一种后异质结结构GaAs基单结电池的性能优化方法

本发明涉及太阳能电池及半导体器件，尤其是一种后异质结构gaas基单结电池的性能优化方法。

背景技术：

1、砷化镓（gallium arsenide，gaas）太阳能电池是目前应用最广泛的高效半导体光伏器件之一。据可再生能源实验室（nrel）统计， gaas单结太阳能电池效率的世界记录为29.1%，高于其他所有类型的单结电池，但相较33%的理论极限效率还有一定差距。近年来研究人员致力于通过深入研究和优化单结、多结太阳能电池的结构，以提高光电转换效率，推动可再生能源的广泛应用和能源转型。

2、当前对gaas太阳能电池的研究多集中在传统结构上，例如p-n结构、n-p结构、p-i-n结构、p-diode结构等。n-p结构是gaas单结太阳能电池中常见的结构之一，其构造方式是将n型区域放置在p型区域之上，较薄的n型层作为发射区，较厚的p型层作为基区，形成一个反向的pn结。后异质结结构是一种反直觉的n-p结构，由较厚的n层作为发射区，非常薄或厚度为0的p层作为基区，bsf层同时发挥基区作用，在近背接触处形成np异质结，在实际制备中发现后异质结结构有助于器件效率的提高。

3、现有技术制备后异质结结构的gaas基单结电池的过程工艺复杂，且制作成本高，无法灵活改变器件层厚度、掺杂浓度来优化器件，存在测试难度大，对多结电池中子电池的的特性难以进行有效表征等问题。目前的研究主要集中在以后异质结结构器件验证光子循环效应的数学模型，以及背面反射器对后异质结结构器件的提升作用，缺乏对后异质结结构的作用机理的探究，难以对电池性能进行进一步优化。虽然gaas材料已经被广泛的研究，但alinp、gainp、alingap、ingaas一系列gaas基材料均为带隙可调材料，其物理参数与元素比例有关，折射率、消光系数也与掺杂浓度有关，具有复杂性，调整其物理参数以构建与实际制备器件参数相近的后异质结结构gaas基单结电池有一定难度。使用数值模拟软件，基于物理模型与方程的计算，能够充分反映半导体内部的底层物理特性，预测太阳能电池性能，对电池的设计、制造提供重要指导。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种后异质结结构gaas基单结电池的性能优化方法，采用数值模拟后异质结结构的方法，利用物理模型在数值模拟软件中设置材料参数、描述界面特性，对gaas基多结电池进行有效表征，大大优化了电池性能，为进一步探索高性能的后异质结结构gaas基太阳电池提供了理论预测，较好地解决了后异质结结构gaas基单结电池特性参数分析及优化困难的问题，弥补后异质结结构gaas基多单结电池仿真的不足，为得到更高转换效率的gaas基单结电池提供理论基础，基于物理模型与方程的仿真能够充分反映半导体内部的底层物理特性。该方法兼顾了仿真结果的准确性和收敛性，使用数值模拟软件模拟并优化gaas基iii-v族单结太阳电池，可以节省大量的时间和成本，有助于更好地理解电池内部的作用机制。使用数值模拟研究后异质结结构的方法为进一步探索高性能的后异质结结构gaas基太阳电池提供了理论预测，在实际太阳能电池生产中具有指导性的意义和作用，以及良好的运用前景和商业价值。

2、实现本发明目的的具体技术方案是：一种后异质结结构gaas基单结电池的性能优化方法，包括极薄窗口层、厚且低掺杂发射层、极薄或厚度为0的高掺杂基区，较薄且高掺杂的背场层组成的后异质结结构gaas基单结电池器件，其特点是采用数值模拟后异质结结构的方法，利用物理模型在数值模拟软件中设置材料参数和描述界面特性，对gaas基单结电池进行表征，电池性能的优化具体包括下述步骤：

3、步骤一：在器件仿真器中对后异质结结构的电池进行网格初始化；

4、步骤二：设置各层材料厚度、掺杂；

5、步骤三：定义器件的电极；

6、步骤四：声明物理参数模型描述物理过程；

7、步骤五：根据采用的模型设置材料参数、描述界面特性；

8、步骤六：改变直流电信号及光照条件得到器件特性及器件内部信息，若器件结构特性、电学特性、光学特性符合太阳能电池基本特性则进入下一步骤，否则返回步骤一加大网格密度，或返回步骤二适当调整发射区、基区的层厚度和掺杂浓度，或检查步骤四中物理参数合理性及界面设置；

9、步骤七：从步骤六所得的日志文件中提取关键电学参数，若器件电学参数与实际器件测得结果误差较小，则正确完成后异质结结构gaas基电池建模，或可进一步的进行器件优化，否则返回步骤四，调整物理参数、界面设置，对于多结电池，调整隧道结设置。

10、所述步骤一具体包括：

11、状态mesh auto声明网格生成开始，自动化分网格。自动网格划分特别适用于外延结构，特别是具有多层的器件结构。其中y网格线的位置在region语句中指定，x方向上网格定义为中间密两边疏，y方向上在发射区和基区设置较密网格。网格划分有助于保证仿真结果的收敛性与准确性。本研究旨在通过合理建模与数值模拟分析后异质结结构电池的特性，在模拟中，电学性能与电池的表面积无关，且较大的表面积需要更多x方向上的网格线，这会增加仿真所需的时间。因此，将x方向上的网格线的最大值定义为1，最小值定义为0，并将电池面积设定为1e-8 cm2。这样的设定能够在保持仿真精度的同时，有效控制计算复杂度。

12、所述步骤四包括：

13、声明仿真求解采用的物理模型，所述物理参数模型为迁移率模型、载流子产生复合模型、载流子统计模型。其中，迁移率模型采用浓度依赖迁移率模型，载流子统计模型至少声明能带变窄模型，载流子产生复合模型至少包括俄歇复合模型、光学复合模型、表面复合模型。

14、所述光学复合模型即光子产生复合模型，涉及到两个部分过程。对于辐射复合，电子按带隙的顺序失去能量，并从导带移动到价带。对于光学产生，电子从价带移动到导带。后异质结结构通过减少非辐射复合增强了内辐射效率，显著的增强了光子循环从而获得较高的电学性能。在器件模拟中最直接的将光子循环纳入模型的方法是降辐射复合系数系数，或等效地增强本征辐射复合寿命。故光子产生复合模型(optr)模型中我们定义低于本征辐射复合系数的copt值(单位为cm3/s)来描述器件中的光子循环。

15、所述步骤六具体包括：

16、首先对初始模型进行求解，得到器件结构特性，包含器件带隙结构、电场分布、载流子产生复合率分布等。仿真结束后，假设阳极为p型，并在正阳极电压上提取特性。接着求解暗条件下iv曲线。对于光照下电池特性，通过solve 语句上分配光束强度来打开照明，接着求解光照条件下iv曲线。以阳极电压(vanode)为横坐标，短路电流密度(currentdensity)为纵坐标作光暗电流曲线。最后求解光谱响应与eqe曲线，光源辐照度设置为10mw/cm2。从指定初始波长以0.01微米的步长上升至最终波长。仿真结束后，以波长(opticalwavelength)为横坐标，太阳能电池产生的电流与入射到太阳能电池上的功率的比值为纵坐标作光谱响应曲线；以波长为横坐标，阳极电流与入射电流的比值为纵坐标作外量子效率曲线 (eqe)。

17、所述步骤七具体包括：

18、从光电流曲线中提取短路电流密度 (jsc)、开路电压 (voc)、最大功率 (pm)、最大功率电压 (vm)、最大功率电流 (im)和填充因子 (ff)、光强度，并根据面积计算得出电池效率。在x方向上长度为1微米的条件下，area=1e-8，通过乘以100将其准换成百分数，即{ extract name="eff" (1e8*$pm/$opt_int)*100}。

19、本发明与现有技术相比具有实现后异质结结构gaas基单结电池的特性分析，可有效用于定性分析电池中各种影响因素如辐射复合、界面复合、有源层厚度、掺杂浓度对器件的性能如电学特性的影响。本发明充分反映了后异质结结构gaas基太阳能电池的工作机理，可以弥补后异质结结构gaas基太阳能电池仿真的不足，解决因实际工艺复杂、成本高带来的分析后异质结结构gaas基单结电池的特性难度大的问题，使用数值模拟的方法为进一步探索高性能的后异质结结构gaas基太阳电池提供了理论基础，在实际太阳能电池生产中具有指导性的意义和作用，以及良好的运用前景和商业价值。