TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.7, July 201 4, pp . 4924 ~ 49 2 7   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i7.582 7          4924     Re cei v ed  Jan uary 12, 201 4 ;  Revi sed Fe br ua ry 23, 20 14; Accepted  March 7, 201 4  Modeling of Tunnel Junction (GaAs) in the Cascade  Solar Cell       Denn ai Ben m oussa*, Be nslimane H, Helmaoui A,  Hemmani A  Lab orator y of  Semico nductor s  Devices Ph ysics, Ph y s ics D epartme n t, Uni v ersit y  of Bec h ar, Algeri a    *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : deennai_ b e n mou s sa @ya hoo.com       A b st r a ct   In this pap er d e scrib es a si mple  mo del for t unn el  ju nctio n  (GaAs) betw een the top cel l  (GaAs) an d   botto m cell (Ge) of cascade  solar cel l s.  W e  theoretica lly studi ed  the el ectrical char acteri stics (IV) of Ga A s   tunne l di od e w i th the acco unti ng pr ogra m  M A T L AB for dop i ng co ncentrati on of the j uncti on after Usi ng  thi s   mo de l betw e e n  tw o cascade d solar ce ll (GaAs / Ge) and   w e  calculate t he el ectrical c haracter i stics an d   perfor m a n ce  u s ing AMPS- 1D  softw are. T he cond uctio n  pr operti es of this  tunne l d i od e s how  go od o h m ic   beh avior a nd l o w  contact resistance.      Key w ords :   tu nne l juncti on, c a scad e  sol a r cell, cu rre nt–volt age (I–V), mod e lin g, AMPS-1 D .        Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Multijunctio n   sola r  cell s offer hi ghe r effi cien cie s  tha n  those  of  sing le-jun ction  so lar  cell s   at the cost of  a more com p lex device  structu r e.  To  act as a  sing le power- pro duci ng unit, the     comp one nt  subcells mu st be intercon ne cted to form two-te rmin al u n its whi c h p r odu ce a si ngl e  curre n t at a single voltage.    The in dividua l sub  cells  of a multijun c ti on cell a r e i n ter-con n e c ted  via Esa k i int e rba nd  tunnel diod es [1]. They feature  both low  electri c al  resi stivity and high  optical  transmissivity.These  are th e key issue s  fo r co nne cting  the cells  monolithically [2-3].  The tunnel  di ode  ha s  bee n  applied  as  an  intercon necto r in  mo nolithic d e vices such  as  t ande m   sola r  cell s   which  have  a   predi cted    co nversi on  efficiency   of ab o u t  35%.   On e of    the  major  problem s  in  achievin g  high-efficie n cy   and  stable  tandem  solar  cells  is thermal     degradatio n  of the  tunnel   junction  int e rconn ectio n    durin g  fabri c ation.  Thi s   degradatio n  is     cau s e d   by  the  impu rity  diffusion  fro m   highl y  do ped  tunn el  junctio n s a n d   results  in   a    decrea s e  in   the  tunnel  peak  curre n t.  Thus,  high  dopin g   for  obtainin g  a  large  pe ak    curre n t  den sity  is  ineffective  for  G a As   tunn el   diode s  when   they  are a nneal ed  ab o v e     about  600" C.  For  the  interconn ectio n   of a   tandem  sola r  cell,  the  thickne s s  of the  tunnel    junctio n  shou ld  be l e ss  th an  1 00  n m    in  order  to   minimize opti c al  lo ss;  the   pea k   cu rre nt    den sity after   anne aling   at   700' C   shoul d  b e   g r e a te r  than   the   short-circuit   d ensity in   o r d e r    to  minimiz e   elec tric al  loss .  In this articl e ,  we evaluat e the effect  of doping in  the tunnel junctio n  and  we are  simulate d cascad e sol a r cell (GaA s/Ge ) by using AMPS-1D software ,  includin g  I-V  cha r a c teri stic, conversion  efficien cy:       2. Tunnel Ju nction Mod e l    The g r o w th   con d ition   of  tunnel   jun c tion  i s   a   key  pa ramete r   for tand em  solar  cel l   and  a   poo r  d e sig n  of tu nn el jun c tion  wil l  rem a rkably   decrea s e  efficien cy . of  so lar  cell. T he I - V  cha r a c teri stic of  tunn el di ode i s  the  su m of  the  th re e  current co mpone nts Ta bles and   Fig u re s  are p r e s ente d  cente r , as  shown belo w  a nd  cited in th e manu script  [4] (Figure 1).       J =   J t +   J   x +   J th                                                                                                                                                                (1)                                 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Modelin g of Tunnel  Jun c tio n  (GaA s) in t he Ca scad e Solar Cell (Dennai Benm o u ssa)  4925   1                                  (2)     The tunnelin g current’ s  contributio n to  the total current is sig n ificant for  V  V  ,  the  ex ce ss cu rre nt ’s  co nt rib u tion is  significant for  V V  and contributio n of  the thermal  curre n t is  signifi cant for  V  V .  In Equation  (2), Jp  is th e  pea k curr ent  den sity of the tunnel  cu rre nt and  J V   is t he valley  curre n t den sity of the tunnel current. Since the tandem   sola r cell i s  in  serie s  conn e c tion, the total  output cu rren t must be limi t ed the  minim u m cu rrent prese n ted by so me sub c ell. Therefore, if J SC   is lower than  J V  (J SC  <  J V ).      Figure 1. Current Co mpo n ents in a Tun nel Ju nctio n        3. Optimal Dev i ce Structure   The majo r objective s of numeri c al mo deling an d si mulation in solar cell re se arch are   testing the validity of proposed phy sical stru ctur es, ge ometry on ce ll perform an ce and fitting of  modelin g o u tput to expe ri mental  re sult s. Any  nu me rical  p r og ram  ca pable  of  solving the  ba sic  semi con d u c tor  equatio ns co uld  be  used fo r mo del ing thin  film  sola r  cell s. T he fun dame n t al  equatio ns for  su ch num eri c al prog ram s   are (i ) Pois so n’s eq uation for the dist ribu tions of ele c tric  field ( φ ) i n si d e  the devi c e  and  (ii) the  e quation  of co ntinuity for conservation  o f  electron s a nd  hole s  cu rrent s [5].    The AMPS-1 D  pro g ram h a s be en dev elope d for pragmatically simulate the e l ectri c al  cha r a c teri stics of multi-Ju ncti on  sola r  cell s. It has  been p r ove n  to be a very powe r ful tool in   unde rsta ndin g  device o p e ration  an d  physi cs fo r  single  cry s tal, poly-crystal  and  amo r p hou s  stru ctures. T o   date, more than  2 00 gro ups  wo rld w id e  have   be en usin g  AMPS-1D  fo r sol a r cell   desi gn [6]. O ne-di men s ion a l AMPS-1D simulato r h a s b een u s e d  to investig ate the effect of  different top cell layers. The stru ctu r e of convent ional GaAs/Ge  solar cell is shown in Figure 2.  The tunn el junction  GaAs laye rs ele c tro n  dopin g  co n c entration  wa s varied  from  10   t o   10   cm   and the ch an ge of perfo rm ance paramet ers a r e o b served.                      Figure 2. Ca scad e Solar  Cell GaAs/G e Structu r e u s e d  for the Mod e ling     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  4924 – 49 27   4926 The ba se p a ram e ters u s ed for diffe rent structu r es ado pted  from som e  stand ard  referen c e s  are sho w n in T able 1:       Table 1. AMPS-1D Parameters  GaAs /Ge Solar Cell  La y e rs    Parameters   n/ G a As   P/ G a As   P G a A s   N G a A s   p/Ge   n/Ge   T h ickness ( μ m) 0.1  3.5  0.020   0.05    0.5-5   0-0.3   Dielectric consta nt,  ε  12.90   12.90   12.90   12.90   16.2  16.2  Electr on mobility     μ  (cm²/Vs)  8500  8500   8500   8500   4000   4000   Hole mobility   μ (c m²/Vs )   1900  1900   1900   1900   1200   1200   Carrier densit y , n  or p   cm    N:1E18  P:8E16  P:1E19  N:1E18-1E20   p:1E17   n:5E16   Optical band gap , E   (eV)   1.42 1.42  1.42  1.42  0.66  0.66  Effective density , N   cm    4.7E17  4.7E17   4.7E17   4.7E17   1E19  1E19  Effective density , N   cm    9.0E018  9.0E018   9.0E018   9.0E018   5E18  5E18  Electron affinity,  χ  (eV)   4.07  4.07  4.07  4.07  4  4      4. Results a nd Analy s is    For that pre s ented sim u lat i on, we have cho s e n  a ran ge of electro n  doping con c entration  betwe en  51 0   to 51 0  cm   for tunnel ju n c tion N+ laye r. The Figu re  3 sch ematizes the   illuminated characteristi c s J-V  of  GaA s  tunnel  junction  and  the Figure 4  schemati z es  the  illuminated characteristi c s  J-V ca scade  sol a r cell GaAS/Ge.  Accord i ng to t hese result s, we  notice  a m a ximal de nsity o f  cu rre nt (30. 52mA/cm 2 )   a nd a  maximal  voltage  (1.1 04V) fo r a  val ue  of the doping  of the tunnel junctio n  layer  N+  5 1 0  cm   .    0 , 00 , 2 0 , 40 , 6 0 , 81 , 0 1 , 21 , 4 1 , 6 0 1 2 3 4 5 6 Current  D ensi t y (mA/ cm²) vol t ag e( V )  N d =5 * 1 0e +18  N d =1 * 1 0e +19  N d =5 * 1 0e +19   0, 0 0 , 2 0, 4 0 , 6 0 , 8 1 , 0 1 , 2 0 5 10 15 20 25 30 35 Current  D ensi t y (mA/ cm²) vol t a ge( V )  wi h t o u t   T j  N d =5* 1 0e +1 8  N d =1* 1 0e +1 9  N d =5* 1 0e +1 9   Figure 3. J-V  Cha r a c teri s t ics  with Different  Dopi ng Concentration of G a As   Figure 4. The  Effect of Doping of the Tun nel  Jun c tion in  Cascad e Solar  Cell on the  C h ar ac te r i s t ics  J- V       The effe ct of  the dopi ng tu nnel ju nctio n   N+ layer on  cell pe rform a n c e  su ch  as ef fect on  gene ral pe rfo r man c e p a ra meters, quan tum efficiency (QE), shu n t and seri es  resi stan ce, li ght  and d a rk I-V  cha r a c teri stics. Ch ar acte ri stics of e a ch  cell  with tu nn el jun c tion  N+ laye r a d o p i ng  are sho w n in  the Table 2.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Modelin g of Tunnel  Jun c tio n  (GaA s) in t he Ca scad e Solar Cell (Dennai Benm o u ssa)  4927 Table 2. Ch aracteri st ics of  each Cell  Ca scade      doping of T j N + lay e r   J  mA c m ² ⁄   V  V   E  %   Without T J  28.84   1.00  25.20   Na=5*10e+18  29.84   1.03  27.37   Na=1e+19  30.49   1.11  30.21   Na=5e+19  30.52   1.13  31.03       5. Conclusio n   We  used  AM PS-1D to inv e stigate  the  d epen den ce  of   el ectron  do ping  co ncentration of  junctio n  tunn el GaA s  for    GaAs/G e cascad e sola r ce lls. We  dem o n strate d the  effect of  d o p i ng  in tunnel ju n c tion  N+ l a yer on the  para m eters of  sol a r cells  as  o pen-ci rcuit voltage (Vo c ), t h e   sho r t-circuit  current d ensit y (Jsc ), the  conversion  the  qua ntum e ffi cien cy  (QE). The conve r si on   efficien cy increased until el ectro n  do ping  con c ent ratio n  of tunnel ju nction G a As  reache s aroun d   51 0  cm   Furthe r in crease of dopi ng sho w s n o  impr ovem en t in efficien cy. Similarly QE  respon sei s  al most overla p p ing after the    51 0  cm  toping layer N+ tunnel ju nction. The s e  observation s  led to the co nclu sio n  that for the  optim al perfo rman ce of the sol a r cell device  the  electron do pi ng co ncentrat i on of layer pl ays a role.       Ackn o w l e dg ements   We  woul d li ke to a c kno w l edge th e u s e  of AMPS-1D  prog ram  that  wa s devel ope d by Dr.  Fona sh’ s  gro up at Pennsyl vani a State University (PS U ).       Referen ces   [1]    L Esaki. Ne w  p hen omen on i n  narro w   germa n i um p-n j unctio n .  Phys. Rev.,   195 8; 109 9(2): 603 –6 04.   [2]    T   T a kamoto, A  T a kaaki, K Kamimura, M  Kanei w a , M Imaizumi, S Matsuda, Y Masafumi.   Multiju nctio n   solar c e ll t e chn o lo gies -  Hi gh  efficiency, ra di at ion r e sista n c e  an d co nce n trator ap pl icatio ns.  Pro c . 3rd  W o rld Co nf. PV Energ y  Co nv ers.  Osaka, Japan. 20 03; 58 1 –58 6.  [3]    W. Guter, F Di mro th, M Meusel, AW Bett.  T unnel diodes f o r III–V m u lti-junction solar cells.  Proc. 20t h   Eur. Photovolt a ic Solar Ener gy  Con f., Barcelona, Spain.  2005: 515–518.  [4]    SM Sze. P y s i c s  of Semico nd uctor Dev i ces,  2nd  ed ition.  Ne w Y ork: W ill e y , C h a p . 9 M .  Burgelm an,   John Versc h ra ege n, Stefaan  Degr ave an d P e ter Nol l et. 198 1.  [5]    M Burge l ma n, John  Verschr a ege n, Stefaa n  Degr ave, Pete r Nol l et, Prog.  Photovo l t: Res .  and A p p l .   200 4; 12: 143.   [6]    Hon g  Z hu, Ali Kaan Ka lka n , Jing ya  Hou, St e phe n J F onash .  AIP Conf. Pro c ., Osaka, Japan. 199 9.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.