III-V grubu yarıiletkenlere dayalı güneş hücrelerinin elektriksel ve optik özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, GaAs-tabanlı n-p ve GaInNAs ve GaAsBi yarıiletkenlerine dayalı heteroeklem pin yapıdaki güneş hücreleri incelenmiştir. Bu güneş hücrelerinin karanlık I-V karakteristiği Sah – Noyce – Shockley (SNS) yöntemi ve ışık altında I-V karakteristiği sürüklenme-difüzyon teorisi kullanılarak modellenmiştir. Güneş hücresi örneklerinin optik karakterizasyonu için fotolüminesans ve fotovoltaj spektroskopisi kullanılmıştır. Güneş hücresi aygıtların elektriksel karakterizasyonu için örneklerin fabrikasyonu fotolitografi yöntemi kullanılarak mesa şeklinde yapılmıştır. GaAs n-p yapısının en üstünde yüzey rekombinasyon hızını azaltmak için bir pencere tabakası büyütülmüştür. GaAs/GaInNAs heteroeklem pin yapısının yüzeyi SiO2/SiNx yansıtmayı önleyici tabaka ile kaplanmıştır. Modelleme yapılırken pencere tabakası ve yansıtmayı önleyici tabakanın etkisi göz önüne alınmıştır.GaAs/GaInNAs heteroeklem pin yapının karanlık I-V deney sonucu SNS modeli ile uyumluluk gösterirken, GaAs/GaAsBi heteroeklem pin yapının deneysel karanlık I-V karakteristiği SNS modeline uymamıştır. Bunun nedeni olarak GaAs ile GaAsBi heteroeklem arayüzeyde metalik kümelenmelerin olabileceği ve bu metalik kümelenmelerin arayüzeyde Schottky eklem oluşturabileceği düşünülmüştür. GaAs/GaAsBi heteroeklem pin yapının karanlık I-V davranışını açıklayabilmek için SNS modeline Schottky eklemin de etkisi eklendiğinde modelin deney sonucu ile uyumlu olduğu görülmüştür. Örneklerin ışık altındaki performansını belirlemek için AM 1.5G spektrum altında akım-voltaj deneyi yapılmıştır. Güneş hücresi aygıtların AM 1.5G spektrumdaki fotoakım değeri sürüklenme-difüzyon modeli sonucunda elde edilen teorik değer ile uyumluluk göstermiştir. Deney sonucunda güneş hücresi örneklerin verim değerleri ile birlikte diğer parametreleri hesaplanmıştır. AM1.5G spektrumu altında, GaAs referans güneş hücresinin %7.8, GaInNAs-tabanlı güneş hücresinin %10.5 ve GaAsBi güneş hücresinin %4.18 verime sahip olduğu belirlenmiştir.Elde edilen sonuçlar ışığında yeni nesil 3 eklemli GaInP/GaAs/GaInNAs nipi yapı da modellenebilmiştir. Klasik yapıdaki GaInP/GaAs/GaInNAs ile kıyaslandığında nipi yapıda GaInNAs içeren 3 eklemli güneş hücresinin daha yüksek verimde olacağı teorik olarak elde edilmiştir.

In this work, GaAs-based n-p reference solar cell and GaInNAs- and GaAsBi- based heterojunction pin solar cells were investigated. The dark I-V and the I-V under the AM1.5G spectrum of the solar cells were modelled by Sah – Noyce – Shockley (SNS) model and Drift-diffusion theory, respectively. Photoluminescence and photovoltage measurements were used to carry out the optical characterization of the solar cell samples.Solar cells were fabricated in mesa structure using conventional photolithography techniques for electrical characterization. The window layer was grown at the top of the GaAs n-p structure for reducing surface recombination rate. The GaAs/GaInNAs heterojunction pin structure was coated with SiO2/SiNx as an antireflective layer. Effect of the window layer and antireflective layers were also included in the modelling. The dark I-V characterization of the GaAs/GaInNAs heterojunction pin sample is found to be consistent with SNS model, in contrary, the model has not been well-fitted with the experimental dark I-V curve of the GaAs/GaAsBi heterojunction pin structure. It is well-known that, because of the growth conditions, GaAsBi grows with surface droplets and the nature of these droplets can be Ga, Bi, or GaBi. All the form of these droplets are metallic and form a Schottky barrier at the interface between GaAs and GaAsBi. By including the Schottky barrier effect into the SNS model, a good agreement has been achieved between modelled and measured I-V curves. I-V characterizations were carried out under AM 1.5G spectrum to determine the performance of the samples under illumination. Experimentally obtained photocurrent of the solar cell samples under AM 1.5G spectrum showed compatibility with the value of photocurrent theoretically obtained by using drift-diffusion model. The parameters of the solar cell samples extracted from the experimental results. The efficiency values under AM1.5G spectrum have been observed to be 7.8% for GaAs reference solar cell, 10.5% for GaInNAs-based solar cell and 4.18% for GaAsBi-based solar cell. In the light of obtained results, new generation GaInP/GaAs/GaInNAs nipi three-junction solar cell structure has also been modelled. The result of the modelling has been revealed that three-junction solar cell with GaInNAs nipi structure has higher efficiency than classical GaInP/GaAs/GaInNAs structure.