Modelling of the functional characteristics of photoelectric converters based on multi-component solid solution AlxGa1-xAs, received from a liquid phase epitaxy

Authors

  • Arustamyan D.A. Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Rostov Region, Russian Federation
  • Chebotarev S.N. Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Rostov Region, Russian Federation
  • Lunin L.S. Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Rostov Region, Russian Federation
  • Lunina M.L. Southern Scientific Center, Russian Academy of Science, Rostov-on-Don, Russian Federation
  • Kazakova A.E. Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Rostov Region, Russian Federation
  • Pashchenko A.S. Southern Scientific Center, Russian Academy of Science, Rostov-on-Don, Russian Federation

UDC

539.231

Abstract

The most important technological problems of solar energetics are reduction of production costs of photoelectric converters and increase their efficiency. This paper presented a theoretical and experimental study of solar cells based on solid solution AlxGa1-xAs, received from a liquid phase epitaxy. The investigated structure was grown by means of liquid phase epitaxy. The GaAs plate was used as a substrate. The Al0.28Ga0.72As base layer was grown according to the cascade method of refrigeration. Thin emitter layers Al0.1Ga0.9As and a wide bandgap window Al0.9Ga0.1As were produced at lower temperatures (600 °C), from a thin layer of molten aluminum gallium arsenic (0.5 mm thick). The modelling was performed by using AFORS-HET program. During the simulation the following parameters of semiconductor layers were changed: composition of the ternary solution, thickness of the layers, doping level of the layers. Characteristics of the layers for different AlxGa1-xAs compositions were calculated by means of MATLAB 7 application program package. No defects were supposed to be present in the structure, the temperature of the photoelectric converter and the environment was equal to 300 K, multiplicity of radiation was equal to 1, and the conditions of sunlight lighting were equal to AM 1,5. The article shows that an optimum composition of the solid solution for the base layer Al0.28Ga0.72As, is the following: the thickness of layer is 100 microns and the concentration of the acceptor impurity is 1019 cm-3. For the emitter layer Al0.1Ga0.9As optimum layer thickness is 50 nm, optimum concentration of the donor impurity is 1016 cm-3 and the wide bandgap window Al0.9Ga0.1As optimum thickness is 50 nm, optimum concentration of impurity is 2.5$\cdot$1017 cm-3. The conversion efficiency in this case can reach 40.99%.

Keywords:

solar energetics, photoelectric converters, liquid-phase epitaxy, modeling

Funding information

Работа выполнена в рамках реализации Государственного задания на 2016 г. (007-01114-16 ПР), проект (0256-2014-0001), а также при поддержке РФФИ (17-08-01206).

Author info

  • David A. Arustamyan

    аспирант кафедры физики и электроники Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова

  • Sergey N. Chebotarev

    д-р физ.-мат. наук, старший научный сотрудник лаборатории "Кристаллы и структуры для твердотельной электроники" Южного научного центра РАН, заведующий кафедрой физики и электроники Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) им. М.И. Платова

  • Leonid S. Lunin

    д-р физ.-мат. наук, заведующий отделом нанотехнологий, солнечной энергетики и энергосберегающих технологий Южного научного центра РАН

  • Marina L. Lunina

    канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник лаборатории "Солнечная энергетика" Южного научного центра РАН

  • Alena E. Kazakova

    аспирант кафедры физики и электроники Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова<

  • Aleksandr S. Pashchenko

    канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник лаборатории "Кристаллы и структуры для твердотельной электроники" Южного научного центра РАН

References

  1. Андреев В.М., Хвостиков В.П., Ларионов В.Р., Румянцев В.Д., Палеева Е.В., Шварц М.З. Высокоэффективные концентраторные (2500 солнц) AlGaAs/GaAs-солнечные элементы // Физика и техника полупроводников. 1999. Т. 33. № 9. С. 1070-1072. [Andreev V.M., Khvostikov V.P., Larionov V.R., Rumiantcev V.D., Paleeva E.V., Shvarts M.Z. Vysokoehffektivnye koncentratornye (2500 solnc) AlGaAs/GaAs-solnechnye ehlementy [Highly efficient concentrator (2500 suns) AlGaAs/GaAs solar cells]. Fizika i tekhnika poluprovodnikov [Physics and technics of Semiconductor], 1999, vol. 33, no. 9, pp. 1070-1072. (In Russian)]
  2. Богатов Н.М., Матвеякин М.П., Першин Н.В., Родоманов Р.Р. Определение времени захвата неравновесного поверхностного заряда в полупроводниковых структурах по спаду фотоэдс // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2008. № 2. С. 57-61. [Bogatov N.M., Matveyakin M.P., Pershin N.V., Rodomanov R.R. Opredelenie vremeni zahvata neravnovesnogo poverhnostnogo zaryada v poluprovodnikovyh strukturah po spadu fotoehds [Determination of the time the capture of nonequilibrium surface charge in semiconductor structures from the decay of the photo-emf]. Ehkologicheskij vestnik nauchnyh centrov Chernomorskogo ehkonomicheskogo sotrudnichestva [Ecological Bulletin of research centers of the Black Sea economic cooperation], 2008, no. 2, pp. 57-61. (In Russian)]
  3. Богатов Н.М., Корнеев А.И., Матвеякин М.П., Родоманов Р.Р. Влияние неравновесного заряда границы SiО2-Si на нестационарность спектральной характеристики солнечных элементов с субмикронным р-n-переходом // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2006. № 4. С. 63-67. [Bogatov N.M., Korneev A.I., Matveyakin M.P., Rodomanov R.R. Vliyanie neravnovesnogo zaryada granicy SiO2-Si na nestacionarnost' spektral'noj harakteristiki solnechnyh ehlementov s submikronnym r-n-perekhodom [Influence of nonequilibrium charge SiO2-Si boundaries for the nonstationarity of the spectral characteristics of solar cells with submicron p-n-junction]. Ehkologicheskij vestnik nauchnyh centrov Chernomorskogo ehkonomicheskogo sotrudnichestva [Ecological Bulletin of research centers of the Black Sea economic cooperation], 2006, no. 4, pp. 63-67. (In Russian)]
  4. Власов А.С., Хвостиков В.П., Карлина Л.Б., Сорокина С.В., Потапович Н.С., Шварц М.З., Тимошина Н.Х., Лантратов В.М., Минтаиров С.А., Калюжный Н.А., Марухина Е.П., Андреев В.М. Концентраторные фотоэлектрические модули со спектральным расщеплением света С солнечными элементами на основе структур AlGaAs/GaAs/GaSb И GaInP/InGaAs(P) // Журнал технической физики. 2013. Т. 83. № 7. С. 106-110. [Vlasov A.S., Khvostikov V.P., Karlina L.B., Sorokina S.V., Potapovich N.S., Shvarts M.Z., Timoshina N.H., Lantratov V.M., Mintairov S.A., Kalyuzhnyj N.A., Maruhina E.P., Andreev V.M. Koncentratornye fotoehlektricheskie moduli so spektral'nym rasshchepleniem sveta s solnechnymi ehlementami na osnove struktur AlGaAs/GaAs/GaSb i GaInP/InGaAs(P) [Concentrator photovoltaic modules with a spectral splitting of the light with solar cell structures based on AlGaAs/GaAs/GaSb and GaInP/InGaAs(P)]. Zhurnal tekhnicheskoj fiziki [J. of Technical Physics], 2013, vol. 83, no. 7, pp. 106-110. (In Russian)]
  5. Лозовский В.Н., Лозовский С.В., Чеботарев С.Н. Исследование краевого температурного эффекта при зонной сублимационной перекристаллизации // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2007. № 5. С. 52-56. [Lozovskij V.N., Lozovskij S.V., CHebotarev S.N. Issledovanie kraevogo temperaturnogo ehffekta pri zonnoj sublimacionnoj perekristallizacii [A study of the boundary temperature effect in zone sublimation recrystallization]. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Severo-Kavkazskij region. Seriya: Tekhnicheskie nauki [Proc. of the higher educational institutions. North-Caucasian region. Series: Engineering], 2007, no. 5, pp. 52-56. (In Russian)]
  6. Лозовский В.Н., Лозовский С.В., Чеботарев С.Н., Ирха В.А. Осаждение тугоплавких металлов на рельефные подложки методом зонной сублимационной перекристаллизации // Изв. высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2007. № 4. С. 68-70. [Lozovskij V.N., Lozovskij S.V., Chebotarev S.N., Irkha V.A. Osazhdenie tugoplavkih metallov na rel'efnye podlozhki metodom zonnoj sublimacionnoj perekristallizacii [The deposition of refractory metals on the relief substrate by zone sublimation recrystallization]. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Severo-Kavkazskij region. Seriya: Tekhnicheskie nauki [Proceedings of the higher educational institutions. North-Caucasian region. Series: Engineering], 2007, no. 4, pp. 68-70. (In Russian)]
  7. Лунин Л.С., Сысоев И.А., Чеботарев С.Н., Пащенко А.С. Формирование квантовых точек InAs на подложках GaAs методом ионно-лучевого осаждения // Наука Юга России. 2010. Т. 6. № 4. С. 46-49. [Lunin L.S., Sysoev I.A., Chebotarev S.N., Pashchenko A.S. Formirovanie kvantovyh tochek InAs na podlozhkah GaAs metodom ionno-luchevogo osazhdeniya [Formation of InAs quantum dots on GaAs substrates by ion beam deposition]. Nauka Yuga Rossii [Science of Southern Russia], 2010, vol. 6, no. 4, pp. 46-49. (In Russian)]
  8. Лозовский В.Н., Ирха В.А., Чеботарев С.Н. Методика получения нанометок и их применение для позиционирования в сканирующей зондовой микроскопии // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2012. Т. 78. № 9. С. 33-36. [Lozovskij V.N., Irkha V.A., Chebotarev S.N. Metodika polucheniya nanometok i ih primenenie dlya pozicionirovaniya v skaniruyushchej zondovoj mikroskopii [A method of production of nano-markers and their use for positioning in scanning probe microscopy]. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov [Factory Laboratory. Diagnosis materials], 2012, vol. 78, no. 9, pp. 33-36. (In Russian)]
  9. Gudovskikh A.S., Kaluzhniy N.A., Lantratov V.M., Mintairov S.A., Shvarts M.Z., Andreev V.M. Numerical modelling of GaInP solar cells with AlInP and AlGaAs windows // Thin Solid Films. 2008. Vol. 516. Iss. 20. P. 6739-6743. doi: 10.1016/j.tsf.2007.12.016
  10. Чеботарев С.Н., Пащенко А.С., Лунина М.Л. Моделирование зависимостей функциональных характеристик кремниевых солнечных элементов, полученных методом ионно-лучевого осаждения, от толщины и уровня легирования фронтального слоя // Наука Юга России. 2011. Т. 7. № 4. С. 25-30. [Chebotarev S.N., Pashchenko A.S., Lunina M.L. Modelirovanie zavisimostej funkcional'nyh harakteristik kremnievyh solnechnyh ehlementov, poluchennyh metodom ionno-luchevogo osazhdeniya, ot tolshchiny i urovnya legirovaniya frontal'nogo sloya [Modeling dependencies functional characteristics of silicon solar cells, grown by ion-beam deposition, on the thickness and doping level of the front layer]. Nauka Yuga Rossii [Sc. of Southern Russia], 2011, vol. 7, no. 4, pp. 25-30. (In Russian)]
  11. Чеботарев С.Н., Пащенко А.С., Лунин Л.С., Ирха В.А. Моделирование кремниевых тонкопленочных трехкаскадных солнечных элементов α-Si:H/μC-Si:O/μC-Si:H // Наука Юга России. 2013. Т. 9. № 4. С. 18-25. [Chebotarev S.N., Pashchenko A.S., Lunin L.S., Irkha V.A. Modelirovanie kremnievyh tonkoplenochnyh trekhkaskadnyh solnechnyh ehlementov α-Si:H/μC-Si:O/μC-Si:H [Modeling of the thin-film three cascade silicon solar cell α-Si:H/μC-Si:O/μC-Si:H]. Nauka Yuga Rossii [Science of Southern Russia], 2013, vol. 9. no. 4, pp. 18-25. (In Russian)]
  12. Арустамян Д.А., Чеботарев С.Н., Лунина М.Л., Сысоев И.А., Пащенко А.С., Казакова А.Е., Яценко А.Н. Зависимость характеристик солнечных элементов на основе AlGaAs от толщины и уровня легирования базы // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. 2016. № 4 (55). С. 7-12. [Arustamyan D.A., Chebotarev S.N., Lunina M.L., Sysoev I.A., Pashchenko A.S., Kazakova A.E., Yatsenko A.N. Zavisimost' harakteristik solnechnyh ehlementov na osnove AlGaAs ot tolshchiny i urovnya legirovaniya bazy [The dependence of the characteristics of the solar cells based on the AlGaAs on the thickness and doping level of the base]. Vestnik Severo-Kavkazskogo federal'nogo universiteta [Bulletin of the North Caucasus Federal University], 2016, no. 4 (55), pp. 7-12. (In Russian)]
  13. Мусалинов С.Б., Бычков И.В., Анзулевич А.П., Гудовских А.С. Моделирование двух и трехслойных просветляющих покрытий для гетероструктурных солнечных элементов // Вестник Челябинского государственного университета. 2015. № 7 (362). С. 60-63. [Musalinov S.B., Bychkov I.V., Anzulevich A.P., Gudovskikh A.S. Modelirovanie dvuh i trekhslojnyh prosvetlyayushchih pokrytij dlya geterostrukturnyh solnechnyh ehlementov [Modeling of two and three-layer antireflection coatings for heterostructure solar cells]. Vestnik Chelyabinskogo gosudarstvennogo universiteta [Bulletin of the Chelyabinsk State University], 2015, no. 7 (362), pp. 60-63. (In Russian)]
  14. Goldberg Yu.A. Handbook series on semiconductor parameters. Vol. 2. World Scientific, London, 1999, P. 1-36.
  15. Арсентьев И.Н., Лунин Л.С., Кузнецов В.В., Ратушный В.И., Шишков М.В., Улин B.П., Христенко А.Е., Смолин А.Ю. Получение твердых растворов gainasp на подложках пористого фосфида индия методом жидкофазной эпитаксии // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2006. № 1. С. 14-20. [Arsentev I.N., Lunin L.S., Kuznecov V.V., Ratushnyj V.I., Shishkov M.V., Ulin B.P., Khristenko A.E., Smolin A.Yu. Poluchenie tverdyh rastvorov gainasp na podlozhkah poristogo fosfida indiya metodom zhidkofaznoj ehpitaksii [Formation of the solid solutions GaInAsP on substrates of porous indium phosphide LPE]. Poverhnost'. Rentgenovskie, sinhrotronnye i nejtronnye issledovaniya [Surface. X-ray, synchrotron and neutron investigations], 2006, no. 1, pp. 14-20. (In Russian)]

Downloads

Download data is not yet available.

Downloads

Issue

Vol.  (2016) No. 4

Pages

5-12

Section

Article

Dates

Submitted

October 21, 2016

Accepted

November 6, 2016

Published

December 22, 2016

How to Cite

[1]
Arustamyan, D.A., Chebotarev, S.N., Lunin, L.S., Lunina, M.L., Kazakova, A.E., Pashchenko, A.S., Modelling of the functional characteristics of photoelectric converters based on multi-component solid solution AlxGa1-xAs, received from a liquid phase epitaxy. Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation, 2016, № 4, pp. 5–12.

License

Copyright (c) 2016 Арустамян Д.А., Чеботарев С.Н., Лунин Л.С., Лунина М.Л., Казакова А.Е., Пащенко А.С.

Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Similar Articles

1-10 of 122

You may also start an advanced similarity search for this article.