AlGaAs / GaAsヘテロ接合を使用したGaAsナノワイヤピン接合アレイ太陽電池の最適化

背景

GaAsナノワイヤ（NW）は、高効率太陽電池の潜在的な構成要素と見なされてきました[1,2,3]。バンドギャップが1.43eVの場合、太陽電池の効率を最大化するには、GaAsの方がSiよりも有利です[4]。 15.3％の効率は、軸方向のpn接合を備えたGaAsNWアレイによって達成されています[5]。しかし、GaAs NW太陽電池は常に深刻な表面再結合に悩まされているため、満足のいく性能を達成するには表面パッシベーションが必要です[6、7]。 GaAs NWパッシベーションの一般的な方法は、NWの周りにAlGaAsシェルを形成することです。これにより、構造全体で電子と正孔の両方に大きな障壁が作成され、少数キャリアが表面で再結合するのを防ぎます[5、8、9]。

表面のパッシベーションを除いて、活性領域での光吸収を高めることも、変換効率を改善するための効果的な方法であり、電子正孔分離を促進します。 pn接合を備えたNW太陽電池の場合、最も多くのキャリアが生成される位置の近くに接合を配置することで効率を最適化できます[10、11、12]。一方、ピン接合太陽電池の場合、キャリアが多いほど効率が高くなります。固有領域で生成できます[13、14、15、16、17]。さらに、接点の近くの領域での光生成を抑制することにより、接点に拡散する光生成された少数キャリアの数を減らすことができます[14、17]。接合部の位置や長さの調整[13、14]、傾斜したNWの使用[15]、金属粒子による活性領域の装飾[16]、高濃度にドープされた領域の製造など、活性領域の光吸収を高める方法は数多くあります。高バンドギャップ材料[17]。 GaAs NW太陽電池の場合、パッシベーション層としてのAlGaAsシェルの使用が広く報告されています。ただし、AlGaAs / GaAsヘテロ構造が光生成キャリアを活性領域に閉じ込める能力については、あまり注目されていません。

この論文では、AlGaAs / GaAsヘテロ接合を採用することにより、GaAsNWピン接合アレイ太陽電池の性能を最適化しました。アキシャルジャンクションとラジアルジャンクションの両方が調査されています。 AlGaAs / GaAsピンヘテロ接合構造では、軸方向接合のp型トップセグメントと放射状接合のp型外殻にAlGaAsが使用されています。 AlGaAsの吸収係数が比較的低いため、p領域で生成される光キャリアは少なくなります。その結果、より多くの光キャリアがi領域に集中します。したがって、高濃度ドーピングによる再結合損失を抑えることができる。さらに、高バンドギャップのAlGaAs層は、少数キャリアをNW表面または接点から効果的に偏向させて、少数キャリアの再結合を減らすことができます。

AlGaAs / GaAsピンヘテロ接合NWアレイ太陽電池は、結合された3次元（3-D）オプトエレクトロニクスシミュレーションによって調査され、それらの性能が同じ形状構造のGaAsNWアレイと比較されました。結果は、GaAsの代わりにpセグメントにAlGaAsを使用することにより、アキシャルジャンクション太陽電池の効率は長いトップpセグメントでも改善でき、ラジアルジャンクション太陽電池の場合は効率を比較的高い値に維持できることを示しています。非常に高い表面再結合速度（SRV）を備えています。

メソッド

GaAsナノワイヤピン接合アレイ太陽電池とそのAlGaAs / GaAsヘテロ接合対応物の概略図を図1に示します。各太陽電池には周期的なNWアレイが含まれており、そのうちの1つのNWのみが示されています。 AlGaAs / GaAsヘテロ接合を製造するには、Al _0.8 Ga _0.2 アキシャルピンジャンクションのトップpタイプセグメントとラジアルピンジャンクションのアウターpタイプシェルに使用されます。 NWの他の領域はGaAsでできています。 p領域とn領域の両方のドーピング濃度は10 ¹⁸ です。 cm ^{− 3} 。 NWの直径と長さは180nmと1.2μmで、アレイの周期は360nmです。これらのジオメトリパラメータは[18]に従って選択され、GaAsNWアレイの光吸収はD / P比とNW直径を調整することによって最適化されています。

a GaAsナノワイヤアキシャルピンジャンクション太陽電池とそのAlGaAs / GaAsヘテロ接合対応物の概略図。 b GaAsナノワイヤラジアルピン接合太陽電池とそのAlGaAs / GaAsヘテロ接合対応物の概略図

光学計算では、ソフトウェアパッケージFDTD Solutions（Lumerical、Inc。）を使用して、NWの吸収プロファイルを計算します。周期境界条件を設定することにより、単一のNWを使用してシミュレーションを実行し、周期配列構造をモデル化できます。 GaAsとAl _0.8 の複素屈折率 Ga _0.2 シミュレーションで使用されているように、[19]から取得されます。各グリッドポイントで吸収された光子の数は、吸収された各光子が1つの電子正孔対を生成すると仮定して、ポインティングベクトルSから計算されます。

ここで、ℏは縮小プランク定数ωです。 は入射光の角周波数 E は各グリッドポイントでの電界強度であり、ε ″は誘電率の虚数部です。電気シミュレーションに使用される光生成率プロファイルを取得するには、 G _ph AM 1.5G太陽スペクトルによって重み付けされ、シミュレーションスペクトル全体に統合されます。

電気モデリングでは、Synopsys Sentaurusを使用して、光生成プロファイルがNWの有限要素メッシュに組み込まれます。これにより、ポアソン方程式と組み合わせたキャリア連続方程式が自己無撞着に解かれます。デバイスの電気シミュレーションでは、ドーピングに依存する移動度、放射、オ​​ージェ、およびショックリーリードホール（SRH）の再結合が考慮されます。 AlGaAsとGaAsの間のヘテロ接合は、熱電子放出モデルを使用してモデル化されます[20]。電子と正孔の電流（ J _n および J _p ）ヘテロ構造全体は次のように説明できます：

ここで a _n （ a _p ）は熱電子電流係数、 q 電気素量 v _n （ v _p ）は電子（正孔）の放出速度であり、次のように表すことができます。

および n （ p ）は電子（正孔）密度、m _n （m _p ）は電子（正孔）の有効質量です。 k _B はボルツマン定数であり、 T シミュレーションで室温に設定された温度です。下付き文字1と2は、それぞれ伝導帯のエッジが低い材料と高い材料を表しています。 Δ E _c およびΔ E _v は、GaAs / AlGaAs界面での伝導帯と価電子帯のオフセットです。 AlGaAsとGaAsの間の界面は、追加の再結合中心がなくても完全であると仮定します。これは通常、GaAs上のAlGaAsの格子整合エピタキシーに有効です[21]。表面の再結合は、空気と北西部の間の境界面でのみ考慮されます。デバイスシミュレーションで使用したパラメータを表1に示します。AlGaAsとGaAsのオージェ係数、放射再結合係数、SRH再結合寿命は同じに設定されています[11、12]。

結果と考察

AlGaAs / GaAsヘテロ接合NWとGaAsNWの吸収特性を図2に示します。軸方向接合NWの場合、上部のp領域と下部のn領域の長さはそれぞれ150nmと200nmです。ラジアルジャンクションNWの場合、p型シェルの厚さは20 nmで、内側のn領域の半径は20nmです。 AlGaAs / GaAsとGaAsNWの吸収スペクトルは、AlGaAs / GaAsラジアルヘテロ接合NWの吸収がGaAsバンドギャップに近い波長で低下することを除いて、ほぼ同じです。 900 nm付近の波長では、NWを伝搬する光は側面近くに集中しますが、AlGaAs / GaAsラジアルヘテロ接合NWの場合、AlGaAsシェルを伝搬する光を効果的に吸収することはできません。図2b–dは、生成プロファイルの断面を示しています。 AlGaAsの吸収能力が低いため、AlGaAs領域で生成されるキャリアはごくわずかです。したがって、高濃度にドープされたAlGaAs領域での再結合損失はそれほど深刻ではないと予想されます。アキシャルジャンクションを備えたAlGaAs / GaAs NWの場合、ほとんどの光生成はAlGaAs / GaAs界面に集中します。ラジアル接合を備えたAlGaAs / GaAs NWの場合、ほとんどの光キャリアはGaAsコアに閉じ込められ、NW表面からブロックされます。したがって、表面再結合損失が抑制されることが期待される。以前の研究[15]によると、ピン接合を備えたNW太陽電池の場合、i領域の光生成キャリアが効率の大部分を占めています。したがって、i領域の光吸収を抽出し、対応する吸収スペクトルを計算します。アキシャルNWとラジアルNWの両方で、p型AlGaAs領域での吸収が効果的でないため、AlGaAs / GaAsヘテロ接合NWでより高いi領域吸収を実現できます。

a GaAsナノワイヤとその軸方向および半径方向のヘテロ構造を持つAlGaAs / GaAs対応物の吸収スペクトル。 b の光生成プロファイルの垂直断面 AlGaAs / GaAsアキシャルヘテロ構造ナノワイヤ、 c AlGaAs / GaAsラジアルヘテロ構造ナノワイヤ、および d GaAsナノワイヤー。 e GaAsナノワイヤアキシャルピンジャンクション太陽電池とそのAlGaAs / GaAs対応物の真性領域の吸収スペクトル。 f GaAsナノワイヤラジアルピン接合太陽電池とそのAlGaAs / GaAs対応物の固有領域の吸収スペクトル

光学生成プロファイルは、AlGaAs / GaAsヘテロ接合によって引き起こされるデバイス変換効率の潜在的な増加を調査するために電気ツールに組み込まれています。検討対象のデバイスの電流-電圧特性が計算され、図3にプロットされます。2つの典型的なSRV、10 ³ および10 ⁷ cm / sは計算時に考慮され、適切なパッシベーションがある場合とない場合のNWサーフェスに対応します[6、8、9]。表面再結合の少ないアキシャルピンジャンクションNWの場合、GaAsの代わりにpトップセグメントにAlGaAsを使用することにより、変換効率が11.6％から14.5％に向上します。効率の向上は主に、18.9から23.3 mA / cm ² に増加する光電流に起因します。 ゼロバイアスで。同様の現象が放射状の北西部で観察されます。 AlGaAs / GaAsヘテロ接合を使用することで効率が10.8から11.3％に増加し、短絡電流が22.6から23.8 mA / cm ² に増加します。 。 SRVが高いと、i領域の表面が露出するため、AlGaAs / GaAsNWとGaAsNWの両方でアキシャルNWの性能が大幅に低下します。ただし、10 ⁷ の高いSRVでも、AlGaAs / GaAsNWには短絡電流の増大が依然として存在します。 cm / s。これは、上部のp領域と上部の接触で抑制された再結合に由来します。 AlGaAs / GaAsラジアルNWの場合、効率はAlGaAsシェルのおかげで表面再結合の影響をわずかに受けるだけです。AlGaAsシェルは光キャリアをi領域に閉じ込め、NW表面に到達するのを防ぐバリアを作成します。 GaAsラジアルNWの場合、SRVが10 ³ に増加すると、効率は10.8％から8.05％に低下します。 〜10 ⁷ cm / sであり、短絡電流は22.6から17.1 mA / cm ² に減少します。 。

GaAsおよびAlGaAs / GaAsナノワイヤの電流-電圧特性 a アキシャルおよび b 表面再結合速度が10 ³ のラジアルピン接合太陽電池 および10 ⁷ cm / s

特に強い光生成が発生する可能性のある領域では、高濃度にドープされた領域の体積が変換効率に大きな影響を与えることが報告されています。この作業では、さまざまなp領域ボリュームを持つNWのパフォーマンスを調査します。図4aには、p領域の長さが異なるアキシャルAlGaAs / GaAs接合NWの光生成プロファイルがプロットされています。 p領域の長さが50〜200 nmの範囲で変化すると、光生成ホットスポットは北西の底に向かって移動し、光生成キャリアの大部分はAlGaAs領域の下に閉じ込められます。対応する変換効率も計算されます。結果は、SRVが低い場合、p領域の長さの増加はAlGaAs / GaAs NWの変換効率に明らかな影響を与えないことを示していますが、全体的な吸収はAlGaAsの体積の増加とともに減少する傾向があります。さらに、AlGaAs領域が長くなると、ほとんどの光キャリアが上部接点から離れた状態に保たれ、接点で再結合できる少数キャリアが少なくなります。ただし、GaAs NWの場合、上部のp領域で生成される光キャリアの数が増えるため、p領域の長さが長くなると変換効率は直線的に低下します。 SRVが高い場合、AlGaAsの光生成はNWの中心に集中し、表面から離れているため、AlGaAs / GaAs NWの変換効率はp領域の長さとともにさらに増加し​​、表面の再結合が低くなります。 GaAs領域と比較して。上記の議論から、GaAsの代わりに上部p領域にAlGaAsを使用すると、デバイスの性能を低下させることなく、比較的長い上部領域を使用できると結論付けることができます。また、軸方向の接合部を備えたNWの場合、上部の領域が長いと、NWアレイ太陽電池の製造と接触が容易になります。

a 異なる p を備えたAlGaAs / GaAsナノワイヤアキシャルピンヘテロ接合太陽電池の光生成プロファイルの垂直断面 -領域の長さ。 b p領域長の関数としてのGaAsおよびAlGaAs / GaAsナノワイヤアキシャル太陽電池の変換効率

異なるpシェルの厚さの放射状NWの性能も計算されています。図5aは、AlGaAs / GaAsラジアルNWの光生成プロファイルを示しています。アキシャルNWの場合と同様に、光キャリアの大部分はGaAsで生成されます。 AlGaAs / GaAsとGaAsNWの両方の変換効率は、pシェルの厚さが増すにつれて低下します。 SRVが10 ³ と低い場合 cm / s、表面再結合の影響はほとんど無視できます。したがって、効率の低下は主に、pシェルで生成される光キャリアの数の増加に起因します。ただし、AlGaAs / GaAs NWは、ほとんどの光生成を内部GaAs領域に限定できるため、pシェルの厚さに対する耐性が高くなります。 SRVが10 ³ から増加すると 〜10 ⁷ cm / sの場合、AlGaAs / GaAs NWの変換効率はわずかに低下します。これは、光キャリアが表面からAlGaAsシェルによって保護されているためです。また、AlGaAsシェルが厚いNWの場合、表面に到達して再結合できるキャリアが少なくなるため、デバイスのパフォーマンスの低下が少なくなります。それどころか、GaAs NWの性能は、特に厚いpシェルの場合、高い表面再結合によって深刻なダメージを受けます。 GaAsラジアルNWの場合、pシェルで生成された光キャリアは表面で簡単に再結合できます。 pシェルの厚さが30nmの場合、GaAs NWの変換効率はわずか1.98％ですが、対応するAlGaAs / GaAs NWの効率は10.4％で、GaAs NWの効率より8.42％高くなっています。

a 異なる p を備えたAlGaAs / GaAsナノワイヤラジアルピンヘテロ接合太陽電池の光生成プロファイルの垂直断面 -シェルの厚さ。 b pシェルの厚さの関数としてのGaAsおよびAlGaAs / GaAsナノワイヤラジアル太陽電池の変換効率

結論

この作業では、結合された3Dオプトエレクトロニクスシミュレーションを使用して、AlGaAs / GaAsおよびGaAsNWピンヘテロ接合アレイ太陽電池の性能を調査します。 GaAs NWと比較して、AlGaAs / GaAs NWは、ほとんどの光生成をアクティブ領域に閉じ込め、高濃度にドープされた領域に存在する再結合損失を減らし、少数キャリアのバリアを形成して、表面または接触の再結合からそれらを保護します。 AlGaAs / GaAsアキシャルNWの場合、GaAsの代わりに上部p領域にAlGaAsを使用することで、デバイスの性能を低下させることなく比較的長い上部領域を可能にし、NW太陽電池の製造と接触を容易にすることができます。また、ラジアルNWの場合、AlGaAs / GaAs NWの効率は、非常に高い表面再結合で比較的高い値に維持できます。この研究から、AlGaAs / GaAsヘテロ接合を採用することは、GaAsNW太陽電池の性能を向上させるための効果的かつ実用的な方法であると結論付けることができます。

略語

3D：

三次元

NW：

ナノワイヤー

SRH：

ショックリー-リードホール

SRV：

表面再結合速度