электроника. Кафедра конструирования электронных средств

• Название: Кафедра конструирования электронных средств
• Анкор: электроника
• Дата: 25.02.2023
• Размер: 3.45 Mb.
• Имя файла: Diplom.docx
• Тип: Документы; #955020
• страница: 7 из 12

1.8 Программа численного моделирования SCAPS-1D

Численное моделирование является важным и эффективным способом изучения физического механизма в проектировании солнечных батарей.

Моделирование может показать физическую работу, жизнеспособность предложенной физической модели и является важным способом понимания работы устройства, а также того, как параметры устройства влияют на физическую работу и производительность
устройств солнечных батарей мгновенно, без необходимости
долго ждать или тратить деньги, прежде чем увидеть результат.

SCAPS-1D является одномерным программным обеспечением для моделирования, разработанным в Университете Гента, Бельгия. По сравнению с другим программным обеспечением, SCAPS имеет интуитивный пользовательский интерфейс и разнообразные модели для классификации, дефектации и рекомбинации. Основные особенности SCAPS [24] заключаются в наличии материалов и дефектации свойств, которые могут быть определены в 7 полупроводниковых слоях, как и показано на Рисунке 1.11 и Рисунке 1.12. Есть пять типов дефектов доступных в программном обеспечении, связанные с солнечными элементами, такие как энергетические зоны, концентрация, ток, характеристики и т.д. Параметры для различных слоев в моделировании выбираются на основе теоретических соображений, экспериментальных данных и существующей литературы



Рисунок 1.11 - Панель определения уровня в SCAPS-1D



Рисунок 1.12 - Материалы и панель определения дефектов в SCAPS-1D

Основные уравнения

Уравнение Пуассона используется для описания отношений между потенциальными и объемными зарядами, как показано в уравнении 1.7:

(1.7)

где: φ - потенциал, Q - элементарный заряд, ε - является диэлектрической проницаемостью, n - плотность свободных электронов, p - плотность свободных дырок, - донор, - акцептор, - задействованная плотность дырок, - задействованная плотность электронов.

Уравнения 1.17 и 1.18 определяют передвижение носителей

(1.17)

(1.18)

где, G - это скорость оптической генерации, R - скорость рекомбинации, коэффициент диффузии электронов, - коэффициент диффузии дырок, L подвижность электронов, и это подвижность дырок.

Концентрация электронов и дырок

Через уравнения теплового равновесия, свободные концентрации носителей выражаются уравнениями 1.19 и 1.20

(1.19)

(1.20)

где, - уровень Ферми, постоянная Больцмана, T это температура, а также - энергетическими уровнями в стационарном состоянии.

Диффузионная длина описывает транспортную способность носителей в солнечных батареях. Это зависит от коэффициента диффузии и время жизни носителей, который показан в уравнении 1.21

(1.21)

где, L - длина диффузии, τ - является время жизни носителей.

Механизм рекомбинации

Есть три метода рекомбинации, используемые в SCAPS. Метод Band-to-band является обратным процессом поглощения фотонов. Электроны в зоне проводимости падают вниз к пустой валентной зоне и рекомбинируют с дырками. Скорость рекомбинации в Band-to-band может быть выражена как:

(1.22)

Рекомбинация Шокли-Рида-Холла (ШРХ). Данный тип рекомбинации происходит из-за дефектов или примесей в материалах. Скорость рекомбинации ШРХ может быть определена по формуле:

(1.23)

Рекомбинация представляет собой процесс, когда пара электронов и дырок рекомбинируют во время переход от высокого энергетического уровня к низкому, причем в результате энергия переносится к третьему носителю. Данная рекомбинация описывается согласно уравнению:

(1.24)

где, R - является скорость рекомбинации, γ - коэффициент рекомбинации, τ_n и τ_t - время существования электронов и дырок, n₀ и p₀ -равновесная концентрация электронов и дырок, и - константы, которые могут быть заданы в SCAPS.

Рабочая функция

Под рабочей функцией понимают минимальную энергию, необходимую для перемещения электрона. Значение функции используется для описания энергии электрона в материале. В SCAPS, работа может быть установлена пользователем, или она может быть вычислена, используя модель в SCAPS, как показано в уравнении 1.25-1.26

контакт n-типа:

(1.25)

контакт р-типа:

(1.26)

Коэффициент поглощения

Коэффициент поглощения может быть определен как степень, в которой материал поглощает энергию. Это определяется свойствами материала. В SCAPS, коэффициент поглощения задается уравнением 1.18

(1.27)

где А и В представляют собой константы поглощения, h - постоянная Планка, v - это скорость света [25].

1.8.1 Оценка моделей в SCAPS-1D

В SCAPS параметр классификации является важной функцией, которая может сделать модель более гибкой. Предполагается, что каждый слой имеет состав . Если слой только из чистого соединения А, это означает, что у = 0, у = 1 Когда слой только из чистого соединения B. Если слой содержит оба соединения А и В, то значение у между 0 и 1. Свойства материала P являются зависимостью, которая может выражается как Р(у(х)). SCAPS имеет в базе несколько законов сортировки, которые перечислены ниже [24], и эти законы могут быть определены в выборе сортировки.

Равномерное:

Линейный:

Параболический:

Параболический вариант 2:





Логарифмические:

Экспоненциальный:



Бета-функция:

1.8.2 Теория работы программы

Основная теория SCAPS-1D состоит в решении уравнения непрерывности Пуассона. Рисунок 1.13 показывает рабочую стратегию SCAPS-1D. Каждое вычисление начинается с начальной точки, и использует начальное предположение, что выражается с использованием уровней квази-Ферми, для получения состояния равновесия.



Рисунок 1.13 - Рабочая стратегия SCAPS-1D

Сходимость итерационной схемы Gummel типа с помощью алгоритма Ньютона-Рафсона используется в SCAPS для численных расчетов. После того, как точка расчета устанавливается, SCAPS будет следовать алгоритму Ньютона-Рафсона и проводить итерации вычисления до получения оптимизированного значения.