Este documento descreve a simulação numérica de um dispositivo fotovoltaico constituído por várias camadas semicondutoras usando o software AFORS-HET. O documento apresenta os resultados das simulações da característica corrente-tensão para diferentes comprimentos de onda e fluxos de fótons, bem como a resposta espectral do dispositivo.
4. INTRODUÇÃO(1/4)
O AFORS-HET é um software
Open Source que permite uma
simulação numérica de vários
parâmetros de células solares e
de dispositivos constituídos por
materiais optoelectrónicos
Modelização e simulação 1D de
uma estrutura constituída por
vários layers semicondutores e
interfaces
Variações de parâmetros
arbitrários (simulações de
variáveis externas que afectam o
funcionamento do dispositivo) e
variações do(s) parâmetro(s) em
estudo 4
Diagramas de banda, estudo IV,
recombinação, mudanças de
fase, resposta espectral, etc.
Modelização e simulação 1D de
uma estrutura constituída por
vários layers semicondutores e
interfaces
5. INTRODUÇÃO–CONCEITODOS(2/4)
Uma Banda simples possui N –
estados – Apenas uma fracção
deles está ocupada
Pergunta: Quantos estados estão
ocupados até E? Ou quantos
estados por unidade de energia?
(DOS)
A DOS de uma estrutura
caracteriza o número de estados
por intervalo de energia por cada
nível que podem ser ocupados
por electrões;
5
7. INTRODUÇÃO–PIN/PINIP(4/4)
Os dispositivos são PINIP são
baseados nos dispositivos PIN.
Os PINIP obtém a sua designação
através da camada I (região
intrínseca situada entre a camada
P e a camada N
O PINIP pode ser representado
como um díodo, que depende to
bias (tensão) aplicada para que
conduza.
O a-SI:H (silício amorfo
hidrogenado) é mais indicado
para aplicações de detecção de
cores em virtude da sua eficiência
de absorção nomeadamente na
zona visível do espectro 7
9. Consideraçõesiniciais
Estudo assentou em três cores no
espectro do visível;Vermelho,
Verde e Azul (RGB – Red. Green &
Blue)
9
COR λ Escolhido[nm]
Intervalo de λ
[nm]
Azul 455 450-490
Verde
555 490-560
Vermelho
655 635-700
Estrutura do dispositivo por
camadas
11. Foi considerada iluminação
monocromática com uma
densidade de fluxo de fotões de
2,8E+17 1/cm2 s e uma range de
tensão entre -1 e 1V
Cada cor representa o
comprimento de onda em estudo
Cor azul e vermelha distinguem-
se bem
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CaracterísticaI-V(1/4)
COR λ Escolhido[nm]
Intervalo de λ
[nm]
Azul 455 450-490
Verde
555 490-560
Vermelho
655 635-700
12. O próximo teste foi alterar o
fluxo de fotões para 2,8E+20
1/cm2 s
12
CaracterísticaI-V(2/4)
13. Característica IV para PINIP, fluxo
fotões de 2,8E+15 1/cm2 s
13
CaracterísticaI-V(3/4)
16. RespostaEspectral
Para uma melhor visualização da
resposta aumentou-se a gama de
comprimentos de onda,
“alargando-a” do visível para
uma gama que compreende
comprimentos de onda entre os
200nm e os 700nm
Em termos das cores em estudo,
esta gama é mais próxima do
Azul e doVerde, sendo a cor
Vermelha a cor que este
dispositivo tem mais dificuldades
em identificar
16
18. Conclusões(1/2)
O AFORS-HET possui algumas
limitações. Por exemplo, na
simulação dos três
comprimentos de onda para as
cores pretendidas, não podemos
utilizar três comprimentos de
onda com valores que não sejam
proporcionais entre si senão dá
um erro
Uma vantagem da simulação 1D,
foi a verificação que a luz
atravessa as várias camadas
sendo fundamental que o valor
do hiato energético (Eg) das
camadas seja feito do maior para
o menor
Em relação à resposta espectral,
podemos concluir que estudos e
experiências relativos à melhoria
dos resultados dos
comprimentos de onda do
Vermelho podem ser realizados
com materiais/espessuras
tornando este dispositivo mais
selectivo e robusto
A DOS, com os seus parâmetros
Cb_Tail – aceitadores,VbTail –
receptores permitiu a correcção
do parâmetro chi num layer da
estrutura
18
19. Conclusões(2/2)
Em relação ao dispositivo PINIP,
para detecção de cores,
ESTRUTURA DO DISPOSITIVO
ESPESSURA DAS CAMADAS
INTENSIDADE DE FLUXO DE
FOTÕES
19
21. Bibliografiaesitesinteressantes
21
[1] Silício amorfo:
http://wikienergia.com/~edp/index.php?title=
Sil%C3%ADcio_amorfo [Acedido a 13 de Julho
de 2014].
[2] Silício amorfo
http://www.cgomes.uac.pt/TE/Estagio/0405/W
bQs/wqRG/Carac/nautilus/Silicio/S%EDlicio%2
0P%E1gina%20Principal_ficheiros/e01400.ht
m [Acedido a 13 de Julho de 2014].
[3] P. Louro,Y.Vygranenko, J. Martins, M.
Fernandes, M.Vieira, Colour sensitive devices
based on double p-i-n-i-p stacked photodiodes,
2007.
[4] P. Louro, Y. Vygranenko, J. Martins, M. Fernandes,
M. Vieira, Alessandro Fantoni,Image and color
recognition using amorphous silicon p–i–n
photodiodes
[5] DOS:
http://ecee.colorado.edu/~bart/book/welcome.htm
[Acedido a 13-07-2014]
[6] DOS: Calculation of the density of states in 1, 2
and 3 dimensions
http://ecee.colorado.edu/~bart/book/book/chapter2
/pdf/ch2_4_2.pdf [Acedido a 13-07-2014]
Um DOS alto em um nível específico de energia significa que há muitos estados disponíveis para ocupação. Um DOS nulo, zero, significa que nenhum estado pode ser ocupado em um nível de energia.
Quando um semicondutor é dopado do tipo N, existe uma maior concentração de electrões do que lacunas,
á num semicondutor dopado do tipo P, existem mais lacunas do que electrões
A possibilidade de através do depósito controlado de elementos químicos como o germânio ou o carbono alterar o seu perfil de absorção espectral, resultando em materiais com diferentes bandas proibidas
assim a resposta espectral das estruturas PINIP poderem ser controladas através de vários níveis de tensão tornam o a-SI:H ideal para dispositivos optoelectrónicos que excluem o uso de filtros de cores pois o vermelho, o azul e o verde podem ser detectados selectivamente, conforme poderemos observar neste trabalho.
De notar que o gap observado na tabela 2 relativo ao intervalo de comprimentos de onda do verde para o vermelho – 560-635nm – é o relativo às cores amarela e laranja. Como não são objecto de estudo não são consideradas.
As espessuras dos materiais são um ponto chave neste dispositivo pois elas vão ajudar a que determinados comprimentos de onda provenientes da fonte de luz sejam absorvidos para que a separação das cores possa ser facilitada.
O aSiCH foi usado para as camadas P e N, o aSiH para a camada intrínseca I (espessura de 100nm e de 400nm) e a prata (Ag) foi utilizado como “parede” para que luz não atravesse.
Inicialmente existiu um problema na definição do aSiCH que levava a resultados não esperados. O debug foi feito com ajuda do gráfico da DOS no Afors-Het e o erro estava na calibração do valor de chi (afinidade electrónica) colocado face ao do aSiH (0.2).
Os lambdas correspondentes às cores azul e vermelho são bem distinguidos pelo PINIP
mas a cor verde não acompanha este resultado.
Podemos concluir que não é possível uma distinção das três cores ideal com os parâmetros escolhidos.
Consegue-se ver o nível de corrente (current density) onde existe saturação.
Como podemos observar pela Figura 2, o incremento do fluxo de fotões degrada imenso a capacidade do dispositivo de detectar as cores.
Outra conclusão é que mantendo a gama de tensões entre os -1 e 1 Volt, não visualizamos a saturação da corrente.
A diminuição da densidade do fluxo de fotões parece melhorar ligeiramente a detecção das cores por parte do PINIP e a corrente parece saturar mais rapidamente mas mesmo assim não é suficiente para que as três cores tenham curvas separadas
De notar que o gap observado na tabela 2 relativo ao intervalo de comprimentos de onda do verde para o vermelho – 560-635nm – é o relativo às cores amarela e laranja. Como não são objecto de estudo não são consideradas.
As espessuras dos materiais são um ponto chave neste dispositivo pois elas vão ajudar a que determinados comprimentos de onda provenientes da fonte de luz sejam absorvidos para que a separação das cores possa ser facilitada.
O aSiCH foi usado para as camadas P e N, o aSiH para a camada intrínseca I (espessura de 100nm e de 400nm) e a prata (Ag) foi utilizado como “parede” para que luz não atravesse.
Inicialmente existiu um problema na definição do aSiCH que levava a resultados não esperados. O debug foi feito com ajuda do gráfico da DOS no Afors-Het e o erro estava na calibração do valor de chi (afinidade electrónica) colocado face ao do aSiH (0.2).
Analisando a Figura 5, podemos observar um claro pico de resposta para comprimentos de onda na ordem dos 480 e 530nm
Afinidade eletrônica é definida como a energia que seria liberada caso um elétron com energia de vácuo fosse introduzido na amostra
afinidade eletrônica seja uma quantidade endotérmica. Eletronegatividade, χ(chi) De maneira geral, se um átomo tem forte tendência em adquirir elétrons, diz-se que ele é eletronegativo. Se tiver tendência a perder elétrons, diz-se que ele é eletropositivo. Tem sido definida de muitas maneiras..