi AlGaAs/GaAsnya. b Skema sel surya pin junction Gaas NW radial dan salinan heterojungsi AlGaAs/GaAsnya.

Penyerapan optik disimulasikan menggunakan Lumerical FDTD Solutions, dengan menetapkan kondisi batas periodik untuk memodelkan array dengan satu NW. Indeks refraksi kompleks untuk GaAs dan Al₀.₈Ga₀.₂As diambil dari Ref. [19]. Laju pembuatan foton G_ph dihitung melalui divergensi vektor Poynting, dengan asumsi satu pasang elektron-lubang per foton yang terserap:
G_ph = |∇·S| / (2ħω) = ε″|E|² / (2ħ). Spektrum AM 1.5 G digunakan untuk membobot G_ph di seluruh spektrum yang disimulasikan.

Karakteristik listrik dihitung dalam Synopsys Sentaurus dengan mengkaitkan profil pembuatan optik dengan solusi yang konsisten sendiri dari persamaan kontinuitas penangkap dan Poisson. Mobilitas yang bergantung pada dopecini, rekombinasi radiatif, Auger, dan Shockley–Reed–Hall (SRH) dimasukkan. Antarmuka AlGaAs/GaAs di-model dengan model emisi termionik (Eqs. 2–5) dan diasumsikan bebas cacat, seperti yang sesuai untuk epitaksi pencocokan jaringan [21]. Rekombinasi permukaan dipertimbangkan hanya di antarmuka udara-NW; SRV 10³ dan 10⁷ cm s⁻¹ diperiksa untuk mewakili permukaan yang terpassivasi baik dan buruk. Parameter perangkat diringkas dalam Tabel 1.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 2 membandingkan spektrum penyerapan NW heterojungsi AlGaAs/GaAs dengan sebutan GaAs mereka. Perangkat aksial memiliki wilayah p-segment atas 150 nm dan wilayah n-segment bawah 200 nm; perangkat radial memiliki cangkang p 20 nm dan jari-jari n dalam 20 nm. Penyerapan keseluruhan serupa di seluruh struktur, kecuali penurunan ringan di dekat jarak energi GaAs dalam heterojungsi radial. Pada ≈900 nm, medan optik berkonsentrasi di sisi pinggir; dalam heterojungsi radial, cangkang AlGaAs tidak menyerap secara efisien, melokalisasi penangkap di inti GaAs.

a Spektrum penyerapan untuk GaAs dan AlGaAs/GaAs axial dan radial heterostructures. b Pembuatan optik lintas untuk heterojungsi axial. c Pembuatan optik lintas untuk heterojungsi radial. d Pembuatan optik lintas untuk NW GaAs murni. e Spektrum penyerapan wilayah intrinsik untuk perangkat axial. f Spektrum penyerapan wilayah intrinsik untuk perangkat radial.

Simulasi listrik mengungkapkan bahwa, untuk kondisi SRV rendah, perangkat axial menggunakan AlGaAs dalam segmen p-atas menunjukkan peningkatan efisiensi 2,9 % absolut (dari 11,6 % menjadi 14,5 %) yang didorong terutama oleh kenaikan 18,9 % dalam arus pendek (dari 18,9 menjadi 23,3 mA cm⁻²). Perangkat radial menunjukkan perbaikan yang lebih kecil namun konsisten (10,8 % hingga 11,3 % efisiensi, 22,6 hingga 23,8 mA cm⁻²). Di bawah SRV tinggi (10⁷ cm s⁻¹), perangkat axial mengalami penurunan efisiensi yang terang untuk kedua desain; namun, struktur AlGaAs mempertahankan arus pendek yang lebih tinggi karena rekombinasi yang ditekan di kontak atas. NW radial AlGaAs/GaAs mempertahankan kinerja karena cangkang AlGaAs menahan penangkap dari permukaan.

Karakteristik arus-tegangan untuk perangkat (a) axial dan (b) radial pada SRV 10³ dan 10⁷ cm s⁻¹.

Mengubah volume wilayah p menjelaskan dampak wilayah yang ter-dopecini tinggi terhadap efisiensi. Gambar 4a menunjukkan bahwa, seiring dengan peningkatan panjang segmen p-atas dari 50 hingga 200 nm, titik panas pembuatan bergerak ke bawah, mengonsentrasi penangkap di bawah lapisan AlGaAs. Dalam skenario SRV rendah, efisiensi perangkat AlGaAs/GaAs tetap sebagian besar tidak berubah, sedangkan perangkat GaAs menurun secara linier dengan peningkatan panjang p karena pembuatan cahaya yang lebih tinggi di dekat permukaan. Di bawah SRV tinggi, efisiensi AlGaAs/GaAs bahkan naik dengan wilayah p yang lebih panjang, karena penangkap yang dihasilkan dalam AlGaAs dilindungi dari rekombinasi permukaan. Akibatnya, segmen p-atas AlGaAs yang lebih panjang dapat digunakan tanpa mengorbankan performa, yang menyederhanakan pembuatan dan proses kontak untuk array aksial.

a Profil pembuatan untuk perangkat axial dengan panjang p yang bervariasi. b Efisiensi versus panjang p untuk NW GaAs dan AlGaAs/GaAs axial.

Perangkat radial menunjukkan tren yang serupa terhadap ketebalan cangkang p. Gambar 5a menunjukkan bahwa peningkatan ketebalan cangkang AlGaAs mempertahankan lebih banyak pembuatan cahaya dalam inti GaAs, mengurangi rekombinasi permukaan. Efisiensi menurun untuk kedua desain seiring dengan peningkatan ketebalan cangkang, tetapi penurunan jauh lebih halus untuk perangkat AlGaAs/GaAs. Di bawah SRV tinggi, efisiensi AlGaAs/GaAs hanya menurun sedikit, sedangkan perangkat radial GaAs mengalami penurunan efisiensi yang parah (dari 10,8 % menjadi 8,05 %) saat SRV naik dari 10³ ke 10⁷ cm s⁻¹. Dengan cangkang p 30 nm, perangkat AlGaAs/GaAs mencapai 10,4 % efisiensi, 8,42 % lebih tinggi dari 1,98 % dari NW radial GaAs murni.

a Profil pembuatan untuk perangkat radial dengan ketebalan cangkang p yang bervariasi. b Efisiensi versus ketebalan cangkang p untuk NW radial GaAs dan AlGaAs/GaAs.

Kesimpulan

Simulasi optoelektronik 3-D yang dikaitkan menunjukkan bahwa heterojungsi AlGaAs/GaAs secara efektif mempertahankan pembuatan cahaya di wilayah aktif, mengurangi kerugian rekombinasi di wilayah yang ter-dopecini tinggi, dan mencipta penghalang penangkap minoritas yang melindungi dari rekombinasi permukaan dan kontak. Untuk NW aksial, penggunaan AlGaAs memungkinkan segmen p-atas yang lebih panjang tanpa penalti performa, yang memudahkan pembuatan perangkat dan kontak listrik. NW radial mendapat manfaat dari toleransi yang lebih baik terhadap ketebalan cangkang p dan rekombinasi permukaan, mempertahankan efisiensi tinggi bahkan dalam kondisi SRV agresif. Secara keseluruhan, heterojungsi AlGaAs/GaAs merupakan strategi praktis dan berdampak tinggi untuk meningkatkan kinerja sel surya nanowawa GaAs.