[論文レビュー] Designing III-V Multijunction Solar Cells on Silicon

J.P. Connolly, D. Mencaraglia+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2013

solar cell performance optimization参考文献 4被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、Si基板上に新規な低欠陥密度成長法を用いた高効率なIII-V/Siマルチヘテロジャンクション太陽電池を提案し、外部量子効率と電流-電圧特性を一括してフィットさせる統一モデルにより検証された。このモデルは、ショックリー・リード・ホール（Shockley-Read-Hall）寿命パラメータを唯一の自由パラメータとして用い、地上のAM1.5Gスペクトル下で濃縮なしに、ターンアラウンドセルで32%、トリプルヘテロジャンクションセルで36.5%の効率を予測している。これは、標準的な太陽光照射を用いて世界記録に近い性能を達成したことを示している。

ABSTRACT

Single junction Si solar cells dominate photovoltaics but are close to their efficiency limits. This paper presents ideal limiting efficiencies for tandem and triple junction multijunction solar cells subject only to the constraint of the Si bandgap and therefore recommending optimum cell structures departing from the single junction ideal. The use of III-V materials is considered, using a novel growth method capable of yielding low defect density III-V layers on Si. In order to evaluate the real potential of these proposed multijunction designs, a quantitative model is presented, the strength of which is the joint modelling of external quantum efficiency and current-voltage characteristics using the same parameters. The method yields a single parameter fit in terms of the Shockley-Read-Hall lifetime. This model is validated by fitting experimental data of external quantum efficiency, dark current, and conversion efficiency of world record tandem and triple junction cells under terrestrial solar spectra without concentration. We apply this quantitative model to the design of tandem and triple junction solar cells, yielding cell designs capable of reaching efficiencies without concentration of 32% for the best tandem cell and 36% for the best triple junction cell. This demonstrates that efficiencies within a few percent of world records are realistically achievable without the use of concentrating optics, with growth methods being developed for multijunction cells combining III-V and Si materials.

研究の動機と目的

• Si基板を用いた低コスト化を図り、地上用に高効率なIII-V/Siマルチヘテロジャンクション太陽電池を設計すること。
• Si基板上におけるIII-Vエpitaxial成長における格子定数の不一致と欠陥生成の課題を克服すること。
• 最小限の自由パラメータで、外部量子効率と暗電流特性を一貫してフィットする定量的モデルを開発すること。
• 高効率（世界記録に近い）が、太陽光の濃縮なしに達成可能であることを実証すること。
• 世界最高水準の実験データ（記録達成のターンアラウンドセルおよびトリプルヘテロジャンクションセル）と照らし合わせて、モデルを検証すること。

提案手法

• 外部量子効率（EQE）と電流-電圧（J-V）特性を、同じ物理的パラメータを用いて同時にフィットする統一的アナリティカルモデルを構築した。
• 暗電流とEQEデータの両方にフィットするため、ショックリー・リード・ホール（SRH）非放射性寿命を唯一の自由パラメータとして用いた。
• 輸送パラメータ（例えば、少数キャリアの拡散長および寿命）は、文献値を用いて実験データと整合性を保った。
• 反射防止被膜は、光学的損失のない理想化されたMgF2/ZnS二重膜スタックとしてモデル化した。
• 世界記録のGaAs/SiターンアラウンドセルおよびGaAsP/Si/GaInAsトリプルヘテロジャンクションセルの実験的EQE、暗電流、変換効率データを、定量的に再現することで、モデルの妥当性を検証した。
• AM1.5Gスペクトル下で電流マッチングを達成し、最大効率を得るために、バンドギャップとAR被膜の最適化を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Si基板上にIII-Vマルチヘテロジャンクション太陽電池を実装した場合、濃縮なしで地上条件下で放射限界に近い効率を達成できるか？
• RQ2 単一パラメータモデルが、III-V/Siマルチヘテロジャンクション太陽電池のEQEと暗電流特性を正確に記述できるか？
• RQ3 GaAs/SiターンアラウンドセルおよびGaAsP/Si/GaInAsトリプルヘテロジャンクションセルの最適なバンドギャップの組み合わせと層構造は何か？
• RQ4 特に3次元エpitaxial laterally overgrown（3D ELO）を用いた場合、III-VのSi上成長の品質が達成可能な効率に与える影響は何か？
• RQ5 光学的濃縮なしでどの程度の高効率が達成可能であり、その結果、システムの簡素化とトンネルジャンクション設計にどのような影響があるか？

主な発見

• 提案されたモデルは、ショックリー・リード・ホール非放射性寿命を唯一の自由パラメータとして用い、EQEと暗電流の両方に高い一貫性を示す単一パラメータフィットを達成した。
• モデルは、AM1.5Gスペクトル下で濃縮なしの世界記録達成のGaAs/SiターンアラウンドセルおよびGaAsP/Si/GaInAsトリプルヘテロジャンクションセルの性能を正確に再現した。
• GaAs/Siターンアラウンドセルでは、予測効率が29%に達し、GaAs基板上に実装されたGaAsセルの世界記録（30%）に近い性能を示した。
• テルナリ GaAsP0.23/Si/GaIn0.74As トリプルヘテロジャンクションセルでは、予測効率が36.5%に達し、トリプルヘテロジャンクションセルの放射限界の80%に相当した。
• 結果として、標準的な地上光照射下で、現在の高濃縮記録に匹敵する効率が、濃縮なしで達成可能であることが示された。
• 本研究は、MULTISOLSI成長法がSi上に欠陥のないIII-V半導体成長を可能にし、最小限の材料コストで高性能マルチヘテロジャンクションセルを実現できることを確認した。