[論文レビュー] Modelling Multi Quantum Well Solar Cell Efficiency

J.P. Connolly, Jenny Nelson+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2010

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、ショックリー・ライド・ホール（SRH）再結合理論を拡張して、AlGaAsおよびInGaAsP系における暗電流を説明することで、マルチヘテロジャンクション（MQW）太陽電池の効率をモデル化している。その結果、井戸内における準フェルミ準位のずれが小さくなる（InGaAsPでは約130 meV、AlGaAsでは約400 meV）ことが、予想を上回る高いオープン・クランプ電圧と一致し、従来の限界を超える高い効率の可能性を裏付けた。

ABSTRACT

The spectral response of quantum well solar cells (QWSCs) is well understood. We describe work on QWSC dark current theory which combined with SR theory yields a system efficiency. A methodology published for single quantum well (SQW) systems is extended to MQW systems in the Al(x) Ga(1-x) As and InGa(0.53x) As(x) P systems. The materials considered are dominated by Shockley-Read-Hall (SRH) recombination. The SRH formalism expresses the dark current in terms of carrier recombination through mid-gap traps. The SRH recombination rate depends on the electron and hole densities of states (DOS) in the barriers and wells, which are well known, and of carrier non-radiative lifetimes. These material quality dependent lifetimes are extracted from analysis of suitable bulk control samples. Consistency over a range of AlGaAs controls and QWSCs is examined, and the model is applied to QWSCs in InGaAsP on InP substrates. We find that the dark currents of MQW systems require a reduction of the quasi Fermi level separation between carrier populations in the wells relative to barrier material, in line with previous studies. Consequences for QWSCs are considered suggesting a high efficiency potential.

研究の動機と目的

• 従来の予測を上回るMQW構造における太陽電池効率の起源を理解すること。
• AlGaAsおよびInGaAsP材料系において、ショックリー・ライド・ホール（SRH）再結合が支配的なMQW太陽電池の暗電流をモデル化すること。
• ボトム・コントロール・サンプルからのキャリアの非放射再結合寿命を抽出し、それをMQWデバイスに一貫して適用すること。
• 定常的な準フェルミ準位のずれ（ΔEf）の仮定が、特にインヒューシブ領域において効率を低く見積もっているかどうかを検証すること。
• 量子井戸内でのΔEfの低減が、予想を上回るオープン・クランプ電圧および効率を説明できることを示すこと。

提案手法

• スペクトル応答（SR）は、少数キャリアの輸送および連続の式を用い、表面再結合速度および拡散長のフィッティングパラメータを含む。
• 量子井戸の状態密度（DOS）は、有効質量およびエンVELOP関数近似を用いたシュレーディンガー方程式から計算され、励起子効果を含む。
• 暗電流は、理想電流とSRH寄与の和としてモデル化され、SRHレートは井戸および障壁内の中間準位に起因するキャリア再結合から導出される。
• 井戸および障壁内のキャリア寿命は、井戸または障壁と同じ組成を有するボトム・ホモジャンクションのコントロール・サンプルから抽出される。
• モデルは、電子およびホールの非放射再結合寿命が等しいと仮定し、動作電圧まで有効なデプレーション近似を用いる。
• 理論的暗電流を実験データと比較し、最良のフィットを得るためにΔEfを調整することで、井戸内での系統的な低減が明らかになった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 定常的な準フェルミ準位のずれ（ΔEf）の仮定が、MQW太陽電池における暗電流を正確に予測できるか？
• RQ2 量子井戸内でのΔEfの低減が、予想を上回るオープン・クランプ電圧および効率をどの程度説明できるか？
• RQ3 ボトム・コントロール・サンプルから抽出したキャリア寿命は、MQW暗電流をモデル化するために信頼性を持って適用できるか？
• RQ4 バンドオフセットや材料パラメータの違い（例：AlGaAs対InGaAsP）が、MQW太陽電池の暗電流および効率にどのように影響するか？
• RQ5 MQW暗電流モデルは、異なる材料系およびデバイス設計に対して頑健か？

主な発見

• モデルは実験的スペクトル応答と良好に一致し、量子井戸の状態密度およびほぼ100％のキャリア脱出効率の正確な記述を確認した。
• 定常的なΔEfの仮定では、MQW太陽電池の暗電流が系統的に低く見積もられることが判明し、井戸内での準フェルミ準位のずれの低減が不可欠であることを示唆した。
• AlGaAs系では、井戸内での有効なΔEf低減は約400 meVであり、井戸の深さおよび閉じ込め効果と整合的であった。
• InGaAsP系では、低い内因電圧および異なるバンドオフセットを有するにもかかわらず、実験的暗電流に一致させるために約130 meVのΔEf低減が必要であった。
• AlGaAsおよびInGaAsPという2つの異なる材料系において、両方で一貫したΔEfの低減が観察されたことから、MQW太陽電池における効率向上の一般化されたメカニズムが裏付けられた。
• 結果は、定常的ΔEfモデルに基づく予測を上回る高い効率の可能性を支持するものである。