Investigation of an InGaN/Si-Based Heterojunction Tandem Solar Cell

Abstract

تستكشف هذه الدراسة تصميم وأداء خلية شمسية ترادفية مكونة من طبقات منإنديوم غاليوم نيتريد (InGaN) والسيليكون (Si). يهدف دمج InGaN مع السيليكون إلى الاستفادة من الطيف الامتصاصي التكميلي لهذين المادتين، مما يعزز كفاءة تحويل الطاقة الشمسية بشكل عام. يعمل InGaN، بفضل فجوة الطاقة القابلة للتعديل، كخلية علوية تلتقط بشكل فعال الفوتونات ذات الطاقة العالية، بينما تمتص خلية السيليكون السفلية الفوتونات المتبقية ذات الطاقة المنخفضة. من خلال عمليات محاكاة وتقييمات تجريبية مفصلة، نثبت تحسنًا كبيرًا في الكفاءة مقارنة بالخلايا الشمسية التقليدية أحادية الوصلة المصنوعة من السيليكون. يشمل التحليل تحسين تركيب InGaN، وسمك الطبقات، وجودة الواجهة البينية لتقليل فقدان إعادة التركيب وزيادة التوافق بين التيارات المتولدة في الخلايا الفرعية. تشير نتائجنا إلى أن تكوين الخلايا الترادفية InGaN/Si يمكن أن يحقق كفاءات تتجاوز 30%، مما يظهر إمكاناتها كمرشح قوي لتقنيات الطاقة الشمسية المتقدمة. تقدم هذه الدراسة رؤى قيمة حول اختيار المواد، وهيكلية الأجهزة، وتقنيات التصنيع اللازمة لتطوير الخلايا الشمسية عالية الكفاءة. Abstract: This study explores the design and performance of a heterojunction tandem solar cell comprising Indium Gallium Nitride (InGaN) and Silicon (Si) layers. The integration of InGaN with Si aims to exploit the complementary absorption spectra of the two materials, thereby enhancing overall solar energy conversion efficiency. InGaN, with its tunable bandgap, serves as the top cell, effectively capturing high-energy photons, while the Si bottom cell absorbs the remaining lower-energy photons. Through detailed simulations and experimental evaluations, we demonstrate significant improvements in efficiency compared to traditional single-junction Si solar cells. The analysis includes optimization of the InGaN composition, thickness, and interface quality to minimize recombination losses and maximize current matching between the sub-cells. Our findings indicate that the InGaN/Si tandem configuration can achieve efficiencies exceeding 30%, showcasing its potential as a viable candidate for next-generation photovoltaic technologies. This research provides valuable insights into material selection, device architecture, and fabrication techniques critical for advancing high-efficiency solar cell development.