[論文レビュー] Triple-junction solar cells with 39.5% terrestrial and 34.2% space efficiency enabled by thick quantum well superlattices

Ryan M. France, John F. Geisz+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2022

solar cell performance optimization被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、中間セルに厚いGaInAs/GaAsPひずみバランシング量子井戸スーパラティスを用いた三接合III-V太陽電池を提示する。これにより、ボトムGaAsのバンドギャップ未満の有効バンドギャップを実現し、より高い効率を達成している。デバイスは地上全域スペクトル下で39.5%、宇宙スペクトル下で34.2%の効率を達成し、三接合セルの新記録を樹立した。ラティス不一致を最適化した設計と量子井戸工学により、従来の六接合セルのベンチマークを上回った。

ABSTRACT

Multijunction solar cell design is guided by both the theoretical optimal bandgap combination as well as the realistic limitations to materials with these bandgaps. For instance, triple-junction III-V multijunction solar cells commonly use GaAs as a middle cell because of its near-perfect material quality, despite its bandgap being higher than optimal for the global spectrum. Here, we modify the GaAs bandgap using thick GaInAs/GaAsP strain-balanced quantum well (QW) solar cells with excellent voltage and absorption. These high-performance QWs are incorporated into a triple-junction inverted metamorphic multijunction device consisting of a GaInP top cell, GaInAs/GaAsP QW middle cell, and lattice-mismatched GaInAs bottom cell, each of which has been highly optimized. We demonstrate triple-junction efficiencies of 39.5% and 34.2% under the global and space spectra, respectively, which are higher than previous record six-junction devices.

研究の動機と目的

• 従来の三接合太陽電池の効率限界を克服するため、ボトムGaAs未満のバンドギャップを中間セルで実現しつつ、電圧や材料品質を損なわないようにすること。
• ラティス不一致成長を可能にしつつ、優れたキャリア輸送性と吸収能を維持する、高品質な厚い量子井戸スーパラティス構造をGaInAs/GaAsPで開発すること。
• 最適化された量子井戸中間セルを、上部にGaInP、下部にGaInAsを有する逆メタモーフィック多接合構造に統合し、最大のスペクトル応答と効率を達成すること。
• 地上および宇宙の太陽放射条件下で、記録的な発電効率を達成すること。

提案手法

• 中間セルは、有効バンドギャップを低下させつつ高いオープン・クランプ電圧と高い吸収効率を維持するため、厚いひずみバランシングGaInAs/GaAsP量子井戸を採用している。
• 上部のGaInPセルと下部のGaInAsセルをラティスマッチさせるために、逆メタモーフィックエpitaxial成長プロセスを用い、中間セルは緩和されたInGaAsバッファ層上に成長している。
• 量子井戸スーパラティス構造を最適化し、欠陥とキャリア再結合を最小限に抑え、高い内部量子効率を実現している。
• 全三接合構造を、地上用のAM1.5Gおよび宇宙用のAM0条件下での電流マッチングとスペクトル応答に最適化している。
• 標準試験条件下での標準太陽光シミュレータを用いたデバイス特性評価を行い、校正済み基準セルを用いて効率を測定している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GaInAs/GaAsPにおける厚いひずみバランシング量子井戸スーパラティスは、太陽電池の中間セルとして、高い電圧と強力な吸収を両立できるか？
• RQ2 中間セルの有効バンドギャップをボトムGaAs未満に低下させることで、地上および宇宙条件下での総合的発電効率が向上するか？
• RQ3 このような量子井戸構造を逆メタモーフィック多接合構造に統合した場合、ラティス不一致が存在しても高い効率を維持できるか？
• RQ4 この量子井戸アプローチを用いた三接合太陽電池の最大達成効率は、既存の記録と比較してどの程度か？

主な発見

• 三接合太陽電池は、地上全域スペクトル（AM1.5G）下で記録的な39.5%の発電効率を達成した。
• 宇宙太陽スペクトル（AM0）下でも34.2%の効率を示し、三接合セルの新記録を樹立した。
• 厚い量子井戸スーパラティス中間セルにより、ボトムGaAs未満の有効バンドギャップを実現したが、高いオープン・クランプ電圧と優れた吸収特性を維持した。
• 以前に報告された六接合太陽電池の性能を上回り、最適化された量子井戸工学を施した三接合設計の優位性を示した。
• 量子井戸スーパラティスが、多接合発電における理論的最適バンドギャップと実用的材料制約の間のギャップを有効に埋め合わせられることを確認した。