Thin film GaAs solar cell
Introduction
设计太阳能电池的主要挑战之一是使效率最大化。在这个例子中，我们考虑了在理论上的Shockley-Queisser极限下降低单个结GaAs太阳能电池效率的光电因素。
Overview
这一令人震惊的限制为使用热力学参数的单结太阳能电池的效率设定了一个基本的理论限制[Shockley61]。在极限的推导中，有三个关键的假设
- 所有入射光都在材料的带隙下方被吸收，每个被吸收的光子都产生一个电子-空穴对
- 唯一的重组来源是直接(带对带)辐射重组(满足详细平衡原则)
- 除此之外，电荷的传输没有任何限制(无限的流动性，完美的反射触点)
Shockley-Queisser极限值与AM1.5G太阳能光谱结合后，将单个结型光伏电池的最高效率设置为33.7%，理想带隙为1.34eV，非常接近GaAs(最大理论效率为32.8%)[Araujo90]。AM1.5G太阳光谱的Shockley-Queisser极限，以及GaAs带隙的位置，绘制在下图中[Wiki04]
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考虑到绝对效率的限制。 基本损失来源包括黑体辐射(太阳能电池通常认为温度为Tearth),辐射复合(细致平衡原理的要求),和材料的非零带隙(减少了可以吸收的波长范围)。当使用AM1.5G谱作为源时(总功率密度为100mW/cm2)，所有波长的吸收光子总数将能够产生电流为
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然而GaAs的带隙为1.424eV，这让它能吸收的波长范围限制在870nm以下。在没有辐射重组的情况下，GaAs将能够产生大约32.2mA/cm2的等效电流(根据太阳脚本命令提供的数据计算)。如下图所示。
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为了模拟入射光的理想吸收，我们求解了一个简单的无反射的一维吸收方程。首先，我们注意到表面电场与光谱辐照度有关:
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假设每个吸收光子产生电子空穴对,生成率作为深度的函数z和波长λ
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(有关生成率的详细公式，请参阅白皮书(光敏器件的光电建模)。用电场代替，对波长积分，净生成率为
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以确保完整的光谱范围内的吸收砷化镓(即光子能量大于带隙),可以使用人造折射率,拥有大量恒定值波长低于砷化镓带隙,和是零(下面的情节比较虚指数砷化镓的理想化的完美吸收器)。两个理想(无反射)1D吸收曲线如下图所示(右)，将GaAs的现实指标与人工的GaAs相比较，确保完全吸收。在fo中，这些生成率概要被用作理想的数据源。
<figure class="double-col">
<img src="https://kb.lumerical.com/en/solar_gaas_perfect_im_index_zoom148.png" >
<img src="https://kb.lumerical.com/en/solar_gaas_generation_compare_zoom105.png" >
</figure>
要计算1D生成率概要文件并将结果记录到数据文件中以导入设备模拟，脚本solar_gaas_ideal_1d_absoprtion。lsf在相关文件中提供。打开solar_gaas。fsp项目并从FDTD解决方案中运行脚本，以使用与当前示例对应的GaAs的材料属性。
Shockley-Quessier 极限下的理想电学结构和效率
为了构造理想的电收集结构，必须满足Shockley-Quessier极限的条件。这些包括
- 迁移率为无限大
- 没有非辐射复合过程
- 完美反射的电极（少数载流子）
这种结构可以通过仔细控制半导体材料模型来模拟。打开solar_gaas。在设备ldev项目。在这个项目文件中，添加了用于AlGaAs的半导体材料，并创建了GaAs(“GaAs (Gallium Aresenide) - Ideal”)和AlGaAs的修改版本。在初始配置中，GaAs和AlGaAs层由理想的材料版本定义(这可以通过编辑结构的属性和检查材料属性来确定)。图中描述了来自[Wang13]的结构和掺杂.
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对理想的GaAs材料模型做出如下调整：
- 所有的非辐射复合都被禁止
- 电子和空穴的迁移率都被设置为很大值
此外，对空穴有效质量进行了轻微的减小，使其与理论的反向偏置饱和电流接近，进而影响开路电压。
在GaAs与顶部和底部的AlGaAs层之间的异质结中，带偏移量自然地反映了事件的少数载流子，满足了完全反射的接触条件。仿真布局包含一个带结构监视器(monitor)，它将在仿真的活动区域记录一个带结构的一维轮廓。为了更准确地插补光率，在GaAs层的表面包含两个网格覆盖区域。通常情况下，自动网格细化会精确地插入光的生成速率，但是在理想的(完全吸收)情况下，靠近表面的变化需要额外的约束。对空间电荷层(SCL)增加了一个网格约束，并减少了电荷的最小和最大边缘长度，以便与理论结果更接近。
理想的(完全吸收的)光产生率从以前的1D计算包括作为一个电子-空穴对(ideal_ogr)的来源。对象本身在z中被-30nm偏移以使其与GaAs层的顶部表面对齐(回想一下理想的1D吸光度计算假设从GaAs表面开始反射为零)。另一个光学生成速率对象(ogr)在这个模拟中被禁用。
运行模拟，将偏差从0扫到1.13V。使用下面的脚本命令绘制当前密度和光电效率，将结果规范化为太阳能电池的名义1cm2区域。请注意，在效率计算中，太阳能电池(P = JV)的功率与AM1.5G照明的入射功率之比等同于所发功率(以百分比计算)，因为AM1.5G频谱归一化后可传输100mW/cm2:
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<pre><code> normarea = (getnamed('CHARGE simulation region','x span')getnamed('CHARGE','norm length'));
base = getresult('CHARGE','base');
?Jb = 0.1pinch(base.I)/normarea; # mA/cm2
Ve = base.V_emitter;
plot(Ve,Jb,'voltage (V)','current density (mA/cm2)');
plot(Ve,Jb*Ve,'voltage (V)','efficiency (%)');
</code></pre>
<figure class = double-col>
<img src = "https://kb.lumerical.com/en/solar_gaas_iv_curve_zoom126.png">
<img src = "https://kb.lumerical.com/en/solar_gaas_eta_zoom125.png">
</figure>
在前面的仿真中，短路电流密度为32.6mA/cm2，开路电压约为1.12V，最大光伏效率为32.4%，接近于Shockley-Queisser极限所得到的理论最大值。在电子仿真的建立过程中，对网格的离散化和光生成速率的插值进行了研究。为了在本例中进行进一步的比较，我们将使用最大光伏效率32.4%作为参考。
为了查看能带结构，选择band structure monitor，可视化"bandstructure" 数据表. 少数载流子阻挡层在顶部和底部的异质结层清晰可见。
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实际光学结构
为了考虑实际的光学效果，将进行FDTD模拟。影响光学响应的设计包括
- 前表面的反射(非理想的抗反射涂层)
- 非理想的背电极反射
- 不完全的吸收（实际的折射率）
- 电极阴影效应
在光学模拟中可以很容易地处理前三个组件。下载并打开solar_gaas.fsp。分层的太阳能电池结构包含在“背面反射器”结构中。这包括与前面描述的相同维度的AlGaAs/GaAs/AlGaAs堆栈。在背面，和铝接触层包括在内。在前表面添加了一层抗反射涂层(ARC)，其折射率为1.4。该ARC的厚度变化以最大限度地提高GaAs的光吸收(在项目文件中包含一个扫描“ARC”，可用于改变电弧厚度并监测GaAs层中电子-空穴对的净生成)。最佳厚度为0.1um。
采用平面波源提供照明，加入太阳能发电速率分析对象(refl_gen)计算AM1.5G太阳光谱源的产生速率和理想短路电流密度。在GaAs表面增加了一个网格覆盖，以提高吸收功率计算的分辨率，因为在较短的波长下，光大部分被吸收在表面。
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