Μηχανική Πόλωσης σε Ηλιακές Κυψελίδες InGaN/GaN

Οι σύνθετοι ημιαγωγοί InGaN (κράματα ινδίου-γαλλίου και αζώτου) αποτελούν μια κατηγορία υλικών με εξαιρετικές ιδιότητες και υψηλές υποσχέσεις για την ανάπτυξη μιας νέας γενιάς ηλιακών κυψελίδων. Το άμεσο ενεργειακό τους χάσμα κυμαίνεται από 3,4 eV (GaN) έως 0,65 eV (InN) καλύπτοντας σχεδόν ολόκληρο το ηλιακό φάσμα. Ωστόσο, παρά την έντονη διεθνή ερευνητική προσπάθεια, μέχρι σήμερα τα χαρακτηριστικά απόδοσης των διατάξεων ηλιακών κυψελών που υλοποιούνται με ετεροδομές InGaN / GaN δεν ανταποκρίνονται στις απαιτήσεις των διαφόρων εφαρμογών.
 
Σε μία πρόσφατη δημοσίευση στο IEEE Journal of Photovoltaics, η ομάδα του καθηγητή Ελευθέριου Ηλιόπουλου μελέτησε λεπτομερώς τους φυσικούς μηχανισμούς παραγωγής, επανασύνδεσης και μεταφοράς φορέων σε διατάξεις ετεροδομών InGaN / GaN και προσδιόρισε τους παράγοντες που περιορίζουν την απόδοση των κυψελίδων. Έδειξαν ότι στον συνήθη σχεδιασμό των διατάξεων αυτών (με το στρώμα p-GaN στην κορυφή της διάταξης) τα πεδία πόλωσης που αναπτύσσονται, λόγω της ισχυρής αυθόρμητης και πιεζοηλεκτρικής πόλωσης των υλικών, αντιτίθενται στην αποτελεσματική συλλογή φωτογενών φορέων με συνέπεια την σημαντική μείωση της απόδοσης των διατάξεων. Επιπλέον, έδειξαν ότι με την χρήση μίας νέας πρωτότυπης σχεδιαστικής προσέγγισης, βασισμένης στη μηχανική πόλωσης, η απόδοση των διατάξεων μονής ετεροεπαφής InGaN / GaN μπορεί να αυξηθεί κατά μία τάξη μεγέθους.

Με την διευκρίνιση του ρόλου των πεδίων πόλωσης και την εισαγωγή μιας καινοτόμου προσέγγισης για τον σχεδιασμό αποδοτικών διατάξεων, αναμένεται ότι η εργασία αυτή θα οδηγήσει σε νέες γενεές ηλιακών κυψελών, βασισμένες σε διατάξεις ετεροδομών InGaN, με υψηλή απόδοση και υψηλό  λόγο απόδοσης προς κόστος παραγωγής.

Εικόνα: Χωρικά διαγράμματα άκρων ενεργειακών ζωνών και ρυθμών κύριων μηχανισμών επανασύνδεσης φορέων για τη συνήθη (p-i-n) -αριστερά- και της νέας (n-p) βασισμένης σε μηχανική πόλωσης - δεξιά- σχεδιαστικής προσέγγισης διατάξεων ηλιακών κυψελίδων βασισμένων σε ετεροδομές InGaN/GaN. 

Άρθρο: “Polarization-Engineered InGaN/GaN Solar Cells: Realistic Expectations for Single Heterojunctions", S.A.Kazazis, E. Papadomanolaki and E. Iliopoulos, IEEE J. Photov. 8, 118 (2018).