Optimierung von GaAs-Nanodraht-Pin-Junction-Array-Solarzellen durch Verwendung von AlGaAs/GaAs-Heterojunctions

Hintergrund

GaAs-Nanodrähte (NWs) wurden als potenzielle Bausteine ​​für hocheffiziente Solarzellen angesehen [1,2,3]. Mit einer Bandlücke von 1,43 eV ist GaAs günstiger als Si, um die Effizienz von Solarzellen zu maximieren [4]. Eine Effizienz von 15,3% wurde mit einem GaAs-NW-Array mit axialen pn-Übergängen erreicht [5]. Aufgrund der Tatsache, dass GaAs-NW-Solarzellen jedoch immer unter ernsthaften Oberflächenrekombinationen leiden, ist eine Oberflächenpassivierung erforderlich, um eine zufriedenstellende Leistung zu erzielen [6, 7]. Eine übliche Methode zur Passivierung von GaAs-NW besteht darin, eine AlGaAs-Schale um den NW herum zu bilden, die große Barrieren sowohl für Elektronen als auch für Löcher in der gesamten Struktur erzeugt und verhindert, dass die Minoritätsträger an der Oberfläche rekombiniert werden [5, 8, 9].

Abgesehen von der Oberflächenpassivierung ist die Verbesserung der Lichtabsorption in den aktiven Bereichen auch eine wirksame Methode zur Verbesserung der Konversionseffizienz, die die Elektron-Loch-Trennung erleichtert. Bei NW-Solarzellen mit pn-Übergängen kann der optimierte Wirkungsgrad erreicht werden, indem der Übergang in der Nähe der Position platziert wird, an der die meisten Ladungsträger erzeugt werden [10,11,12], während bei Solarzellen mit pin-Übergang ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden kann, wenn mehr Ladungsträger können in den intrinsischen Regionen erzeugt werden [13,14,15,16,17]. Darüber hinaus kann durch Unterdrückung der optischen Erzeugung in kontaktnahen Bereichen die Zahl der in die Kontakte diffundierenden photogenerierten Minoritätsträger verringert werden [14, 17]. Es gibt viele Methoden, um die Lichtabsorption in aktiven Regionen zu verbessern, z Materialien mit hoher Bandlücke [17]. Für GaAs-NW-Solarzellen wurde häufig über die Verwendung von AlGaAs-Schalen als Passivierungsschichten berichtet. Der Fähigkeit von AlGaAs/GaAs-Heterostrukturen, photogenerierte Ladungsträger in den aktiven Regionen einzuschließen, wurde jedoch weniger Aufmerksamkeit geschenkt.

In diesem Beitrag haben wir die Leistung von GaAs-NW-Pin-Junction-Array-Solarzellen durch den Einsatz von AlGaAs/GaAs-Heteroübergängen optimiert. Sowohl axiale als auch radiale Verbindungen wurden untersucht. In den AlGaAs/GaAs-Pin-Heteroübergangsstrukturen wird AlGaAs für das obere Segment des p-Typs für axiale Übergänge und die äußere Hülle des p-Typs für radiale Übergänge verwendet. Aufgrund des relativ niedrigen Absorptionskoeffizienten von AlGaAs werden weniger Phototräger in den p-Bereichen erzeugt. Folglich sind mehr Phototräger in den i-Bereichen konzentriert. Daher kann der durch eine hohe Dotierungskonzentration verursachte Rekombinationsverlust unterdrückt werden. Darüber hinaus können die AlGaAs-Schichten mit hoher Bandlücke Minoritätsträger effektiv von den NW-Oberflächen oder Kontakten weg ablenken, um die Minoritätsträger-Rekombination zu verringern

Die AlGaAs/GaAs-Pin-Heterojunction-NW-Array-Solarzellen wurden durch eine gekoppelte dreidimensionale (3-D) optoelektronische Simulation untersucht und ihre Leistung wurde mit GaAs-NW-Arrays mit der gleichen Geometriestruktur verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Verwendung von AlGaAs für das p-Segment anstelle von GaAs der Wirkungsgrad von Solarzellen mit axialem Übergang sogar mit langen oberen p-Segmenten verbessert werden kann, während der Wirkungsgrad von Solarzellen mit radialem Übergang auf einem relativ hohen Wert gehalten werden kann mit sehr hohen Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten (SRVs).

Methoden

Das Schema der Solarzelle mit Pin-Übergang-Array aus GaAs-Nanodrähten und ihren Gegenstücken mit AlGaAs/GaAs-Heteroübergang ist in Fig. 1 dargestellt; jede Solarzelle enthält ein periodisches NW-Array, von dem nur ein einzelnes NW dargestellt ist. Um AlGaAs/GaAs-Heteroübergänge herzustellen, Al_0.8 Ga_0,2 B. für das obere Segment des p-Typs für axiale Pin-Übergänge und die äußere Hülle des p-Typs für radiale Pin-Übergänge verwendet wird; die anderen Bereiche der NWs bestehen aus GaAs. Die Dotierungskonzentration sowohl der p- als auch der n-Region beträgt 10 ¹⁸ cm ^− 3 . Der NW-Durchmesser und die NW-Länge betragen 180 nm und 1,2 µm, und die Array-Periode beträgt 360 nm; diese Geometrieparameter werden nach [18] gewählt, wobei die Lichtabsorption von GaAs-NW-Arrays durch Anpassung des D/P-Verhältnisses und des NW-Durchmessers optimiert wurde.

a Die schematischen Zeichnungen der GaAs-Nanodraht-Solarzelle mit axialem Pin-Übergang und seinem Gegenstück mit AlGaAs/GaAs-Heteroübergang. b Die schematischen Zeichnungen der Solarzelle mit radialem Pin-Übergang aus GaAs-Nanodrähten und ihrem Gegenstück mit AlGaAs/GaAs-Heteroübergang

Für die optische Berechnung verwenden wir das Softwarepaket FDTD Solutions (Lumerical, Inc.), um das Absorptionsprofil in den NWs zu berechnen. Durch Setzen periodischer Randbedingungen können die Simulationen unter Verwendung eines einzelnen NW durchgeführt werden, um die periodische Array-Struktur zu modellieren. Der komplexe Brechungsindex von GaAs und Al_0,8 Ga_0,2 Die in der Simulation verwendeten sind aus [19] entnommen. Die Anzahl der absorbierten Photonen an jedem Gitterpunkt wird aus dem Poynting-Vektor S berechnet, unter der Annahme, dass jedes absorbierte Photon ein Elektron-Loch-Paar erzeugt:

wobei ℏ die reduzierte Planck-Konstante ist, ω ist die Kreisfrequenz des einfallenden Lichts, E die elektrische Feldstärke an jedem Gitterpunkt ist und ε ″ ist der Imaginärteil der Permittivität. Um das für die elektrische Simulation verwendete optische Erzeugungsratenprofil zu erhalten, G _ph wird mit dem AM 1,5G Sonnenspektrum gewichtet und über das Simulationsspektrum integriert.

Für die elektrische Modellierung werden die optischen Erzeugungsprofile mit Synopsys Sentaurus in das Finite-Elemente-Netz der NWs integriert, das die Ladungsträgerkontinuitätsgleichungen gekoppelt mit der Poisson-Gleichung selbstkonsistent löst. Die dotierungsabhängige Mobilitäts-, Strahlungs-, Auger- und Shockley-Reed-Hall (SRH)-Rekombination werden bei der elektrischen Simulation der Vorrichtung berücksichtigt. Der Heteroübergang zwischen AlGaAs und GaAs wird mit dem thermionischen Emissionsmodell modelliert [20]. Die Elektronen- und Lochströme (J _n und J _p ) über die Heterostruktur kann wie folgt beschrieben werden:

wo a _n (a _p ) sind die thermionischen Stromkoeffizienten, q ist die Elementarladung, v _n (v _p ) ist die Emissionsgeschwindigkeit der Elektronen (Löcher), die wie folgt ausgedrückt werden kann:

und n (p ) ist die Elektronen(Loch)-Dichte und m_n (m_p ) ist die effektive Masse der Elektronen (Löcher). k _B ist die Boltzmann-Konstante und T ist die in der Simulation auf Raumtemperatur eingestellte Temperatur. Die Indizes 1 und 2 repräsentieren die Materialien mit den unteren bzw. höheren Leitungsbandkanten. ΔE _c und ΔE _v sind die Leitfähigkeits- und Valenzband-Offsets an der GaAs/AlGaAs-Grenzfläche. Wir gehen davon aus, dass die Grenzfläche zwischen AlGaAs und GaAs ohne zusätzliche Rekombinationszentren perfekt ist. Dies gilt in der Regel für die gitterangepasste Epitaxie von AlGaAs auf GaAs [21]. Oberflächenrekombination wird nur für die Grenzflächen zwischen Luft und NWs berücksichtigt. Die bei der Gerätesimulation verwendeten Parameter sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Auger-Koeffizienten, Strahlungsrekombinationskoeffizienten und SRH-Rekombinationslebensdauern von AlGaAs und GaAs sind gleich festgelegt [11, 12].

Ergebnisse und Diskussion

Die Absorptionseigenschaften der AlGaAs/GaAs-Heteroübergangs-NWs und GaAs-NWs sind in Fig. 2 gezeigt. Für axiale Übergangs-NWs betragen die Längen der oberen p-Gebiete und der unteren n-Gebiete 150 bzw. 200 nm. Für radiale Übergangs-NWs beträgt die Dicke der p-Typ-Schalen 20 nm und der Radius der inneren n-Bereiche beträgt 20 nm. Die Absorptionsspektren der AlGaAs/GaAs- und GaAs-NWs sind fast gleich, außer dass die Absorption der radialen AlGaAs/GaAs-Heteroübergangs-NWs bei Wellenlängen nahe der GaAs-Bandlücke abfällt. Bei Wellenlängen um 900 nm wird das Licht, das sich in den NWs ausbreitet, nahe der Seitenoberfläche konzentriert, während für den radialen AlGaAs/GaAs-Heteroübergang NW das Licht, das sich in der AlGaAs-Schale ausbreitet, nicht effektiv absorbiert werden kann. Abbildung 2b–d zeigt die Querschnitte der Erzeugungsprofile. Aufgrund der geringeren Absorptionsfähigkeit von AlGaAs wird nur ein kleiner Teil der Ladungsträger im AlGaAs-Bereich erzeugt; daher wird erwartet, dass der Rekombinationsverlust in der stark dotierten AlGaAs-Region nicht sehr gravierend ist. Bei AlGaAs/GaAs-NWs mit axialen Übergängen konzentriert sich der größte Teil der optischen Erzeugung an der AlGaAs/GaAs-Grenzfläche. Während bei AlGaAs/GaAs-NWs mit radialen Übergängen die meisten Phototräger im GaAs-Kern eingeschlossen und von der NW-Oberfläche weg blockiert sind; daher wird erwartet, dass der Oberflächenrekombinationsverlust unterdrückt wird. Gemäß unserer früheren Arbeit [15] machen für NW-Solarzellen mit pin-Übergängen die photogenerierten Ladungsträger in der i-Region den größten Teil der Effizienz aus; Daher extrahieren wir die optische Absorption im i-Bereich und berechnen die entsprechenden Absorptionsspektren. Sowohl für axiale als auch für radiale NWs kann eine höhere i-Region-Absorption in AlGaAs/GaAs-Heteroübergang-NWs dank der ineffektiven Absorption in p-Typ-AlGaAs-Regionen erreicht werden.

a Die Absorptionsspektren des GaAs-Nanodrahts und seiner AlGaAs/GaAs-Gegenstücke mit axialer und radialer Heterostruktur. Der vertikale Querschnitt der optischen Erzeugungsprofile in der b AlGaAs/GaAs-Nanodraht mit axialer Heterostruktur, c AlGaAs/GaAs-Nanodraht mit radialer Heterostruktur und d GaAs-Nanodraht. e Die Absorptionsspektren der intrinsischen Regionen in GaAs-Nanodraht-Solarzellen mit axialem Pin-Übergang und ihren AlGaAs/GaAs-Gegenstücken. f Die Absorptionsspektren der intrinsischen Regionen in GaAs-Nanodraht-Solarzellen mit radialem Pin-Übergang und ihren AlGaAs/GaAs-Gegenstücken

Die optischen Erzeugungsprofile werden in das elektrische Werkzeug integriert, um die potenzielle Erhöhung der Umwandlungseffizienz von Bauelementen durch AlGaAs/GaAs-Heteroübergänge zu untersuchen. Die Strom-Spannungs-Kennlinien der betrachteten Geräte werden berechnet und in Abb. 3 aufgetragen. Zwei typische SRVs, 10 ³ und 10 ⁷ cm/s, werden bei der Berechnung berücksichtigt, entsprechend NW-Flächen mit und ohne Eigenpassivierung [6, 8, 9]. Bei axialen Pin-Übergangs-NWs mit geringer Oberflächenrekombination steigt der Umwandlungswirkungsgrad von 11,6 auf 14,5%, indem AlGaAs für das p-Top-Segment anstelle von GaAs verwendet wird. Die Effizienzsteigerung wird hauptsächlich dem Fotostrom zugeschrieben, der von 18,9 auf 23,3 mA/cm ² . ansteigt bei Null-Bias. Ein ähnliches Phänomen wird in radialen NWs beobachtet; die Effizienz steigt von 10,8 auf 11,3 % durch die Verwendung von AlGaAs/GaAs-Heteroübergängen, wobei der Kurzschlussstrom von 22,6 auf 23,8 mA/cm ² . steigt . Bei hohem SRV wird die Leistung axialer NWs aufgrund der exponierten Oberfläche der i-Bereiche sowohl für AlGaAs/GaAs-NWs als auch für GaAs-NWs dramatisch beeinträchtigt. Die Verbesserung des Kurzschlussstroms ist jedoch in AlGaAs/GaAs-NWs selbst bei einem hohen SRV von 10 ⁷ . vorhanden cm/s, die von der unterdrückten Rekombination am oberen p-Bereich und am oberen Kontakt herrührt. Bei radialen AlGaAs/GaAs-NWs wird die Effizienz dank der AlGaAs-Schale, die die Phototräger in der i-Region einschließt und eine Barriere bildet, die sie davor schützt, die NW-Oberfläche zu erreichen, nur geringfügig durch die Oberflächenrekombination beeinflusst. Für GaAs radial NW sinkt die Effizienz von 10,8 auf 8,05 % mit einem SRV-Anstieg von 10 ³ bis 10 ⁷ cm/s und der Kurzschlussstrom sinkt von 22,6 auf 17,1 mA/cm ² .

Die Strom-Spannungs-Eigenschaften der GaAs- und AlGaAs/GaAs-Nanodrähte a axial und b Solarzellen mit radialem Pin-Übergang mit Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten von 10 ³ und 10 ⁷ cm/s

Es wurde berichtet, dass das Volumen stark dotierter Bereiche einen großen Einfluss auf die Umwandlungseffizienz hat, insbesondere für Bereiche, in denen eine starke optische Erzeugung auftreten kann. In dieser Arbeit wird die Leistung von NWs mit verschiedenen p-Gebietsvolumina untersucht. In 4a sind die optischen Erzeugungsprofile von axialen AlGaAs/GaAs-Übergangs-NWs mit unterschiedlichen p-Bereichslängen aufgetragen. Wenn die Länge des p-Bereichs von 50 bis 200 nm variiert, bewegt sich der Hotspot der optischen Erzeugung in Richtung des Bodens des NW, und die Mehrheit der optisch erzeugten Ladungsträger wird unterhalb des AlGaAs-Bereichs begrenzt. Die entsprechenden Umwandlungseffizienzen werden ebenfalls berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass bei niedrigem SRV die Zunahme der p-Bereichslänge keinen offensichtlichen Einfluss auf die Umwandlungseffizienz von AlGaAs/GaAs-NWs hat, obwohl die Gesamtabsorption mit zunehmendem AlGaAs-Volumen tendenziell abnimmt. Darüber hinaus hält der längere AlGaAs-Bereich die meisten Phototräger weiter vom oberen Kontakt entfernt, und es können weniger Minoritätsträger am Kontakt rekombiniert werden. Bei GaAs-NWs nimmt die Umwandlungseffizienz jedoch aufgrund der zunehmenden Anzahl von Phototrägern, die im oberen p-Bereich erzeugt werden, linear mit der Zunahme der Länge des p-Bereichs ab. Im Fall des hohen SRV steigt die Konversionseffizienz von AlGaAs/GaAs-NWs sogar mit der Länge des p-Bereichs, da die optische Erzeugung in AlGaAs im Zentrum des NW und weg von den Oberflächen konzentriert ist, was zu einer geringeren Oberflächenrekombination führt im Vergleich zu GaAs-Regionen. Aus der obigen Diskussion können wir schließen, dass unter Verwendung von AlGaAs für den oberen p-Bereich anstelle von GaAs ein relativ langer oberer Bereich verwendet werden kann, ohne die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung zu verschlechtern. Und bei NWs mit axialem Übergang könnte ein langer oberer Bereich die Herstellung und Kontaktierung von NW-Array-Solarzellen erleichtern.

a Der vertikale Querschnitt der optischen Erzeugungsprofile in AlGaAs/GaAs-Nanodraht-Solarzellen mit axialen Pin-Heteroübergang mit unterschiedlichen p -Regionslängen. b Die Umwandlungseffizienz von GaAs- und AlGaAs/GaAs-Nanodraht-Axialsolarzellen als Funktionen der p-Bereichslänge

Die Leistung radialer NWs mit unterschiedlichen p-Schalendicken wurde ebenfalls berechnet. Abbildung 5a zeigt die optischen Erzeugungsprofile der radialen AlGaAs/GaAs-NWs. Ähnlich wie in axialen NWs werden die meisten Phototräger in GaAs erzeugt. Die Umwandlungseffizienz von sowohl AlGaAs/GaAs- als auch GaAs-NWs nimmt mit zunehmender p-Schalendicke ab. Bei niedrigem SRV von 10 ³ cm/s ist der Effekt der Oberflächenrekombination nahezu vernachlässigbar; daher kommt die Effizienzverschlechterung hauptsächlich von der zunehmenden Anzahl von in der p-Schale erzeugten Phototrägern. AlGaAs/GaAs-NWs zeigen jedoch eine bessere Toleranz gegenüber der Dicke der p-Schalen, da der größte Teil der optischen Erzeugung in inneren GaAs-Gebieten beschränkt werden kann. Mit dem SRV steigt von 10 ³ bis 10 ⁷ cm/s wird die Konversionseffizienz von AlGaAs/GaAs-NWs nur geringfügig verringert, da die Phototräger durch AlGaAs-Schalen vor der Oberfläche geschützt sind. Und bei NWs mit dickeren AlGaAs-Schalen ist die Geräteleistung weniger beeinträchtigt, da weniger Ladungsträger die Oberfläche erreichen und dort rekombinieren können. Im Gegensatz dazu wird die Leistung von GaAs-NWs durch eine hohe Oberflächenrekombination ernsthaft beeinträchtigt, insbesondere in den Fällen dicker p-Schalen. Denn für GaAs radiale NWs können die in der p-Schale erzeugten Phototräger leicht an den Oberflächen rekombiniert werden. Bei einer p-Schalendicke von 30 nm beträgt die Konversionseffizienz von GaAs-NWs nur 1,98%, während die entsprechenden AlGaAs/GaAs-NWs eine Effizienz von 10,4% aufweisen, 8,42 % höher als die der GaAs-NWs.

a Der vertikale Querschnitt von optischen Erzeugungsprofilen in AlGaAs/GaAs-Nanodraht-Solarzellen mit radialen Pin-Heteroübergang mit unterschiedlichen p -Schalendicken. b Die Umwandlungseffizienz von GaAs- und AlGaAs/GaAs-Nanodraht-Radialsolarzellen als Funktionen der p-Schalendicke

Schlussfolgerungen

In dieser Arbeit verwenden wir eine gekoppelte optoelektronische 3-D-Simulation, um die Leistung von AlGaAs/GaAs- und GaAs-NW-Pin-Heterojunction-Array-Solarzellen zu untersuchen. Im Vergleich zu GaAs-NWs können AlGaAs/GaAs-NWs den größten Teil der optischen Erzeugung in den aktiven Gebieten begrenzen, den Rekombinationsverlust in den stark dotierten Gebieten verringern und Barrieren für Minoritätsträger bilden, die sie vor Oberflächen- oder Kontaktrekombination schützen. Für axiale AlGaAs/GaAs-NWs können wir durch die Verwendung von AlGaAs für den oberen p-Bereich anstelle von GaAs einen relativ langen oberen Bereich ohne Verschlechterung der Geräteleistung ermöglichen, was die Herstellung und Kontaktierung von NW-Solarzellen erleichtern könnte. Und für radiale NWs kann die Effizienz von AlGaAs/GaAs-NWs mit sehr hoher Oberflächenrekombination auf einem relativ hohen Wert gehalten werden. Aus dieser Studie können wir schließen, dass der Einsatz von AlGaAs/GaAs-Heteroübergängen eine effektive und praktische Methode ist, um die Leistung von GaAs-NW-Solarzellen zu verbessern.

Abkürzungen

3D:

Dreidimensional

NW:

Nanodraht

SRH:

Shockley-Reed-Hall

SRV:

Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit