Simulation et optimisation des paramètres d’une cellule solaire Schottky à base des matériaux III/V nitrurés.

Abstract

الملخص (بالعربية) :

أصبحت سبيكة إنديوم جاليوم نيتريد (InGaN) في السنوات الأخيرة أحد أشباه الموصلات المهمة لإنتاج المكونات الإلكترونية الضوئية ، نظرًا لفجوة النطاق القابلة للتعديل اعتمادًا على تركيبة الإنديوم ، بين0.7 الكترون فولط إلى 3.4 الكترون فولط. يسمح ذلك بامتصاص جزء كبير من الطيف الشمسي ويجعل سبيكة InGaN مرشحًا ممتازًا لإنتاج خلايا شمسية متعددة الوصلات عالية الكفاءة. سمح هذا العمل الخاص بالأطروحة بإجراء تحقيق متعمق في أداء هياكل الخلايا الشمسية المختلفة القائمة على InGaN. إنه جزء من مشروع يهدف إلى الجمع بين طرق التحسين الرياضية متعددة المتغيرات مع نهج محاكاة صارم يعتمد قدر الإمكان على النماذج والنتائج التجريبية. هذا نهج جديد يسمح بدراسة أداء الخلايا الشمسية من خلال تحسين العديد من المعلمات (المادية والهندسية) للخلية الشمسية في وقت واحد. درسنا لهذه الأطروحة ، بنية جديدة بدون طبقة P (خلية شمسية شوتكي). ستسمح لنا هذه الدراسة بتقييم الأداء الأمثل الذي يمكن أن تتمتع به الخلايا القائمة على InGaN وستكون مهمة للتصميم والتطوير المستقبلي لخلايا InGaN الشمسية عالية الكفاءة. يتم فحص خلية Schottky الشمسية الجديدة بطبقة تكوين متدرجة باستخدام تقنية عددية متقدمة ونماذج فيزيائية واقعية. ركزت دراستنا على تأثير تحول النطاق بين n-GaN / n-InGaN وتحسين جودة الواجهة. باستخدام المعلمات المستخرجة من الأعمال المنشورة مؤخرًا ، حصلنا على كفاءة كبيرة تبلغ 21.69٪ للقيم المثلى لـ Wf = 6.3 eV ، xIn = 54% ، TInGaN = 0.18 μm و Nd = 2 × 1017 cm-3. بالإضافة إلى ذلك ، من الجدير بالذكر أن الجهاز الذي تم فحصه ينافس أداء p-n و p-i-n InGaN النموذجي بتكلفة معقولة. يشجع هذا المجتمع العلمي على تصميم خلايا شمسية InGaN Schottky جديدة يتم فيها تحسين جودة الواجهة بإضافة طبقة متدرجة مع مراعاة المعلمات الواردة في هذا البحث الرقمي.

الكلمات المفتاحية : خلايا شوتكي الشمسية. n-GaN / n-InGaN ؛ واجهة غير متجانسة طبقة تدريجية ، تحسين الواجهة ؛ الاقوي؛ أطلس سيلفاكو. ---------------------------------------------- Résumé (en Français) :

L’alliage de Nitrure de Gallium et d’Indium (InGaN) est devenu au cours des dernières années un semi-conducteur important pour la réalisation de composants optoélectroniques, du fait de sa bande interdite modulable en fonction de la composition d’indium, entre 0.7 eV à 3.4 eV. Ceci permet l’absorption d’une grande partie du spectre solaire et fait de l’alliage InGaN un excellent candidat pour la réalisation de cellules solaires multijonctions à très haut rendement. Ce travail de thèse a permis une investigation approfondie sur les performances de différentes structures de cellules solaire à base d’InGaN. Il s’inscrit dans le cadre d’un projet visant à associer des méthodes d’optimisation mathématique multi variée à une démarche rigoureuse de simulation s’appuyant autant que possible sur des modèles et résultats expérimentaux. Il s’agit d’une nouvelle approche qui permet d’étudier les performances des cellules solaires en optimisant simultanément plusieurs paramètres (physiques et géométriques) de la cellule solaire. Nous avons étudié pour cette thèse, une nouvelle structure sans couche P (cellule solaire Schottky). Cette étude nous permettre d’évaluer les performances optimales que pourraient avoir les cellules à base d’InGaN et seront importantes pour la conception et l’élaboration future de cellules solaires InGaN à haut rendement. La nouvelle cellule solaire Schottky avec une couche à composition graduée est étudiée à l'aide d'une technique numérique avancée et de modèles physiques réalistes. Notre étude s'est concentrée sur l'effet de décalage de bande entre n-GaN/n-InGaN et l'amélioration de la qualité de l'interface. En utilisant des paramètres extraits de travaux récents publiés, nous avons obtenu une efficacité importante de 21,69% pour les valeurs optimales de Wf = 6,3 eV, xIn = 54%, TInGaN = 0,18 μm et Nd = 2 × 1017 cm-3. De plus, il est Il est à noter que le dispositif étudié rivalise avec le rendement de l'InGaN p-n et p-i-n typique à un coût raisonnable. Cela encourage la communauté scientifique à concevoir de nouvelles cellules solaires InGaN Schottky dans lesquelles la qualité de l'interface est améliorée en ajoutant une couche graduée et en prenant en considération les paramètres donnés dans cette investigation numérique.

Les mots clés : cellules solaires Schottky ; n-GaN/n-InGaN; Hétéro-interface; Couche graduelle, amélioration de l'interface ; Optimisation; Atlas -Silvaco.

----------------------------------------------

Abstract (en Anglais) :

In recent years, Gallium Indium Nitride (InGaN) alloy has become a semiconductor of choice for the realization of optoelectronic devices, because of its wide spectral coverage, with a bandgap that can be modulated, by changing the indium composition, between 0.7 eV and 3.4 eV. This allows the absorption of a large part of the solar spectrum and makes the InGaN alloy an excellent candidate for the realization of very high efficiency multi-junction solar cells. This thesis work allowed an in-depth investigation of the performance of different solar cell structures based on InGaN. It is part of a project aiming to combine multivariate mathematical optimization methods with a rigorous simulation approach based as much as possible on experimental models and results. This is a new approach to study the performance of solar cells by simultaneously optimizing several parameters (physical and geometric) of the solar cell. We studied for this thesis, a new structure without P layer (Schottky solar cell). This study will allow us to assess the potential optimal performance of InGaN-based cells and will be important for the design and future development of high efficiency InGaN solar cells. The new Schottky solar cell with a graded composition layer is investigated using advanced numerical technique and realistic physical models. Our study focused on the band shift effect between n-GaN/n-InGaN and improvement of interface quality. Using parameters extracted from recently published works, we obtained a significant efficiency of 21.69% for the optimal values of Wf = 6.3 eV, xIn = 54%, TInGaN = 0.18 μm and Nd = 2 × 1017 cm-3. Additionally, it is noteworthy that the investigated device rivals the performance of typical p-n and p-i-n InGaN at a reasonable cost. This encourages the scientific community to design new InGaN Schottky solar cells in which the interface quality is improved by adding a graded layer and taking into consideration the parameters given in this numerical investigation. Keywords : Schottky solar cells; n-GaN/n-InGaN; Hetero-interface; Graded layer, Interface amelioration; Optimization; Silvaco-Atlas software.