• Share
  • Email
  • Embed
  • Like
  • Save
  • Private Content
Skaitmeninis krūvininkų dinamikos saulės elementuose modeliavimas pc1 d programa bakalauras
 

Skaitmeninis krūvininkų dinamikos saulės elementuose modeliavimas pc1 d programa bakalauras

on

  • 459 views

InGaN saulės elementų modeliavimas nextnano3 PC1D programomis

InGaN saulės elementų modeliavimas nextnano3 PC1D programomis

Statistics

Views

Total Views
459
Views on SlideShare
458
Embed Views
1

Actions

Likes
0
Downloads
0
Comments
0

1 Embed 1

http://www.linkedin.com 1

Accessibility

Categories

Upload Details

Uploaded via as Microsoft PowerPoint

Usage Rights

© All Rights Reserved

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Processing…
Post Comment
Edit your comment
  • Žmonijos energijos poreikiai nuolat auga. Tačiau energijos išgavimo būdai pradėjo kelti grėsmę pačios Žemės būklei, jos klimatui. Tai privertė grįžti prie senovėje vartotos atsinaujinančios energetikos, kurios pagrindinis šaltinis yra Saulė. Tobulėjant technologijoms, energijos, išgautos Saulės elementų pagalba, kainos grėsmingai priartėjo prie anglimi išgaunamos energijos kainos. Tad žalios ir neišsenkančios energijos entuziastai vis dažniau renkasi Saulės elementus.
  • Saulės elementų yra kelių rūšių, kurie skirstomi pagal gamybos tipą, vartojamas medžiagas, galios/kainos santykį bei efektyvumą. Didžiausią potencialą pasiekti aukščiausią teoriškai įmanomą efektyvumą turi tandeminiai saulės elementai su skirtingais draustinės juostos pločio sluoksniais, efektyviai išnaudojančiais plačią Saulės spektro dalį
  • 3 kartos Saulės elementai (t.y. dideliu efektyvumu pasižymintys) turi potencialą pasiekti didelio našumo ir mažos kainos santykį. Štai dėl šios priežasties pasaulio mokslininkai yra susidomėję būtent nitritinių Saulės elementų kūrimu ir tobulinimu: juk su tandeminiais elementais buvo pasiektas rekordinis našumas 42.4%. Į serijinę gamybą „Boeing“ kompanija žada paleisti 39 % efektyvumo elementus, tad tendencija yra pagrįsta – pasaulio rinkų augimas garantuotas. Kodėl InGaN elementai yra geresni už kitus, nors jų kaina nėra maža? Nes ši medžiaga yra atspari radiacijai bei labai chemiškai bei mechaniškai stabili, todėl šie elementai gali būti vartojami kosmose, koncentratorinių Saulės elementų sistemose.
  • . Tam, kad būtų galima mažinti auginimo kaštus ir greitinti tobulinimo procesą yra būtinas fizikinių procesų nitridiniuose Saulės elementuose modeliavimas.
  • Buvo iškeltas pagrindinis klausimas, ar ši programa tenkina poreikius modeliuojant III grups nitridu Sauls elementu strukturas? Taciau pradti reikjo nuo lengvesniu uždaviniu. Buvo siekiam suskaiciuoti kaip kinta idealaus Sauls elemento padaryto iš vienos p-n sanduros našumas keiciant medžiagos draustins juostos tarpa. Buvo stengiamasi sumažinti neigiamu Sauls elemento efektyvumo mažinanciu reiškiniu itaka parenkant, didele kruvininku gyvavimo trukme, judri, absorbcijos koeficienta, maža paviršins rekombinacijos greiti. Keiciant draustins juostos tarpa, sugerties spektra, nuosavaja kruvininku koncentracija buvo gauti tokie rezultatai parodyti 5.1a pav. Gauta priklausomyb palyginta su detalios pusiausvyros riba. Pagal grafika matome, kad maksimalus našumas (~30%) atitinka Shockley-Queisser suskaiciuota riba. Kreiv ne visiškai atitinka teorini modeli. Pradžioje ir pabaigoje išryškja modeliuoto bandinio greitesnis efektyvumo mažjimas nei teoriniame. Tai gali buti dl to, kad programoje PC1D sukuriamos labiau realistins kruviu dinamikos salygos nei teoriniame modelyje.
  • Norint išsiaiškinti poliarizacijos efekto reikšmę III grupės nitridiniuose prietaisuose buvo pasirinkta tipinė Saulės elemento struktūra šiuo metu naudojama prototipiniuose InGaN Saulės elementuose. Buvo modeliuojama ši struktūra: pirmas sluoksnis 285 nm storio GaN su n  ~ 4×1018 cm−3, antras yra sudarytas 170 nm storio In0.09Ga0.91N n  ~ 1×1016 cm−3, 185 nm storio p -tipo GaN su skylių koncentracija lygia p  ~ 5×1017 cm−3. Ši struktūra pavaizduota 4.2a pav. Tokia struktūra pasirinkta dėl to, kad nesugebama užauginti kokybiškų sluoksnių su didele In koncentracija, taip pat nėra atidirbta technologija kaip legiruoti InGaN p tipu.
  • Buvo skaičiuojama energijos juostų diagrama pusiausviru atveju nežadinant struktūros šviesa. Modeliuota p-i-n Saulės elemento struktūrą tokiomis sąlygomis, kai šviesos šaltinis išjungtas. Pirmuoju atveju skaičiavom energijos juostų diagramą neįskaičiuojant poliarizacijos įtakos 5.3a pav. Gautas standartinis p-n sandūros energijos juostų pasiskirstymas. Tada tą pačią struktūrą modeliavome įskaičiuojant spontaninę ir pjezoelektrinę poliarizaciją. Gautas energijos juostų profilis turi ryškų barjerą (5.3b pav.), trukdantį skylių judėjimui į p kontaktą ir elektronų judėjimui į n kontaktą, t.y. matyti, kad poliarizacijos sukeltas elektrinis laukas yra priešingas krūvininkus atskiriančiam p-n sandūros laukui. Taip buvo įsitikinta, kad poliarizaciniai efektai yra svarbūs ir daro neigiamą įtaką tipinėse InGaN struktūrose.
  • Norint sumažinti neigiamą poliarizacijos įtaką, buvo pasirinkta kitos prietaiso struktūros, kuriose buvo įterpti du papildomi, skirtingų In koncentracijų ir storių InGaN sluoksniai, kur pirmo sluoksnio charakteristikos yra 285 nm storio GaN su n ~4×1018 cm−3 , sekantys sluoksniai yra 80 nm storio n -tipo In0.08Ga0.92N su elektronų koncentracija n ~1×1018 cm−3, 80 nm storio In0.08Ga0.92N su krūvininkų koncentracija su n ~1×1016 cm−3, ir 50 nm storio p -tipo In0.015Ga0.985N su skylių koncentracija p ~5×1017 cm−3.
  • Grafike matome, kad įterpę sluoksnius panaikinome poliarizacijos suindukuotą barjerą pavaizduotą 5.3b pav, kuris buvo gautas modeliuojant standartinę struktūrą
  • O trečioji struktūra C panaikino barjerą kuris buvo matomas B struktūroje. Taip buvo sumodeliuotas problemos sprendimo būdas III grupės nitridų standartiniai Saulės elemento struktūrai, kur didelę įtaka turi poliarizacijos reiškiniai.
  • Kaip matome trečia struktūra turi vieną InGaN sluoksnį su laipsniškai kintančia struktūra. Tokios struktūros PC1D programa nėra pajėgi sumodeliuoti. Taip pat programa nebuvo pajėgi suskaičiuoti voltamperinės charakteristikos. Dėl šių priežasčių buvo ieškota kitos, galingesnės programos. Buvo apsistota ties nextnano3 programa, kuri gali modeliuoti net ir trimačius prietaisus. 5.2 pav. b) pavaizduota energijos juostų diagrama su laipsniškai kintančios koncentracijos InGaN sluoksniu, suskaičiuotu su nextnano3 programa. Šioje kreivėje iš viso yra panaikinamas poliarizacijos barjeras. Po p-n sandūros yra nuolydis būdingas tipinėms vienos p-n sandūros saulės elementų struktūroms.
  • Modeliuojant visas tris struktūras kita programa (nextnano3) buvo gautos IV kreivės, kurios parodo poliarizacijos sukurto barjero įtaką elemento našumui. 5.5 pav. pavaizduota trijų struktūrų IV charakteristikos su AM1.5 spektro apšvita ir be Saulės apšvitos. Kaip matome iš rezultatų Saulės generuojami krūvininkai paslenka diodo I-V kreivę ir pastumia ją į ketvirtą kvadrantą, o pagal užpildymo faktorių matome, kad A struktūros našumas našumas yra mažiausias. Taip yra dėl to, kad poliarizacijos sukurtas elektrinio lauko barjeras trukdo krūvininkams sėkmingai pasiekti ir įveikti p-n sandūrą, o ją įveikus surenka savo energijos duobėje ir stabdo srovę. Taip įrodome poliarizacijos efekto svarbą III grupės nitridiniuose Saulės elementuose. Jei jo nepanaikinti elementų našumas mažėja.

Skaitmeninis krūvininkų dinamikos saulės elementuose modeliavimas pc1 d programa bakalauras Skaitmeninis krūvininkų dinamikos saulės elementuose modeliavimas pc1 d programa bakalauras Presentation Transcript

  • Skaitmeninis nitridinių saulės elementų modeliavimas PC1D, nextnano3 programomis Puslaidininkių fizikos katedra Bakalauro darbas Darbo vadovas: Dr. Tadas Malinauskas Algimantas Časas
  • Motyvacija
    • Žmonijos energetikos problemos:
      • Poreikiai nuolat auga
      • Ištekliai mažėja
      • Šiltnamio efektas
    • Saulės energija:
      • Neišsenkantis šaltinis
      • Kaina kol kas didesnė, bet nuolat mažėja
    • InGaN saulės elementai:
      • Žada didelį efektyvumą
      • Didelis cheminis , radiacinis atsparumas
      • Daugybė neišspręstų technologinių problemų
  • Energijos nuostoliai s aul ės elemente
      • Šviesa, kurios kvanto energija mažesnė nei draustinių energijų tarpas nėra sugeriama
      • Fotono energijos perviršis lyginant su E g virsta šiluma
      • Saulės elemento su vieną p-n sandūra efektyvumas negali viršyti 31%.
  • Tandeminis s aul ės elementas
  • Modeliavimas
      • Mažinami tyrimų, bei gamybos kašt ai ;
      • Greitinamas tobulinimo procesas;
      • Nustatomi prietaiso struktūros optimal ū s parametrai.
  • Idealaus SE su viena p-n sandūrą efektyvumo priklausomybė nuo Eg
    • Testinis modeliavimas
    • Maksimalaus efektyvumo riba ir padėtis sutampa Shockley-Queisser detalios pusiausvyros riba
  • M uodeliuojamo prietaiso struktūra vartojama poliarizacijos efektui tirti
    • Tipinė saulės elemento struktūra šiuo metu naudojama prototipiniuose InGaN saulės elementuose.
    • Poliarizacijos efekto analizė
  • Be poliarizacijos Su poliarizacija
    • Poliarizacijos efektas turi didelę įtaką saulės elemento veikimui.
    • Gautas energijos juostų profilis turi ryškų barjerą.
    Poliarizacijos efekto įtaka saulės elementams
  • Saulės elemento struktūros tobulinimas
    • Pakeista elemento struktūra įterpiant InGaN sluoksnius su skirtingom In koncentracijomis
    A s trukt ūra B s trukt ūra
    • Įterpiant InGaN sluoksnius panaikinta neigiama poliarizacijos efekto įtaka.
    • Sumodeliuotas problemos sprendimo būdas III grupės nitridų standartiniai saulės elemento struktūrai.
    Dviejų struktūrų A ir B energijos juostų diagramos b)
    • PC1D programa nesugeba suskaičiuoti voltamperinės charakteristikos esant poliarizacijai.
    • Naujai struktūrai C būtinas laipsininškai kintančios koncentracijos InGaN sluoksnio įterpimas. PC1D neturi tokių galimybių.
    B struktūros tobulinimas B Strukt ūra C Strukt ūra
    • Įterpiant laipsninškai kintančios InGaN sluoksnį panaikinta neigiama poliarizacijos efekto įtaka.
    • Sumodeliuotas problemos sprendimo būdas III grupės nitridų standartiniai saulės elemento struktūrai vartojant nextnano3 programą.
    Dviejų struktūrų B ir C energijos juostų diagramos b)
    • Voltamperinė ckarakteristika parodo, kad A struktūros našumas yra ~ 1 %, o B ir C ~ 2 %.
    • Poliarizacijos barjeras A modeliavimų struktūroje trugdo kr ūvininkų surinkimui .
    Trijų struktūrų A, B ir C voltamperinės charakteristikos
      • Modeliuojant PC1D programa saulės elementą, sudarytą iš vienos p-n sandūros, buvo įsitikinta, kad tokio elemento maksimalus efektyvumas neviršija 30% kai draustinės juostos tarpas yra apie 1. 1 eV ir atitinka Shockley-Queisser suskaiciuot ą rib ą .
      • Modeliavimas parodė, kad tipinėse saulės elementų struktūrose pagamintuose iš III grupės nitridų, poliarizacijos sukeltas elektrinis laukas yra priešingas p-n sandūros laukui, dėl to drastiškai sumažina krūvininkų surinkimo efektyvumą.
      • Įterpiant papildomus InGaN sluoksnius su tarpine In koncentracija galima sumažinti arba visai panaikinti neigiamą poliarizacijos įtaką.
    I švados:
  • Ačiū už dėmesį...