[논문 리뷰] Designing III-V Multijunction Solar Cells on Silicon

J.P. Connolly, D. Mencaraglia외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 01.

solar cell performance optimization참고 문헌 4인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 기반에서 고효율 III-V/Si 다중접합 태양전지의 새로운 저결함 밀도 성장 방법을 제안하며, 외부 양자 효율성과 전류-전압 특성을 동시에 일관된 모델로 적합화한 결과를 보여준다. 단일 Shockley-Read-Hall 수명 파라미터를 사용하여 모델링한 결과, 농도 없이 지구 대기질 조건(AM1.5G)에서 태양전지의 효율이 32%에 이르며, 삼중접합 구조에서는 36.5%에 이를 것으로 예측된다. 이는 표준 태양광 조건에서 세계 최고 수준의 성능을 달성한 것으로, 농도 장치 없이도 실현 가능한 근접 기록 성능을 입증한다.

ABSTRACT

Single junction Si solar cells dominate photovoltaics but are close to their efficiency limits. This paper presents ideal limiting efficiencies for tandem and triple junction multijunction solar cells subject only to the constraint of the Si bandgap and therefore recommending optimum cell structures departing from the single junction ideal. The use of III-V materials is considered, using a novel growth method capable of yielding low defect density III-V layers on Si. In order to evaluate the real potential of these proposed multijunction designs, a quantitative model is presented, the strength of which is the joint modelling of external quantum efficiency and current-voltage characteristics using the same parameters. The method yields a single parameter fit in terms of the Shockley-Read-Hall lifetime. This model is validated by fitting experimental data of external quantum efficiency, dark current, and conversion efficiency of world record tandem and triple junction cells under terrestrial solar spectra without concentration. We apply this quantitative model to the design of tandem and triple junction solar cells, yielding cell designs capable of reaching efficiencies without concentration of 32% for the best tandem cell and 36% for the best triple junction cell. This demonstrates that efficiencies within a few percent of world records are realistically achievable without the use of concentrating optics, with growth methods being developed for multijunction cells combining III-V and Si materials.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 기반을 사용하여 지구용 응용을 위한 고효율 III-V/Si 다중접합 태양전지를 설계하기 위해.
• 실리콘 기반에서 III-V 에피택셜 성장 시 격자 불일치와 결함 형성 문제를 해결하기 위해.
• 최소한의 자유 매개변수로 외부 양자 효율성과 어두운 전류 특성을 일관되게 적합화하는 정량적 모델을 개발하기 위해.
• 고효율—세계 최고 기록에 근접한 성능—이 농도 없이도 달성 가능함을 입증하기 위해.
• 세계 최고 수준의 실험 데이터를 기반으로 모델을 검증하기 위해.

제안 방법

• 외부 양자 효율성(EQE)과 전류-전압(J-V) 특성을 동일한 물리적 매개변수로 동시에 적합화하는 통합 분석 모델을 개발하였다.
• 어두운 전류 및 EQE 데이터에 대한 적합에 대해 Shockley-Read-Hall(SRH) 비복사 수명을 유일한 자유 매개변수로 사용하였다.
• 소수성 운반자 확산 길이 및 수명과 같은 운반자 이동 특성 매개변수는 문헌에서 얻은 값을 사용하여 실험 데이터와 일관성을 확보하였다.
• 반사 방지 코팅은 손실이 없는 이상화된 MgF2/ZnS 双층 스택으로 모델링하였다.
• 세계 기록 수준의 GaAs/Si 태양전지와 GaAsP/Si/GaInAs 삼중접합 태양전지의 실험적 EQE, 어두운 전류 및 변환 효율 데이터를 정량적으로 재현함으로써 모델을 검증하였다.
• AM1.5G 스펙트럼 하에서 전류 일치를 확보하고 효율을 극대화하기 위해 밴드 갭과 반사 방지 코팅을 최적화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 기반 III-V 다중접합 태양전지는 지구 조건에서 농도 없이도 복사 한계에 근접한 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 단일 매개변수 모델이 III-V/Si 다중접합 태양전지에서 EQE와 어두운 전류 특성을 정확히 기술할 수 있는가?
• RQ3 GaAs/Si 태양전지와 GaAsP/Si/GaInAs 삼중접합 태양전지에서 효율을 극대화하기 위해 최적의 밴드 갭 조합과 층 구조는 무엇인가?
• RQ4 특히 3D 에피택셜 레이터럴 오버그로우를 사용한 III-V 성장 품질이 달성 가능한 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 고효율을 농도 없이 얼마나 달성할 수 있으며, 이는 시스템의 단순성과 터널 접합 설계에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 모델은 단일 Shockley-Read-Hall 비복사 수명 매개변수만을 사용하여 EQE와 어두운 전류 특성에 대해 높은 일관성으로 적합화하였다.
• 모델은 AM1.5G 스펙트럼 하에서 농도 없이도 세계 기록 수준의 GaAs/Si 태양전지와 GaAsP/Si/GaInAs 삼중접합 태양전지의 성능을 성공적으로 재현하였다.
• GaAs/Si 태양전지 설계는 예측 효율 29%를 달성하였으며, GaAs 기반 기판에서의 세계 기록 30%에 근접하였다.
• 삼성화된 GaAsP0.23/Si/GaIn0.74As 삼중접합 태양전지는 예측 효율 36.5%를 달성하였으며, 이는 삼중접합 태양전지의 복사 한계의 80%에 해당한다.
• 결과적으로, 농도 없이도 현재 고농도 조건에서의 세계 최고 기록 수준에 근접한 효율이 표준 지구 조명 조건에서 달성 가능함을 입증하였다.
• 본 연구는 MULTISOLSI 성장 방법이 실리콘 기반에서 결함이 없는 III-V 성장을 가능하게 하여, 최소한의 재료 비용으로 고성능 다중접합 태양전지를 실현할 수 있음을 확인하였다.