[論文レビュー] Axial vs. Radial Junction Nanowire Solar Cell

Vidur Raj, Hark Hoe Tan+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2021

Nanowire Synthesis and Applications参考文献 118被引用数 4

ひとこと要約

本レビューでは、軸方向接合と径方向接合のナノワイヤ太陽電池を包括的に比較分析し、光学的吸収、デバイス物理学、および効率の可能性を評価している。径方向接合は優れた光捕集とキャリア収率を実現するが、軸方向接合は径方向輸送に課題を抱えており、結論としてナノワイヤ太陽電池開発における主要な課題を提示している。

ABSTRACT

Both axial and radial junction nanowire solar cells have their challenges and advantages. However, so far, there is no review that explicitly provides a detailed comparative analysis of both axial and radial junction solar cells. This article reviews some of the recent results on axial and radial junction nanowire solar cells with an attempt to perform a comparative study between the optical and device behavior of these cells. In particular, we start by reviewing different results on how the absorption can be tuned in axial and radial junction solar cells. We also discuss results on some of the critical device concepts that are required to achieve high efficiency in axial and radial junction solar cells. We include a section on new device concepts that can be realized in nanowire structures. Finally, we conclude this review by discussing a few of the standing challenges of nanowire solar cells.

研究の動機と目的

• 軸方向接合と径方向接合のナノワイヤ太陽電池を、光学的吸収およびデバイス挙動の観点から体系的に比較すること。
• 両方のナノワイヤ太陽電池構造において高効率を実現するための重要なデバイス概念を特定すること。
• 次世代ペイヴォリックスのためのナノワイヤ構造によって可能になる新しいデバイス概念を探索すること。
• ナノワイヤ太陽電池の実用的導入および効率のスケーリングを阻害する継続的な課題を整理すること。

提案手法

• 軸方向および径方向ナノワイヤ太陽電池における光吸収に関する最近の実験的および理論的結果をレビューすること。
• 両方の構造におけるキャリア生成、輸送、収率メカニズムを含むデバイス物理学を分析すること。
• ナノワイヤの幾何学的形状、ドーピングプロファイル、ヘテロ構造設計が発電性能に与える影響を評価すること。
• ナノワイヤアレイを用いた吸収効率および光捕集の光学的特性を比較すること。
• ナノワイヤにおけるコアシェル構造、軸方向ヘテロ構造、径方向ドーピング勾配といった新規デバイス概念を調査すること。
• 得られた知見を統合し、現在のナノワイヤ太陽電池プラットフォームにおける性能のボトル neck と設計上の制限を特定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軸方向接合と径方向接合のナノワイヤ太陽電池は、光学的吸収特性においてどのように異なるか？
• RQ2 軸方向対径方向のナノワイヤ太陽電池において、キャリア収率に影響を与える主要なデバイス物理学的メカニズムは何か？
• RQ3 径方向接合ナノワイヤ太陽電池が軸方向接合よりも高い効率を実現するための設計原則は何か？
• RQ4 ナノワイヤ構造によって実現可能な、発電性能を向上させる新しいデバイス概念は何か？
• RQ5 ナノワイヤ太陽電池の効率およびスケーラビリティを制限する主な未解決課題は何か？

主な発見

• 径方向接合ナノワイヤ太陽電池は、径方向ヘテロ構造のおかげで優れた光捕集と吸収を示し、効率的なキャリア収率が可能である。
• 軸方向接合ナノワイヤは、径方向キャリア輸送に課題を抱えており、製造が単純であるにもかかわらず、その効率が制限されている。
• 径方向接合は、より大きな接合面積と良好な電場分布のおかげで、光生成キャリアの収率が向上する。
• ナノワイヤの径、長さ、材料組成を調整することで、光学的吸収を調整可能であり、径方向設計はより高い吸収効率を示す。
• コアシェル径方向構造は、バンドギャップのエンジニアリングが可能で、再結合損失が低減される。
• 進展は見られるが、表面再結合、接触抵抗、スケーラブルなプロセスが商業化の主な障壁のまま残っている。