GaInNAs nipi güneş hücre yapısının tasarımı ve karakterizasyonu

Abstract

GaInNAs seyreltik azotlu alaşım yarıiletkeninin en büyük özelliği bant aralığının 1 eV civarında ve daha küçük veya büyük olarak ayarlanabilmesi ve GaAs ile örgü uyumlu olmasıdır. Bu sayede, yüksek verimli güneş hücre uygulamasında kullanılabilecek en uygun yarıiletken adayındandır. Bu tez çalışmasında, nipi yapıda 1 eV GaInNAs güneş hücre yapısının farklı kalınlık ve katkılama yoğunluğu kombinasyonlarında fotovoltaik performansının teorik olarak incelemesi (simülasyonu) yapılmıştır. Teorik modelleme sürecinde hem fotoakım hem de karanlık akım hesabı için sürüklenme-difüzyon modeli kullanılmıştır. GaInNAs nipi güneş hücresinin simülasyonunda gerekli temel parametreler literatürde 1 eV bant aralıklı GaInNAs yarıiletkeni için yapılan çalışmalardan alınmıştır. Bu temel parametrelerden soğurma katsayısı ve kırılma indisi gibi GaInNAs yarıiletkenin ışığın dalgaboyuna bağlı değişen optik özellik parametreleri ise eğri olarak kullanılmıştır. Teorik hesaplamalarda GaInNAs nipi güneş hücresinin foto – akım yoğunluğunun, açık devre voltajının ve verimliliğinin nipi eklem periyot sayısına göre değişimi sonuçlandırarak yorumlanmıştır. Ayrıca nipi güneş hücresinin spektral duyarlılık grafiklerine de yer verilerek nipi katmanların kalınlığı ve katkılama yoğunluklarının etkileri incelenmiştir. Yapılan simülasyon sonucunda en yüksek verimli GaInNAs nipi güneş hücre yapısı oluşturulmuş ve ona göre Tampere Teknik Üniversitesinde örnek büyüttürülmüştür. Büyütülen örneğin fotolüminesans (Photoluminescence – PL) ölçümleri ve PL pik değerlerinin örnek boyunca dağılımları örneğin kaliteli büyütüldüğünü göstermekte.

The important characteristics of GaInNAs dilute nitride alloy semiconductor that its bandgap can tune around the 1 eV and can be grow lattice matching to GaAs. These properties make it the most suitable semiconductor candidate for high efficiency solar cell applications. In this thesis work, GaInNAs 1 eV nipi solar cell structure is theoretically (simulation) investigated with different combination of layer thicknesses and doping profiles. The drift-diffusion theory is used to calculate photocurrent and dark current during the simulation. The parameters necessary for simulation of GaInNAs nipi solar cell are taken from research reports on the 1 eV GaInNAs in the literature. The optical properties of GaInNAs semiconductor as absorption coefficient and refractive index are used as curve. In the theoretical calculation, changing of photocurrent density, open circuit voltage and efficiency of GaInNAs nipi solar cells by nipi period is explained. Also, the effects of nipi layer thicknesses and doping profiles on the spectral response of the solar cell are investigated. As a result of simulation, high efficiency GaInNAs nipi solar cell structure is selected and is grown at the Tampere University of Technology. The PL spectrum and PL peak mapping of the sample wafer show that the sample is grown with good quality.