[論文レビュー] Efficiency limits of quantum well solar cells

J.P. Connolly, Ian Ballard+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2010

solar cell performance optimization参考文献 8被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、量子井戸太陽電池（QWSCs）の根本的効率限界を調査し、高電流動作下で支配的となる放射光ダーク電流による放射効率限界によって制限されることを示している。デプレーション領域および電荷中性領域における放射光および非放射光再結合を組み合わせた詳細な電流モデルを用いて、本研究は、QWSCsが集中光下で放射効率限界に近接して動作することを示しているのに対し、従来のヘテロジャンクションセルは理想のショックレー・モデルに従う。

ABSTRACT

The quantum well solar cell (QWSC) has been proposed as a flexible means to ensuring current matching for tandem cells. This paper explores the further advantage afforded by the indication that QWSCs operate in the radiative limit because radiative contribution to the dark current is seen to dominate in experimental data at biases corresponding to operation under concentration. The dark currents of QWSCs are analysed in terms of a light and dark current model. The model calculates the spectral response (QE) from field bearing regions and charge neutral layers and from the quantum wells by calculating the confined densities of states and absorption coefficient, and solving transport equations analytically. The total dark current is expressed as the sum of depletion layer and charge neutral radiative and non radiative currents consistent with parameter values extracted from QE fits to data. The depletion layer dark current is a sum of Shockley-Read-Hall non radiative, and radiative contributions. The charge neutral region contribution is expressed in terms of the ideal Shockley radiative and non-radiative currents modified to include surface recombination. This analysis shows that the QWSC is inherently subject to the fundamental radiative efficiency limit at high currents where the radiative dark current dominates, whereas good homojunction cells are well described by the ideal Shockley picture where the limit is determined by radiative and non radiative recombination in the charge neutral layers of the cell.

研究の動機と目的

• 高電流動作下における量子井戸太陽電池（QWSCs）のダーク電流メカニズムを分析すること。
• 実験データが示唆するように、QWSCsが集中光下で放射効率限界に近接するかどうかを特定すること。
• 放射光および非放射光再結合寄与の観点から、QWSCsの性能を従来のヘテロジャンクション太陽電池と比較すること。
• スペクトル応答およびダーク電流予測のため、電場を有する領域、電荷中性層、および量子井戸を統合した包括的電流モデルの構築

提案手法

• 電場を有する領域、電荷中性層、および量子井戸からのスペクトル応答（量子効率）を計算するための光およびダーク電流モデルを開発した。
• 量子井戸内の状態密度および吸収係数を解析的に計算し、キャリア生成をモデル化した。
• ヘテロ構造層を通過するキャリアの流れを特定するために、輸送方程式を解析的に解いた。
• 全ダーク電流をデプレーション層（ショックレー・リードおよび放射光）および電荷中性領域（理想放射光および非放射光）の寄与に分解した。
• モデルのパラメータを、計算された量子効率を実験データにフィットさせることで抽出した。
• 表面再結合を考慮するために、理想ショックレー電流式を電荷中性領域の再結合に応じて修正した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高電流・集中光条件下で、量子井戸太陽電池はどの程度放射効率限界に近接するか？
• RQ2 デプレーション領域および電荷中性領域における放射光および非放射光再結合メカニズムは、QWSCsの全ダーク電流にどのように影響を与えるか？
• RQ3 根本的効率限界の観点から、QWSCsの性能は従来のヘテロジャンクションセルと比べてどの程度か？
• RQ4 実験データで観察された放射光ダーク電流の優位性が、提案されたモデルで定量的に説明可能か？

主な発見

• QWSCsは高電流下で放射効率限界に近接して動作し、放射光ダーク電流が支配的になるため、根本的効率の上限が生じる。
• 全ダーク電流は、デプレーション層（非放射光および放射光）および電荷中性領域（放射光および非放射光）寄与の和として良好に記述できる。
• モデルパラメータを測定データにフィットさせることで、モデル化された量子効率と実験的量子効率の間に良好な一致が得られた。
• 電荷中性領域電流は表面再結合によって修正され、理想ショックレーモデルを上回る非放射光再結合が増加する。
• モデルは、QWSCsが集中下では根本的放射効率限界によって本質的に制限されることを確認した。これは、ヘテロジャンクションセルが理想ショックレー像に従うのとは対照的である。
• 分析により、最適条件下でQWSCsは近似的に理想放射効率に達することが示され、高効率タンドム太陽電池への可能性が裏付けられた。