Підвищення продуктивності сонячних елементів з подвійним переходом InGaP/GaAs через оптимізацію шару BSF та гетеротунельний перехід
Анотація
Це дослідження зосереджено на моделюванні та оптимізації подвійних сонячних елементів InGaP/GaAs з використанням програмного забезпечення Silvaco Atlas, з особливим акцентом на впровадженні гетеротунельного переходу. Гетеротунельний перехід відіграє ключову роль у забезпеченні ефективного транспортування носіїв заряду між субелементами, значно покращуючи загальну ефективність клітини. Крім того, новий шар поля зворотної поверхні (BSF) був інтегрований у нижню частину GaAs для подальшого підвищення продуктивності. Різні комбінації матеріалів для гетеротунельного переходу, такі як GaInP/GaAs, AlGaInP/GaInP і AlGaInP/GaAs, систематично перевірялися, щоб оцінити їх вплив на ефективність пристрою. Оптимізована структура продемонструвала щільність струму короткого замикання 1,780 мА/см², напругу холостого ходу 2,310 В, коефіцієнт заповнення 86,501% і ефективність перетворення 35,57% під освітленням AM1.5G при 300 К. Втрати на рекомбінацію були мінімізовані оптимізацією шару BSF у верхній і нижній комірках, зокрема з AlGaInP, що сприяє покращенню збору заряду. Виявлено, що підвищені температури знижують як напругу холостого ходу, так і ефективність, що підкреслює необхідність керування температурою. Ці оптимізації представляють значні покращення порівняно з попередніми проектами.
Завантаження
Посилання
N. Akter, M.A. Matin, and N. Amin, “High performance InxGa1-xN Tandem solar cells designed from numerical analysis,” in: CEAT 2013 - 2013 IEEE Conf. Clean Energy Technol, 2013, pp. 469–472. https://doi.org/10.1109/CEAT.2013.6775678
J.B. Garcia, Indium Gallium Nitride Multijunction Solar Cell Simulation Using Silvaco Atlas, Security, 110, (2007)
C. Cornet, M. Da Silva, C. Levallois, and O. Durand, “GaP/Si-based photovoltaic devices grown by molecular beam epitaxy,” in: Molecular Beam Epitaxy, second edition), (2018), pp. 637–648. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-812136-8.00030-X
L. Hafaifa, M. Maache, and M.W. Bouabdelli, “Improving the Performance of CZTS/CZTSSe Tandem Thin Film Solar Cell,” J. Nano- Electron. Phys. 16, 1–6 (2024). https://doi.org/10.21272/jnep.16(2).02018
E. Raza, and Z. Ahmad, “Review on two-terminal and four-terminal crystalline-silicon/perovskite tandem solar cells; progress, challenges, and future perspectives,” Energy Reports, 8, 5820–5851 (2022). https://doi.org/10.1016/j.egyr.2022.04.028
L. Hafaifa, M. Maache, and Y. Djalab, “Performance Enhancement of CGS/CIGS Thin Flm Tandem Solar Cell Using Different Buffer Layers,” J. Opt. (2024). https://doi.org/10.1007/s12596-024-02035-1
A. Ghadimi, and H. Arzbin, “Efficiency improvement of ARC less InGaP/GaAs DJ solar cell with InGaP tunnel junction and optimized two BSF layer in top and bottom cells,” Optik, 148, 358–367 (2017). https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2017.09.016
F. Djaafar, B. Hadri, and G. Bachir, “Optimal parameters for performant heterojunction InGaP/GaAs solar cell,” Int. J. Hydrogen Energy, 42, 8644–8649 (2017). https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.06.139
F. Djaafar, B. Hadri, and G. Bachir, “IV Characteristics of InGaP/GaAs Solar Cell with the presence of a Back Surface Field and a Tunnel junction,” J. Electr. Syst. 14, 64–76 (2018).
B. Zhao, X.-S. Tang, W.-X. Huo, Y. Jiang, Z.-G. Ma, L. Wang, W.-X. Wang, et al., “Characteristics of InGaP/GaAs double junction thin film solar cells on a flexible metallic substrate,” Sol. Energy, 174, 703–708 (2018). https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.06.099
T. Sogabe, Y. Shoji, N. Miyashita, D.J. Farrell, K. Shiba, H.-F. Hong, and Y. Okada, “High-efficiency InAs/GaAs quantum dot intermediate band solar cell achieved through current constraint engineering,” Next Mater. 1, 100013 (2023). https://doi.org/10.1016/j.nxmate.2023.100013
F.Z. Kharchich, and A. Khamlichi, “Optimizing efficiency of InGaP/GaAs dual-junction solar cells with double tunnel junction and bottom back surface field layers,” Optik, 272, 170196 (2023). https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2022.170196
L. Hafaifa, M. Maache, Z. Allam, and A. Zebeir, “Simulation and performance analysis of CdTe thin film solar cell using different Cd-free zinc chalcogenide-based buffer layers,” Results Opt. 14, 100596 (2024). https://doi.org/10.1016/j.rio.2023.100596
J.L. Gray, Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, Chapter 3, (John Wiley & Sons, Ltd, 2003), pp. 61–112.
M.H. Tsutagawa, and S. Michael, “Triple junction InGaP/GaAS/Ge solar cell optimization: the design parameters for a 36.2% efficient space cell using Silvaco ATLAS modeling & simulation,” in: 2009 34th IEEE Photovolt. Spec. Conf. IEEE, (2009), pp. 1954–1957. https://doi.org/10.1109/PVSC.2009.5411544
J.E. VanDyke, “Modeling laser effects on multi-junction solar cells using Silvaco ATLAS software for spacecraft power beaming applications, PhD Thesis. Monterey, California. Naval Postgraduate School, 2010.
J.B. Lavery, “Quantum tunneling model of a pn junction in Silvaco,” PhD Thesis. Monterey, California. Naval Postgraduate School, (2008).
L. Hafaifa, M. Maache, and M.W. Bouabdelli, “Improved performance of CdTe thin-film solar cell through key parameters,” J. Theor. Appl. Phys. 18, 1–10 (2024). https://doi.org/10.57647/j.jtap.2024.1803.35
R.R. King, N.H. Karam, J.H. Ermer, N. Haddad, P. Colter, T. Isshiki, H. Yoon, et al., “Next-generation, high-efficiency III-V multijunction solar cells,” in: Conf. Rec. Twenty-Eighth IEEE Photovolt. Spec. Conf. (Cat. No. 00CH37036), IEEE, 2000, pp. 998–1001. https://doi.org/10.1109/PVSC.2000.916054
K.J. Singh, and S.K. Sarkar, “Highly efficient ARC less InGaP/GaAs DJ solar cell numerical modeling using optimized InAlGaP BSF layers,” Opt. Quantum Electron. 43, 1–21 (2012). https://doi.org/10.1007/s11082-011-9499-y
Atlas User’s Manual, SILVACO Inc, Santa Clara, CA 95054, California, USA, 2018.
I. Vurgaftman, J.A.R. Meyer, and L.R. Ram-Mohan, “Band parameters for III–V compound semiconductors and their alloys,” J. Appl. Phys. 89, 5815–5875 (2001). https://doi.org/10.1063/1.1368156
S. Abbasian, and R. Sabbaghi-Nadooshan, “Design and evaluation of ARC less InGaP/AlGaInP DJ solar cell,” Optik, 136, 487–496 (2017). https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2017.02.078
G.S. Sahoo, and G.P. Mishra, “Effective use of spectrum by an ARC less dual junction solar cell to achieve higher efficiency: a simulation study,” Superlattices Microstruct. 109, 794–804 v. https://doi.org/10.1016/j.spmi.2017.06.002
G.S. Sahoo, P.P. Nayak, and G.P. Mishra, “An ARC less InGaP/GaAs DJ solar cell with hetero tunnel junction,” Superlattices Microstruct. 95, 115–127 (2016). https://doi.org/10.1016/j.spmi.2016.04.045
S.M. Sze, Y. Li, and K.K. Ng, Physics of semiconductor devices, (John wiley & sons, 2021).
M. Verma, and G.P. Mishra, “An integrated GaInP/Si dual-junction solar cell with enhanced efficiency using TOPCon technology,” Appl. Phys. A Mater. Sci. Process. 126, 1–13 (2020). https://doi.org/10.1007/s00339-020-03840-8
S. Bagheri, R. Talebzadeh, B. Sardari, and F. Mehdizadeh, “Design and simulation of a high efficiency InGaP/GaAs multi junction solar cell with AlGaAs tunnel junction,” Optik, 199, 163315 (2019). https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2019.163315
H.R. Arzbin, and A. Ghadimi, “Improving the performance of a multi-junction solar cell by optimizing BSF, base and emitter layers,” Mater. Sci. Eng. B, 243, 108–114 (2019). https://doi.org/10.1016/j.mseb.2019.04.001
Y.P. Varshni, “Temperature dependence of the energy gap in semiconductors,” Physica, 34, 149–154 (1967). https://doi.org/10.1016/0031-8914(67)90062-6
H.M. Ali, M. Mahmood, M.A. Bashir, M. Ali, and A.M. Siddiqui, “Outdoor testing of photovoltaic modules during summer in Taxila, Pakistan,” Therm. Sci. 20, 165–173 (2016). https://doi.org/10.2298/TSCI131216025A
L. Hafaifa, M. Maache, S. Rabhi, Z. Allam, Z.I. Gouchida, Y. Benbouzid, A. Zebeir, and R. Adjouz, “Enhanced CZTSSe Thin-Film Solar Cell Efficiency: Key Parameter Analysis,” Phys. Status Solidi Appl. Mater. Sci. 222(2), 2400332 1–8 (2024). https://doi.org/10.1002/pssa.202400332
E.T. Mohamed, A.O.M. Maka, M. Mehmood, Al.M. Direedar, and N. Amin, “Performance simulation of single and dual-junction GaInP/GaAs tandem solar cells using AMPS-1D,” Sustain. Energy Technol. Assessments, 44, 101067 (2021). https://doi.org/10.1016/j.seta.2021.101067
Авторське право (c) 2025 Ікрам Зідані, Зуауї Бенсаад, Лумафак Хафайфа, Хамза Абід, Ахмед Хафайфа
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
