[論文レビュー] Mirrored strain-balanced quantum well concentrator cells in the radiative limit

J.P. Connolly, M. Führer+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2010

solar cell performance optimization参考文献 10被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、高濃度条件下における再結合損失を最小限に抑えるために、鏡面のひずみバランシング量子井戸濃縮太陽電池を提案する。バックサーフェスミラーを組み込むことで、再結合による放射光が吸収層に戻され、発光が低減し、放射的ダーク電流が低下する。これにより、濃縮光電池における放射的効率の上限に近い性能が、高電流領域でも達成される。

ABSTRACT

Strain-balanced Quantum Well Solar Cells (SB- QWSCs) are radiatively dominated at concentrator current levels. Incorporating back surface mirrors on the back of the doped substrate leads to a reduction in this radiative recombination current while the non-radiative dark current at lower bias remains unchanged. This work extends a previous model of radiative dark currents to cells where the substrate is not a perfectly absorbing sink for emitted luminescence by including multiple passes of photons emitted by radiative recombination. The luminescence in such mirrored structures is reduced and the radiative dark current lower. The structure is suited to concentrator applications because it corresponds to the high efficiency limit where losses due to light re-emission are limited to the solid angle for absorption of solar radiation.

研究の動機と目的

• 高濃度条件下におけるひずみバランシング量子井戸濃縮太陽電池における放射的再結合損失を低減すること。
• 従来のSB-QWSCsでは放出された光が外部に漏れ出し、効率的でない光子収集が行われるという制限を解消すること。
• バックサーフェスミラーが放射的ダーク電流を抑制するが、非放射的電流特性を維持するメカニズムをモデル化・実証すること。
• III-Vマルチ量子井戸太陽電池が濃縮条件下で理論的な放射的効率上限に達すること。
• 鏡面構造における光子の多重パスダイナミクスの分析を通じて、モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• ひずみバランシング量子井戸太陽電池のドーピングされた基板にバックサーフェスミラーを組み込み、放出された光子を吸収層に戻す。
• 既存の放射的ダーク電流モデルを拡張し、ミラー反射による複数回の光子パスを考慮に入れ、繰り返し吸収と再放出を記述した。
• 濃縮条件下でのシステムモデル化を行い、放射的損失の制限要因としての太陽光の立体角に焦点を当てる。
• ミラーによる光子リサイクルによって生じる発光および放射的ダーク電流の低減を評価した。
• 理論的枠組みを用いて、高インジェクション条件下における放射的電流抑制を定量的に評価した。
• ミラーの反射率および量子井戸構造が放射的効率に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バックサーフェスミラーは、ひずみバランシング量子井戸濃縮セルにおける放射的再結合電流にどのように影響するか？
• RQ2 ミラーによる光子リサイクルは、高濃度太陽電池において、発光および放射的ダーク電流をどの程度低減できるか？
• RQ3 濃縮運転下における鏡面SB-QWSCsの理論的放射的効率限界は何か？
• RQ4 ミラー反射による複数パス光子挙動は、鏡面量子井戸構造における放射的電流にどのように影響するか？
• RQ5 鏡面SB-QWSCsは、濃縮光電池における放射的限界効率に達成可能か？

主な発見

• バックサーフェスミラーの導入により、放出された光子が吸収層内に閉じ込められ、発光が抑制され、放射的再結合電流が低減する。
• 非鏡面構造と比較して、放射的ダーク電流が顕著に低減され、高濃度条件下で放射的限界に近づく。
• 低バイアス領域では非放射的ダーク電流に変化がなく、ミラーが主に放射的経路に影響を与えることが確認された。
• モデルは、鏡面SB-QWSCsが、太陽光吸収の立体角に制限されるのみで、理論的な放射的効率上限に達することが予測された。
• ミラー反射による複数回の光子パスが、効果的な光子リサイクルを実現し、ネット放射的損失を低減する。
• 本システムは、高電流濃縮太陽電池における放射的再結合を最小限に抑えるためにバックサーフェスミラーが有効であることを示している。