Optimalisatie van GaAs Nanowire Pin Junction Array-zonnecellen met behulp van AlGaAs/GaAs Heterojunctions

Abstract

We hebben de prestaties van GaAs nanowire pin junction array-zonnecellen geoptimaliseerd door AlGaAs/GaAs-heterejuncties te introduceren. AlGaAs wordt gebruikt voor het p-type topsegment voor axiale verbindingen en de p-type buitenschaal voor radiale verbindingen. De AlGaAs dient niet alleen als passiveringslagen voor GaAs-nanodraden, maar beperkt ook de optische generatie in de actieve gebieden, waardoor het recombinatieverlies in zwaar gedoteerde gebieden en de recombinatie van minderheidsdragers bij het bovenste contact wordt verminderd. De resultaten laten zien dat de conversie-efficiëntie van GaAs-nanodraden aanzienlijk kan worden verbeterd door AlGaAs te gebruiken voor het p-segment in plaats van GaAs. In deze studie is een maximale efficiëntieverbetering van 8,42% bereikt. En voor axiale nanodraad kan, door AlGaAs te gebruiken voor het bovenste p-segment, een relatief lang topsegment worden gebruikt zonder de prestaties van het apparaat te verslechteren, wat de fabricage en het contact maken van nanodraadarray-zonnecellen zou kunnen vergemakkelijken. Terwijl voor radiale nanodraden AlGaAs/GaAs-nanodraden een betere tolerantie vertonen voor p-schildikte en oppervlakteconditie.

Achtergrond

GaAs-nanodraden (NW's) zijn beschouwd als potentiële bouwstenen voor hoogrenderende zonnecellen [1,2,3]. Met een bandgap van 1,43 eV is GaAs gunstiger dan Si voor het maximaliseren van de efficiëntie van zonnecellen [4]. Een efficiëntie van 15,3% is bereikt door een GaAs NW-array met axiale pn-overgangen [5]. Omdat GaAs NW-zonnecellen echter altijd last hebben van ernstige oppervlakterecombinatie, is oppervlaktepassivering noodzakelijk om bevredigende prestaties te bereiken [6, 7]. Een veelgebruikte methode voor GaAs NW-passivering is om een AlGaAs-schil rond het NW te vormen, die grote barrières creëert voor zowel elektronen als gaten door de hele structuur, waardoor wordt voorkomen dat de minderheidsdragers opnieuw worden gecombineerd aan het oppervlak [5, 8, 9].

Behalve oppervlaktepassivering, is het verbeteren van de lichtabsorptie in de actieve gebieden ook een effectieve methode om de conversie-efficiëntie te verbeteren, wat de elektron-gat-scheiding vergemakkelijkt. Voor NW-zonnecellen met pn-juncties kan het geoptimaliseerde rendement worden bereikt door de junctie te plaatsen in de buurt van de positie waar de meeste dragers worden gegenereerd [10,11,12], terwijl voor pin-junctiezonnecellen een hoger rendement kan worden bereikt als meer dragers kan worden gegenereerd in de intrinsieke regio's [13,14,15,16,17]. Bovendien kan het aantal fotogenereerde minderheidsdragers dat in de contacten diffundeert, worden verminderd door de optische generatie in gebieden nabij de contacten te onderdrukken [14, 17]. Er zijn veel methoden om de lichtabsorptie in actieve gebieden te verbeteren, zoals het aanpassen van knooppuntposities of lengtes [13, 14], het gebruik van hellende NW's [15], het verfraaien van het actieve gebied met metaaldeeltjes [16], of het fabriceren van de zwaar gedoteerde gebieden met materialen met een hoge bandgap [17]. Voor GaAs NW-zonnecellen is algemeen gerapporteerd over het gebruik van AlGaAs-schillen als passiveringslagen. Er is echter minder aandacht besteed aan het vermogen van AlGaAs/GaAs-heterostructuren om fotogegenereerde dragers in de actieve regio's op te sluiten.

In dit artikel hebben we de prestaties van GaAs NW pin junction array-zonnecellen geoptimaliseerd door gebruik te maken van AlGaAs/GaAs-heterojuncties. Zowel axiale als radiale verbindingen zijn onderzocht. In de AlGaAs/GaAs pin heterojunctie structuren wordt AlGaAs gebruikt voor het p-type topsegment voor axiale juncties en de p-type buitenste schil voor radiale juncties. Door de relatief lage absorptiecoëfficiënt van AlGaAs worden er minder fotodragers gegenereerd in de p-regio's. Daardoor zijn er meer fotodragers geconcentreerd in de i-regio's. Daarom kan het recombinatieverlies dat wordt veroorzaakt door een hoge doteringsconcentratie worden onderdrukt. Bovendien kunnen de AlGaAs-lagen met een hoge bandafstand effectief minderheidsdragers afbuigen van de NW-oppervlakken of contacten om de recombinatie van minderheidsdragers te verminderen.

De AlGaAs/GaAs pin heterojunction NW array zonnecellen zijn onderzocht door een gekoppelde driedimensionale (3-D) opto-elektronische simulatie, en hun prestaties zijn vergeleken met GaAs NW arrays met dezelfde geometrische structuren. De resultaten laten zien dat, door AlGaAs te gebruiken voor het p-segment in plaats van GaAs, het rendement van zonnecellen met axiale junctie kan worden verbeterd, zelfs met lange bovenste p-segmenten, terwijl voor zonnecellen met radiale junctie het rendement op een relatief hoge waarde kan worden gehouden met zeer hoge oppervlakte-recombinatiesnelheden (SRV's).

Methoden

Het schema van de GaAs nanowire pin junction array zonnecel en zijn tegenhangers van AlGaAs/GaAs heterojunction worden geïllustreerd in figuur 1; elke zonnecel bevat een periodiek NW-array, waarvan slechts één NW wordt getoond. Om AlGaAs/GaAs heterojuncties te fabriceren, Al_0,8 Ga_0,2 Zoals wordt gebruikt voor het bovenste p-type segment voor axiale penovergangen en de buitenste p-type schaal voor radiale penovergangen; de andere regio's van de NW's zijn gemaakt van GaAs. De dopingconcentratie van zowel de p- als de n-regio is 10¹⁸ cm^− 3 . De NW-diameter en lengte zijn 180 nm en 1,2 m, en de arrayperiode is 360 nm; deze geometrieparameters zijn gekozen volgens [18], waar de lichtabsorptie van GaAs NW-arrays is geoptimaliseerd door de D/P-verhouding en NW-diameter aan te passen.

een De schematische tekeningen van de GaAs nanodraad axiale pin junctie zonnecel en zijn tegenhanger AlGaAs/GaAs heterojunctie. b De schematische tekeningen van de GaAs nanodraad-zonnecel met radiale pinovergang en zijn tegenhanger van AlGaAs/GaAs-heterojunctie

Voor optische berekening gebruiken we het softwarepakket FDTD Solutions (Lumerical, Inc.) om het absorptieprofiel in de NW's te berekenen. Door periodieke randvoorwaarden te plaatsen, kunnen de simulaties worden uitgevoerd met behulp van een enkele NW om de periodieke array-structuur te modelleren. De complexe brekingsindex van GaAs en Al_0,8 Ga_0,2 Zoals gebruikt in de simulatie zijn overgenomen uit [19]. Het aantal geabsorbeerde fotonen op elk roosterpunt wordt berekend uit de Poynting-vector S, ervan uitgaande dat elk geabsorbeerd foton één elektron-gatpaar genereert:

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

waarbij ℏ de gereduceerde constante van Planck is, ω is de hoekfrequentie van het invallende licht, E is de elektrische veldintensiteit op elk roosterpunt, en ε ″ is het denkbeeldige deel van de permittiviteit. Om het optische generatiesnelheidsprofiel te verkrijgen dat wordt gebruikt voor elektrische simulatie, G _ph wordt gewogen door het AM 1.5G zonnespectrum en geïntegreerd over het simulatiespectrum.

Voor de elektrische modellering worden de optische generatieprofielen opgenomen in het eindige-elementennetwerk van de NW's met behulp van Synopsys Sentaurus, dat de continuïteitsvergelijkingen van de vervoerder gekoppeld aan de Poisson-vergelijking zelfconsistent oplost. De dopingafhankelijke mobiliteit, straling, Auger en Shockley-Reed-Hall (SRH) recombinatie worden in aanmerking genomen in de elektrische simulatie van het apparaat. De heterojunctie tussen AlGaAs en GaAs is gemodelleerd met behulp van het thermionische emissiemodel [20]. De elektronen- en gatenstromen (J _n en J _p ) over de heterostructuur kan worden beschreven als:

$$ {J}_n={a}_nq\left[{v}_{n,2}{n}_2-\frac{m_{n,2}}{m_{n,1}}{v}_ {n,1}{n}_1\exp \left(-\frac{\varDelta {E}_c}{k_BT}\right)\right] $$ (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)

waar a _n (een _p ) is de thermionische stroomcoëfficiënten, q is de elementaire lading, v _n (v _p ) is de emissiesnelheid van de elektronen (gaten), die als volgt kan worden uitgedrukt:

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

en n (p ) is de elektronen(gat)dichtheid, en m_n (m_p ) is de effectieve massa van de elektronen (gaten). k _B is de Boltzmann-constante, en T is de temperatuur die in de simulatie is ingesteld als kamertemperatuur. De subscripts 1 en 2 vertegenwoordigen de materialen met respectievelijk de lagere en hogere geleidingsbandranden. ΔE _c en ΔE _v zijn de geleidende en valentieband-offsets bij de GaAs/AlGaAs-interface. We nemen aan dat de interface tussen AlGaAs en GaAs perfect is zonder extra recombinatiecentra. Dit is meestal geldig voor de rooster-gematchte epitaxie van AlGaAs op GaAs [21]. Oppervlakte-recombinatie wordt alleen overwogen voor de interfaces tussen lucht en NW's. De parameters die in de apparaatsimulatie worden gebruikt, staan vermeld in Tabel 1. De Auger-coëfficiënten, stralingsrecombinatiecoëfficiënten en SRH-recombinatielevensduren van AlGaAs en GaAs zijn hetzelfde ingesteld [11, 12].

Resultaten en discussie

De absorptie-eigenschappen van de AlGaAs / GaAs heterojunctie NW's en GaAs NW's worden getoond in Fig. 2. Voor axiale junctie NW's zijn de lengtes van de bovenste p-regio's en onderste n-regio's respectievelijk 150 en 200 nm. Voor radiale junctie NW's is de dikte van p-type schelpen 20 nm en is de straal van de binnenste n-gebieden 20 nm. De absorptiespectra van de AlGaAs/GaAs en GaAs NW's zijn bijna hetzelfde, behalve dat de absorptie van AlGaAs/GaAs radiale heterojunctie NW's daalt bij golflengten in de buurt van de GaAs-bandgap. Bij golflengten rond 900 nm is het licht dat zich voortplant in de NW's geconcentreerd nabij het zijoppervlak, terwijl voor de AlGaAs/GaAs radiale heterojunctie NW het licht dat zich voortplant in de AlGaAs-schaal niet effectief kan worden geabsorbeerd. Figuur 2b–d toont de dwarsdoorsneden van de generatieprofielen. Vanwege het lagere absorptievermogen van AlGaAs wordt slechts een klein deel van de dragers gegenereerd in het AlGaAs-gebied; daarom wordt verwacht dat het recombinatieverlies in het zwaar gedoteerde AlGaAs-gebied niet erg ernstig is. Voor AlGaAs/GaAs NW's met axiale juncties concentreert het grootste deel van de optische generatie zich op het AlGaAs/GaAs-interface. Terwijl voor AlGaAs/GaAs NW's met radiale knooppunten de meeste fotodragers zijn opgesloten in de GaAs-kern en worden geblokkeerd van het NW-oppervlak; dus wordt verwacht dat het oppervlakterecombinatieverlies wordt onderdrukt. Volgens ons eerdere werk [15] zijn voor NW-zonnecellen met pinovergangen de foto-gegenereerde dragers in de i-regio verantwoordelijk voor het grootste deel van de efficiëntie; daarom extraheren we de optische absorptie in het i-gebied en berekenen we de overeenkomstige absorptiespectra. Voor zowel axiale als radiale NW's kan een hogere i-regio-absorptie worden bereikt in AlGaAs/GaAs heterojunctie NW's dankzij de ineffectieve absorptie in p-type AlGaAs-regio's.

een De absorptiespectra van de GaAs-nanodraad en zijn AlGaAs/GaAs-tegenhangers met axiale en radiale heterostructuren. De verticale doorsnede van optische generatieprofielen in de b AlGaAs/GaAs axiale heterostructuur nanodraad, c AlGaAs/GaAs radiale heterostructuur nanodraad, en d GaAs nanodraad. e De absorptiespectra van de intrinsieke regio's in GaAs nanodraad-zonnecellen met axiale pinovergangen en zijn AlGaAs/GaAs-tegenhangers. v De absorptiespectra van de intrinsieke regio's in GaAs-zonnecellen met radiale pinovergangen met nanodraad en hun AlGaAs/GaAs-tegenhangers

De optische generatieprofielen zijn opgenomen in het elektrische gereedschap om de potentiële toename van de conversie-efficiëntie van apparaten te onderzoeken die wordt veroorzaakt door AlGaAs/GaAs-heterojuncties. De stroom-spanningskarakteristieken van de beschouwde apparaten worden berekend en uitgezet in Fig. 3. Twee typische SRV's, 10³ en 10⁷ cm/s, worden in aanmerking genomen tijdens de berekening, overeenkomend met NW-oppervlakken met en zonder juiste passivering [6, 8, 9]. Voor axiale pinovergangen NW's met lage oppervlakterecombinatie, door AlGaAs te gebruiken voor het p topsegment in plaats van GaAs, stijgt de conversie-efficiëntie van 11,6 naar 14,5%. De verbetering van de efficiëntie wordt voornamelijk toegeschreven aan de fotostroom, die stijgt van 18,9 naar 23,3 mA/cm² bij nul bias. Een soortgelijk fenomeen wordt waargenomen in radiale NW's; het rendement stijgt van 10,8 naar 11,3% door gebruik te maken van AlGaAs/GaAs heterojuncties, waarbij de kortsluitstroom toeneemt van 22,6 tot 23,8 mA/cm² . Met een hoge SRV worden de prestaties van axiale NW's dramatisch beschadigd voor zowel AlGaAs / GaAs NW's als GaAs NW's vanwege het blootgestelde oppervlak van de i-regio's. De verbetering van de kortsluitstroom bestaat echter nog steeds in AlGaAs/GaAs NW's, zelfs met een hoge SRV van 10⁷ cm/s, die afkomstig is van de onderdrukte recombinatie in het bovenste p-gebied en het bovenste contact. Voor AlGaAs/GaAs radiale NW's wordt de efficiëntie slechts in geringe mate beïnvloed door de oppervlakterecombinatie dankzij de AlGaAs-schaal, die de fotodragers in de i-regio opsluit en een barrière vormt die hen beschermt tegen het bereiken van het NW-oppervlak. Terwijl voor GaAs radiaal NW het rendement afneemt van 10,8 naar 8,05%, terwijl SRV toeneemt van 10³ tot 10⁷ cm/s, en de kortsluitstroom neemt af van 22,6 naar 17,1 mA/cm² .

De stroom-spanningskarakteristieken van de GaAs en AlGaAs/GaAs nanodraad a axiaal en b radiale pin junction zonnecellen met oppervlakterecombinatiesnelheden van 10³ en 10⁷ cm/s

Er is gemeld dat het volume van het zwaar gedoteerde gebied grote invloed heeft op de conversie-efficiëntie, vooral voor de regio's waar sterke optische generatie kan optreden. In dit werk wordt de prestatie van NW's met verschillende p-regiovolumes onderzocht. In Fig. 4a zijn de optische generatieprofielen van axiale AlGaAs / GaAs-junctie NW's met verschillende p-regiolengten uitgezet. Aangezien de lengte van het p-gebied varieert van 50 tot 200 nm, beweegt de hotspot voor optische generatie naar de bodem van het NW, en de meeste optisch gegenereerde dragers zijn beperkt tot onder het AlGaAs-gebied. Ook de bijbehorende conversie-efficiëntie wordt berekend. De resultaten laten zien dat, met een lage SRV, de toename van de lengte van het p-gebied geen duidelijke invloed heeft op de conversie-efficiëntie van AlGaAs/GaAs NW's, hoewel de algehele absorptie de neiging heeft af te nemen met het toenemende AlGaAs-volume. Bovendien houdt een langer AlGaAs-gebied de meeste fotodragers verder weg van het bovenste contact, en kunnen minder minderheidsdragers opnieuw worden gecombineerd bij het contact. Voor GaAs NW's neemt de conversie-efficiëntie echter lineair af met de toename van de lengte van het p-gebied, vanwege het toenemende aantal fotodragers dat in het bovenste p-gebied wordt gegenereerd. In het geval van de hoge SRV neemt de conversie-efficiëntie van AlGaAs/GaAs NW's zelfs toe met de lengte van het p-gebied, omdat de optische generatie in AlGaAs is geconcentreerd in het midden van het NW en weg van de oppervlakken, wat leidt tot een lagere recombinatie van het oppervlak vergeleken met GaAs-regio's. Uit de bovenstaande discussie kunnen we concluderen dat, door AlGaAs te gebruiken voor het bovenste p-gebied in plaats van GaAs, een relatief lang bovenste gebied kan worden gebruikt zonder de prestaties van het apparaat te verslechteren. En voor NW's met axiale junctie zou een lang bovengebied de fabricage en het contact maken van NW-array-zonnecellen kunnen vergemakkelijken.

een De verticale dwarsdoorsnede van optische generatieprofielen in AlGaAs/GaAs nanodraad axiale pin heterojunctie zonnecellen met verschillende p -regio lengtes. b De conversie-efficiëntie van GaAs en AlGaAs/GaAs nanodraad axiale zonnecellen als functies van p-regio lengte

De prestatie van radiale NW's met verschillende p-schaaldiktes is ook berekend. Figuur 5a toont de optische generatieprofielen van de AlGaAs/GaAs radiale NW's. Vergelijkbaar met die in axiale NW's, worden de meeste fotodragers gegenereerd in GaAs. De conversie-efficiëntie van zowel AlGaAs/GaAs als GaAs NW's neemt af met de toenemende p-schildikte. In het geval van een lage SRV van 10³ cm/s, het effect van oppervlakterecombinatie is bijna te verwaarlozen; dus de achteruitgang van de efficiëntie komt voornamelijk van het toenemende aantal fotodragers dat in de p-schaal wordt gegenereerd. AlGaAs/GaAs NW's vertonen echter een betere tolerantie voor de dikte van de p-schil, aangezien het grootste deel van de optische generatie kan worden beperkt in binnenste GaAs-gebieden. Met de SRV stijgt van 10³ tot 10⁷ cm/s, wordt de conversie-efficiëntie van AlGaAs/GaAs NW's slechts licht verlaagd, omdat de fotodragers worden beschermd door AlGaAs-schillen van het oppervlak. En voor NW's met dikkere AlGaAs-omhulsels, omdat minder dragers het oppervlak kunnen bereiken en opnieuw kunnen combineren, zijn de prestaties van het apparaat minder gedegenereerd. Integendeel, de prestaties van GaAs NW's worden ernstig beschadigd door hoge oppervlakterecombinatie, vooral in het geval van dikke p-schillen. Omdat voor GaAs radiale NW's de fotodragers die in de p-schaal worden gegenereerd, gemakkelijk aan de oppervlakken kunnen worden gerecombineerd. Met een p-schildikte van 30 nm is de conversie-efficiëntie van GaAs NW's slechts 1,98%, terwijl de overeenkomstige AlGaAs/GaAs NW's een efficiëntie van 10,4% laten zien, 8,42% hoger dan die van de GaAs NW's.

een De verticale dwarsdoorsnede van optische generatieprofielen in AlGaAs/GaAs nanodraad radiale pin heterojunctie zonnecellen met verschillende p -schaaldiktes. b De conversie-efficiëntie van GaAs en AlGaAs/GaAs nanodraad-radiale zonnecellen als functies van p-schildikte

Conclusies

In dit werk gebruiken we een gekoppelde 3D opto-elektronische simulatie om de prestaties van AlGaAs/GaAs en GaAs NW pin heterojunction array-zonnecellen te onderzoeken. In vergelijking met GaAs NW's kunnen AlGaAs/GaAs NW's het grootste deel van de optische generatie in de actieve gebieden beperken, waardoor het recombinatieverlies in de zwaar gedoteerde gebieden wordt verminderd, en barrières vormen voor minderheidsdragers, waardoor ze worden beschermd tegen oppervlakte- of contactrecombinatie. Voor AlGaAs/GaAs axiale NW's kunnen we, door AlGaAs te gebruiken voor het bovenste p-gebied in plaats van GaAs, een relatief lang bovenste gebied toestaan zonder degeneratie van de apparaatprestaties, wat de fabricage en het contact maken van NW-zonnecellen zou kunnen vergemakkelijken. En voor radiale NW's kan de efficiëntie van AlGaAs/GaAs NW's op een relatief hoge waarde worden gehouden met een zeer hoge oppervlakterecombinatie. Uit deze studie kunnen we concluderen dat het gebruik van AlGaAs/GaAs-heterojuncties een effectieve en praktische methode is om de prestaties van GaAs NW-zonnecellen te verbeteren.

Afkortingen

3D:: Driedimensionaal
NW:: Nanodraad
SRH:: Shockley-Reed-Hall
SRV:: Oppervlakte recombinatie snelheid

Enkelwandige koolstof nanobuis gedomineerde micron-brede streeppatroon-gebaseerde ferro-elektrische veldeffect transistoren met HfO2-defect controlelaag Analyse van Bi-distributie in epitaxiale GaAsBi door aberratie-gecorrigeerde HAADF-STEM

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal