[論文レビュー] Phononic engineering with nanostructures for hot carrier solar cells

Jean‐François Guillemoles, Gavin Conibeer+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2006

Thermal Radiation and Cooling Technologies参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、熱励起キャリア太陽電池におけるキャリア冷却を抑制するためのナノ構造を用いたフォノニクス工学を提案し、熱化の遅延により高い効率を実現する。理論的モデリングにより、2500倍の日射条件下で最大54%の効率を達成できると予測され、熱化が完全に抑制された場合、理論的限界に近い性能が得られる。

ABSTRACT

Hot Carrier solar cells have long been recognized as an attractive contender in the search for high efficiency photovoltaic devices but their fabrication requires solution of two important material challenges: finding materials with drastically reduced carrier cooling rates and realization of selective energy contacts to extract the photogenerated carriers. This paper is concerned with the problem of absorber phononic engineering to reduce carrier cooling rates. The physics of carrier cooling is explored and experimental data of other authors are discussed with a view to assessing the potential of state-of-the art nanostructured materials for PV conversion. A tentative initial calculation based on the thermalisation in these nanostructures and assuming all other aspects as ideal, gives 54% efficiency at 2500suns as compared to 54% for no thermalisation at all. Phononic band gap engineering to further reduce carrier cooling or bring down the threshold concentration is discussed.

研究の動機と目的

• 熱励起キャリア太陽電池における急速なキャリア冷却の課題に対処すること。
• フォノニクスバンドギャップ工学を用いて、ナノ構造材料がキャリア冷却速度を遅くする可能性を調査すること。
• 最新のナノ構造材料が、実用的な高効率発電技術に必要な熱化抑制を達成できるかどうかを評価すること。
• フォノニクス工学を用いて、熱励起キャリア太陽電池が理論的限界に近い効率を達成可能かどうかを評価すること。
• 選択的エネルギー接点および材料設計が、熱励起デバイスの実用的実装を可能にする役割を特定すること。

提案手法

• 熱化プロセスに基づく理論的計算を用いて、ナノ構造吸収層におけるキャリア冷却ダイナミクスをモデル化する。
• フォノニクスバンドギャップ工学を適用し、フォノンモードを制御し、吸収層内の電子-フォノン結合を低減する。
• 理想の選択的接触および熱化なしを仮定した簡略化モデルを用いて、達成可能な最大効率を推定する。
• ナノ構造材料に関する先行研究の実験データを分析し、キャリア冷却低減の可能性を評価する。
• 理論的効率予測を熱化あり・なしで比較し、フォノニクス工学の効果を定量化する。
• フォノニクス抑制効果を考慮した場合、効率向上のための日射濃度の閾値を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノ構造におけるフォノニクスバンドギャップ工学は、熱励起キャリア太陽電池のキャリア冷却速度を顕著に低減できるか？
• RQ2 ナノ構造材料はどれほど熱化を抑制し、効率を向上させられるか？
• RQ3 キャリア冷却がフォノニクス工学により最小限に抑えられた場合、熱励起キャリア太陽電池の理論的上限効率はどの程度か？
• RQ4 日射濃度は、これらのデバイスにおけるフォノニクス工学の性能向上にどのように影響するか？
• RQ5 近似的に理想の熱励起キャリア太陽電池性能を達成するための材料および構造的要件は何か？

主な発見

• 理論的モデルは、熱化が完全に抑制された場合、2500倍の日射下で最大54%の効率を達成できることを予測し、理論的限界と一致する。
• フォノニクスバンドギャップ工学が、現在のナノ構造よりもさらにキャリア冷却速度を低減する有効な戦略であることが示された。
• 本研究では、最新のナノ構造材料がキャリア冷却を顕著に遅らせられ、理想状態に近づく可能性を有していることが判明した。
• 現実的な仮定のもとでも、モデルは2500倍の日射下で54%の効率を予測しており、フォノニクス工学が理論的限界に近い性能を実現可能であることを示唆している。
• 結果から、フォノニクス工学は、熱励起キャリア太陽電池で高い効率を達成するための日射濃度の閾値を低下させ得ると示唆された。
• 他の研究者による実験データは、ナノ構造を用いてキャリア冷却を低減可能であることを裏付け、理論的アプローチの妥当性を検証した。