eng
Выпуск #3/2024
Е. Плотникова, А. Арсентьев, А. Винокуров
МОДЕЛИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА С РЕГУЛЯРНЫМ РЕЛЬЕФОМ ПОВЕРХНОСТИ СТРУКТУРЫ В САПР ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УРОВНЯ
МОДЕЛИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА С РЕГУЛЯРНЫМ РЕЛЬЕФОМ ПОВЕРХНОСТИ СТРУКТУРЫ В САПР ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УРОВНЯ
Просмотры: 491
DOI: 10.22184/1992-4178.2024.234.3.188.195
Один из перспективных методов повышения выходных характеристик солнечных элементов (СЭ) – текстурирование поверхности. В статье сравниваются СЭ с различной геометрией
поверхности; с помощью САПР технологического уровня TCAD выполнено моделирование вольт-амперных характеристик и расчет максимальной мощности исследуемых структур.
Один из перспективных методов повышения выходных характеристик солнечных элементов (СЭ) – текстурирование поверхности. В статье сравниваются СЭ с различной геометрией
поверхности; с помощью САПР технологического уровня TCAD выполнено моделирование вольт-амперных характеристик и расчет максимальной мощности исследуемых структур.
Теги: current-voltage characteristics simulation solar cell surface texturing tcad technology level cad моделирование вольт-амперных характеристик сапр технологического уровня tcad солнечный элемент текстурирование поверхности
Моделирование солнечного элемента с регулярным рельефом поверхности структуры в САПР технологического уровня
Е. Плотникова, к.т.н., А. Арсентьев, к.т.н., А. Винокуров, к.т.н.
Один из перспективных методов повышения выходных характеристик солнечных элементов (СЭ) – текстурирование поверхности. Современные технологии позволяют создавать поверхности с рельефом различной формы, что позволяет улучшить эффективность СЭ. В статье сравниваются СЭ с различной геометрией поверхности, начиная с классического плоского и заканчивая наиболее эффективным СЭ с поверхностью в виде микроскопических пирамид, разделенных плоскими областями. Для каждой структуры в САПР технологического уровня TCAD настраивались специфические параметры материалов, после чего проводилось моделирование вольт-амперных характеристик
и рассчитывалась максимальная мощность исследуемых структур.
Введение
Основным материалом, из которого на протяжении многих лет изготавливают СЭ, является кремний [1, 2]. Изначально использовался монокристаллический кремний, впоследствии – поликристаллический и аморфный кремний. Кроме кремния, перспективными признаны GaAs и твердые растворы на его основе, структуры CIS (CuInSe2) и CIGS (Cu(In, Ga)Se2), прозрачные металлооксиды (ITO), органика и др. [3]. Разрабатываются также твердые и гибкие структуры, пригодные для использования на рельефных поверхностях [4]. Поверхность ячейки в классическом исполнении гладкая, покрытая защитными светопрозрачными пленками. В зависимости от структуры СЭ пленка может быть диэлектрической и проводящей [5].
Для повышения выходной мощности, а следовательно, и эффективности СЭ применяют различные методы изменения его структуры. Один из таких методов – придание поверхности СЭ рельефа [6, 7].
Современные технологии позволяют создавать рельеф поверхности СЭ различной формы. Среди поликристаллических структур одним из основных методов повышения эффективности служит использование текстурированной поверхности, на которую наносятся рабочие слои материалов. Сравним электрофизические модели плоского СЭ и СЭ с текстурированными поверхностями различных типов. Обычно поверхность СЭ модифицируют следующим образом: создают крупные пики, мелкие пики, прямоугольные выступы и выступы в виде трапеции.
Исследование структур СЭ
В данной работе рассматривается моделирование солнечного элемента на подложке из кремния, легированного бором (с концентрацией 1014 см–3). С обратной стороны формируется сильнолегированная область для контакта анода (1018 см–3). Нижний контакт напыляется из прозрачного проводящего металлооксида ITO (толщиной 0,5 мкм). В верхней части кристалла методом ионной имплантации фосфора создается область p-типа проводимости (1020 см–3 на поверхности) толщиной порядка 0,5 мкм. На нее наносится тонкий прозрачный проводящий слой катода из ITO (толщиной 0,1 мкм).
Размеры базовой плоской тестовой 2D-структуры составляют 2 мкм по ширине и 6 мкм в высоту (рис. 1). Для моделирования глубина структуры берется равной 2 мкм (рассматривается квадрат поверхности).
Для формирования рельефа на поверхности структуры перед процессом ионной имплантации вытравливаются области правильной геометрической формы – пирамиды и параллелепипеды различной глубины и высоты стенок (табл. 1).
В ходе исследований перспективной признана структура с пиками пирамидальной формы с высотой пика 0,5 мкм, шириной пика 3 мкм и шириной долины 1 мкм (рис. 2).
Для каждой структуры в САПР TCAD настраивались специфические параметры материалов. Для кремния была задана подвижность носителей заряда, типичная для поликристаллического материала солнечных элементов (mun = 20, mup = 1,5). Заданы ширина запрещенной зоны (eg300 = 1,9) и концентрация собственных носителей заряда (nc300 = 2,5e20, nv300 = 2,5e20). Для расчета спектральных характеристик ITO к модели прикреплялась таблица из базы Sopra. Полученная структура СЭ сохранялась для дальнейшего анализа.
Далее проводилось моделирование вольт-амперных характеристик построенных структур. Для расчета использовались стандартные модели Шокли – Рида – Холла и рекомбинации Оже.
На таких условиях (без освещения) для каждого типа поверхности СЭ была рассчитана темновая ВАХ в диапазоне от 0 до 2 В с шагом 0,1 В, которая бралась за основу для дальнейшего расчета характеристик СЭ при освещении.
Предполагалось, что световой поток соответствовал спектру АМ1.5. Источник излучения находился над серединой структуры. Анализировались длины волн от 0,3
до 1,2 мкм. Данные об изменении интенсивности использовались для дальнейшего анализа характеристик СЭ.
После настройки параметров светового излучения был проведен расчет ВАХ СЭ при его освещении (в диапазоне от 0 до 2 В с шагом 0,1 В). Результаты моделирования для плоского СЭ и СЭ, показавшего наилучшие характеристики, приведены на рис. 3.
При моделировании рассчитывались основные параметры, по которым можно судить о характеристиках солнечных элементов. Были определены ток короткого замыкания (Isc) и напряжение холостого хода (Voc). Ток короткого замыкания определялся на кривой ВАХ при освещении в точке нулевого значения на оси Х. Напряжение холостого хода определялось при нуле на оси Y.
Мощность СЭ рассчитывалась на основе данных ВАХ при освещении и являлась определяющим параметром для дальнейшего анализа эффективности СЭ.
Обсуждение результатов моделирования
Изменение структуры поверхности СЭ (см. рис. 2) увеличивает его эффективную площадь, но оставляет исходные размеры ячейки. При изменении формы рельефа поверхности меняется процент поглощенного и отраженного излучения. Были исследованы пять типов рельефа поверхности (табл. 2). Результаты сравнивались между собой и с исходной плоской пластиной СЭ.
Эксперимент показал, что при формировании прямоугольных канавок максимальная мощность (Рmax), выдаваемая СЭ, ухудшилась по сравнению с плоской структурой (1,51∙10–9 Вт в случае прямоугольного рельефа СЭ и 2,01∙10–9 Вт – на плоском СЭ).
Когда на поверхности формировалась зубчатая структура с различным размером зубцов, максимальная мощность возрастала на 0,1∙10–9 Вт по сравнению с плоским. Аналогичный рост продемонстрировали и другие конфигурации рельефа (структуры 1–3 в табл. 1 и 2).
Наилучший результат из всех построенных структур показал солнечный элемент с мелкими пиками на поверхности структуры (структура 1 в табл. 1 и 2). Подбор угла при вершине пирамиды обеспечил наибольшее поглощение падающего света (рис. 4).
Анализируемыми параметрами для определения наиболее эффективного СЭ служили его мощность (рис. 5), ток короткого замыкания, напряжение холостого хода (см. табл. 2) и ВАХ (см. рис. 3).
Видно, что для всех структур напряжение холостого хода оставалось практически неизменным, тогда как ток короткого замыкания менялся в значительной степени. Следовательно, менялась форма ВАХ и кривая мощности. На рис. 3 и 5 сравниваются исходный плоский СЭ и наиболее оптимизированный СЭ с мелкими пиками.
Расхождения значений соответствуют рассчитанным величинам тока короткого замыкания.
Заключение
Лучшие показатели по мощности продемонстрировали СЭ с мелкими и крупными пиками, получив при этом выигрыш в мощности в 7,5 и 7%, соответственно, по сравнению с плоской структурой. Иные варианты поверхности также дают повышение мощности из-за увеличения эффективной площади поверхности на единицу длины СЭ, а также из-за оптимального отражения и поглощения, правда не в столь значительной степени.
ЛИТЕРАТУРА
Симашкевич А.В., Шербан Д.А., Брук Л.И., Харя Е.Е., Усатый Ю.В. Эффективные солнечные элементы ITO-nSi с текстурированной поверхностью кремния // Электронная обработка материалов. 2011. Т. 47. № 3. С. 79–84.
Heng J.B., Fu J., Kong B., Chae Y., Weng W., Xie Z., Reddy A., Lam K. et al. High-Efficiency Tunnel Oxide Junction Bifacial Solar Cell With Electroplated Cu Gridlines // IEEE Journal of Photovoltaics, 2015. Vol. 5. No. 1. PP. 82–86.
Hovel H.J., Willardson R.K., Beer A.C. Semiconductors and Semimetals. Solar cells //Academic Press. New York, 1975. 254 p.
Green M.A. Thin-film solar cells: review of materials, technologies and commercial status // Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2007. Vol. 18. No. 1. PP. 15–19.
Chopra K.L., Paulson P.D., Dutta V. Thin-film solar cells: an overview // Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2004. Vol. 12. No. 23. PP. 69–92.
Haase C., Stiebig H. Thin-film Silicon Solar Cells with Efficient Periodic Light Trapping Texture //
Applied Physics Letters, 2007. Vol. 91. No. 6. 061116.
Shota H., Takashi M., Hideyuki T., Yoshihiro H. Influence of Texture Feature Size on Spherical Silicon Solar Cells // Rare Metals, 2006. Vol. 25. No. 6. PP. 115–120.
Е. Плотникова, к.т.н., А. Арсентьев, к.т.н., А. Винокуров, к.т.н.
Один из перспективных методов повышения выходных характеристик солнечных элементов (СЭ) – текстурирование поверхности. Современные технологии позволяют создавать поверхности с рельефом различной формы, что позволяет улучшить эффективность СЭ. В статье сравниваются СЭ с различной геометрией поверхности, начиная с классического плоского и заканчивая наиболее эффективным СЭ с поверхностью в виде микроскопических пирамид, разделенных плоскими областями. Для каждой структуры в САПР технологического уровня TCAD настраивались специфические параметры материалов, после чего проводилось моделирование вольт-амперных характеристик
и рассчитывалась максимальная мощность исследуемых структур.
Введение
Основным материалом, из которого на протяжении многих лет изготавливают СЭ, является кремний [1, 2]. Изначально использовался монокристаллический кремний, впоследствии – поликристаллический и аморфный кремний. Кроме кремния, перспективными признаны GaAs и твердые растворы на его основе, структуры CIS (CuInSe2) и CIGS (Cu(In, Ga)Se2), прозрачные металлооксиды (ITO), органика и др. [3]. Разрабатываются также твердые и гибкие структуры, пригодные для использования на рельефных поверхностях [4]. Поверхность ячейки в классическом исполнении гладкая, покрытая защитными светопрозрачными пленками. В зависимости от структуры СЭ пленка может быть диэлектрической и проводящей [5].
Для повышения выходной мощности, а следовательно, и эффективности СЭ применяют различные методы изменения его структуры. Один из таких методов – придание поверхности СЭ рельефа [6, 7].
Современные технологии позволяют создавать рельеф поверхности СЭ различной формы. Среди поликристаллических структур одним из основных методов повышения эффективности служит использование текстурированной поверхности, на которую наносятся рабочие слои материалов. Сравним электрофизические модели плоского СЭ и СЭ с текстурированными поверхностями различных типов. Обычно поверхность СЭ модифицируют следующим образом: создают крупные пики, мелкие пики, прямоугольные выступы и выступы в виде трапеции.
Исследование структур СЭ
В данной работе рассматривается моделирование солнечного элемента на подложке из кремния, легированного бором (с концентрацией 1014 см–3). С обратной стороны формируется сильнолегированная область для контакта анода (1018 см–3). Нижний контакт напыляется из прозрачного проводящего металлооксида ITO (толщиной 0,5 мкм). В верхней части кристалла методом ионной имплантации фосфора создается область p-типа проводимости (1020 см–3 на поверхности) толщиной порядка 0,5 мкм. На нее наносится тонкий прозрачный проводящий слой катода из ITO (толщиной 0,1 мкм).
Размеры базовой плоской тестовой 2D-структуры составляют 2 мкм по ширине и 6 мкм в высоту (рис. 1). Для моделирования глубина структуры берется равной 2 мкм (рассматривается квадрат поверхности).
Для формирования рельефа на поверхности структуры перед процессом ионной имплантации вытравливаются области правильной геометрической формы – пирамиды и параллелепипеды различной глубины и высоты стенок (табл. 1).
В ходе исследований перспективной признана структура с пиками пирамидальной формы с высотой пика 0,5 мкм, шириной пика 3 мкм и шириной долины 1 мкм (рис. 2).
Для каждой структуры в САПР TCAD настраивались специфические параметры материалов. Для кремния была задана подвижность носителей заряда, типичная для поликристаллического материала солнечных элементов (mun = 20, mup = 1,5). Заданы ширина запрещенной зоны (eg300 = 1,9) и концентрация собственных носителей заряда (nc300 = 2,5e20, nv300 = 2,5e20). Для расчета спектральных характеристик ITO к модели прикреплялась таблица из базы Sopra. Полученная структура СЭ сохранялась для дальнейшего анализа.
Далее проводилось моделирование вольт-амперных характеристик построенных структур. Для расчета использовались стандартные модели Шокли – Рида – Холла и рекомбинации Оже.
На таких условиях (без освещения) для каждого типа поверхности СЭ была рассчитана темновая ВАХ в диапазоне от 0 до 2 В с шагом 0,1 В, которая бралась за основу для дальнейшего расчета характеристик СЭ при освещении.
Предполагалось, что световой поток соответствовал спектру АМ1.5. Источник излучения находился над серединой структуры. Анализировались длины волн от 0,3
до 1,2 мкм. Данные об изменении интенсивности использовались для дальнейшего анализа характеристик СЭ.
После настройки параметров светового излучения был проведен расчет ВАХ СЭ при его освещении (в диапазоне от 0 до 2 В с шагом 0,1 В). Результаты моделирования для плоского СЭ и СЭ, показавшего наилучшие характеристики, приведены на рис. 3.
При моделировании рассчитывались основные параметры, по которым можно судить о характеристиках солнечных элементов. Были определены ток короткого замыкания (Isc) и напряжение холостого хода (Voc). Ток короткого замыкания определялся на кривой ВАХ при освещении в точке нулевого значения на оси Х. Напряжение холостого хода определялось при нуле на оси Y.
Мощность СЭ рассчитывалась на основе данных ВАХ при освещении и являлась определяющим параметром для дальнейшего анализа эффективности СЭ.
Обсуждение результатов моделирования
Изменение структуры поверхности СЭ (см. рис. 2) увеличивает его эффективную площадь, но оставляет исходные размеры ячейки. При изменении формы рельефа поверхности меняется процент поглощенного и отраженного излучения. Были исследованы пять типов рельефа поверхности (табл. 2). Результаты сравнивались между собой и с исходной плоской пластиной СЭ.
Эксперимент показал, что при формировании прямоугольных канавок максимальная мощность (Рmax), выдаваемая СЭ, ухудшилась по сравнению с плоской структурой (1,51∙10–9 Вт в случае прямоугольного рельефа СЭ и 2,01∙10–9 Вт – на плоском СЭ).
Когда на поверхности формировалась зубчатая структура с различным размером зубцов, максимальная мощность возрастала на 0,1∙10–9 Вт по сравнению с плоским. Аналогичный рост продемонстрировали и другие конфигурации рельефа (структуры 1–3 в табл. 1 и 2).
Наилучший результат из всех построенных структур показал солнечный элемент с мелкими пиками на поверхности структуры (структура 1 в табл. 1 и 2). Подбор угла при вершине пирамиды обеспечил наибольшее поглощение падающего света (рис. 4).
Анализируемыми параметрами для определения наиболее эффективного СЭ служили его мощность (рис. 5), ток короткого замыкания, напряжение холостого хода (см. табл. 2) и ВАХ (см. рис. 3).
Видно, что для всех структур напряжение холостого хода оставалось практически неизменным, тогда как ток короткого замыкания менялся в значительной степени. Следовательно, менялась форма ВАХ и кривая мощности. На рис. 3 и 5 сравниваются исходный плоский СЭ и наиболее оптимизированный СЭ с мелкими пиками.
Расхождения значений соответствуют рассчитанным величинам тока короткого замыкания.
Заключение
Лучшие показатели по мощности продемонстрировали СЭ с мелкими и крупными пиками, получив при этом выигрыш в мощности в 7,5 и 7%, соответственно, по сравнению с плоской структурой. Иные варианты поверхности также дают повышение мощности из-за увеличения эффективной площади поверхности на единицу длины СЭ, а также из-за оптимального отражения и поглощения, правда не в столь значительной степени.
ЛИТЕРАТУРА
Симашкевич А.В., Шербан Д.А., Брук Л.И., Харя Е.Е., Усатый Ю.В. Эффективные солнечные элементы ITO-nSi с текстурированной поверхностью кремния // Электронная обработка материалов. 2011. Т. 47. № 3. С. 79–84.
Heng J.B., Fu J., Kong B., Chae Y., Weng W., Xie Z., Reddy A., Lam K. et al. High-Efficiency Tunnel Oxide Junction Bifacial Solar Cell With Electroplated Cu Gridlines // IEEE Journal of Photovoltaics, 2015. Vol. 5. No. 1. PP. 82–86.
Hovel H.J., Willardson R.K., Beer A.C. Semiconductors and Semimetals. Solar cells //Academic Press. New York, 1975. 254 p.
Green M.A. Thin-film solar cells: review of materials, technologies and commercial status // Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2007. Vol. 18. No. 1. PP. 15–19.
Chopra K.L., Paulson P.D., Dutta V. Thin-film solar cells: an overview // Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2004. Vol. 12. No. 23. PP. 69–92.
Haase C., Stiebig H. Thin-film Silicon Solar Cells with Efficient Periodic Light Trapping Texture //
Applied Physics Letters, 2007. Vol. 91. No. 6. 061116.
Shota H., Takashi M., Hideyuki T., Yoshihiro H. Influence of Texture Feature Size on Spherical Silicon Solar Cells // Rare Metals, 2006. Vol. 25. No. 6. PP. 115–120.
Отзывы читателей
