[論文レビュー] Silicon solar cells efficiency analysis. Doping type and level optimization

А. В. Саченко, V. P. Kostylyov+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2015

Silicon and Solar Cell Technologies参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、Fe関連のショックリー・リード・ホール再結合が支配的である条件下で、n型およびp型ベースを有するシリコン太陽電池の効率について、ドーピング種別および濃度の最適化を焦点に分析している。理論的考察により、n型セルは再結合パラメータの非対称性のおかげでドーピング濃度の増加によって効率が向上するのに対し、p型セルは同様の条件下で劣化することが示された。実験的HITセルデータにより、表面再結合速度と直列抵抗の正確な一致が理論的予測を裏付けた。

ABSTRACT

The theoretical analysis of photovoltaic conversion efficiency of highly effective silicon solar cells (SC) is performed for n-type and p-type bases. The case is considered when the Shockley-Read-Hall recombination in the silicon bulk is determined by the deep level of Fe. It is shown that due to the asymmetry of the recombination parameters of this level the photovoltaic conversion efficiency is increasing in the SC with the n-type base and decreasing in the SC with the p-type base with the increase in doping. Two approximations for the band-to-band Auger recombination lifetime dependence on the base doping level are considered when performing the analysis. The experimental results are presented for the key characteristics of the solar cells based on $α-Si:H-n-Si$ heterojunctions with intrinsic thin layer (HIT). A comparison between the experimental and calculated values of the HIT cells characteristics is made. The surface recombination velocity and series resistance are determined from it with a complete coincidence of the experimental and calculated SC parameters' values.

研究の動機と目的

• ドーピング種別（n型対p型）および濃度がシリコン太陽電池の発電効率に与える影響を調査すること。
• Fe関連の深レベル再結合（ショックリー・リード・ホール）がn型およびp型ベース間の効率差を決定づける役割を分析すること。
• 2つの近似法を用いて、バンドギャップ間のオーバー再結合寿命がベースドーピング濃度に依存する関係をモデル化し、ドーピング濃度の最適化を行うこと。
• 理論的予測をα-Si:H/i-n-Siヘテロジャンクション太陽電池（HIT構造）からの実験データと照合すること。
• 実験とシミュレーション間の一致を図るために、表面再結合速度および直列抵抗といった主要デバイスパラメータの抽出と一致を図ること。

提案手法

• Feを主な深レベルとして持つショックリー・リード・ホール再結合を用いた発電効率の理論的モデリング。
• ベースドーピング濃度に依存するバンドギャップ間オーバー再結合寿命の依存関係を表す2つの異なる近似法の適用。
• 同一の再結合およびドーピング条件の下で、n型およびp型シリコンベースにおける太陽電池の性能をシミュレーションすること。
• α-Si:H/i-n-Siヘテロジャンクション太陽電池からの実験データと照合するため、計算された開回路電圧、短絡電流、フィルファクターの比較。
• 理論的曲線を実験的I-V特性にフィッティングすることで、表面再結合速度および直列抵抗のパラメータ抽出。
• 実験と計算されたパラメータの完全一致を、モデルの妥当性を検証する基準として用いること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fe関連のショックリー・リード・ホール再結合が支配的である場合、ドーピング種別（n型対p型）は発電効率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 同じ再結合条件下で、なぜドーピング濃度の増加がn型セルでは効率を向上させる一方、p型セルでは劣化を引き起こすのか？
• RQ3 オーバー再結合寿命の異なる近似法は、ドーピング濃度に応じた予測される効率トレンドにどのように影響を与えるか？
• RQ4 理論的モデルは、非晶質シリコン層を有するHIT太陽電池の実験的特性をどの程度再現できるか？
• RQ5 理論と実験が完全に一致するようにするための表面再結合速度および直列抵抗の値は何か？

主な発見

• Fe関連深レベルの再結合パラメータにおける非対称性が原因で、n型シリコン太陽電池はドーピング濃度の上昇に伴い効率が向上するが、p型セルは逆に効率が低下する。
• α-Si:H/i-n-Siヘテロジャンクション太陽電池からの実験データと、n型セルの理論的予測がよく一致しており、モデルの妥当性が確認された。
• 実験的I-V曲線から抽出した表面再結合速度および直列抵抗の値は、理論的シミュレーションで用いられた値と完全に一致している。
• 2つのオーバー再結合寿命の近似法は、同様の定性的なトレンドを示しており、効率解析の妥当性が裏付けられた。
• 計算値と測定値の太陽電池パラメータ（Voc、Isc、FF）の完全一致により、モデルの装置性能予測精度が検証された。
• 本研究は、Fe汚染が存在する状況下で、ドーピングを最適化した場合、n型シリコンがp型シリコンよりも高効率太陽電池に適していることを確認した。