[논문 리뷰] Mirrored strain-balanced quantum well concentrator cells in the radiative limit

J.P. Connolly, M. Führer외 8명|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 03.

solar cell performance optimization참고 문헌 10인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 고농도 조건에서 복사 재결합 손실을 최소화하기 위해 거꾸로 배열된 응력 균형형 양자우물 농축 태양전지 구조를 제안한다. 뒷면 거울을 통합함으로써 복사 재결합을 통해 방출된 광자는 다시 흡수층으로 반사되어 발광을 감소시키고 복사 어두운 전류를 낮춘다. 이로써 고전류 조건에서 복사 효율 한계에 도달하는 성능 향상을 달성한다.

ABSTRACT

Strain-balanced Quantum Well Solar Cells (SB- QWSCs) are radiatively dominated at concentrator current levels. Incorporating back surface mirrors on the back of the doped substrate leads to a reduction in this radiative recombination current while the non-radiative dark current at lower bias remains unchanged. This work extends a previous model of radiative dark currents to cells where the substrate is not a perfectly absorbing sink for emitted luminescence by including multiple passes of photons emitted by radiative recombination. The luminescence in such mirrored structures is reduced and the radiative dark current lower. The structure is suited to concentrator applications because it corresponds to the high efficiency limit where losses due to light re-emission are limited to the solid angle for absorption of solar radiation.

연구 동기 및 목표

• 고농도 조건에서 응력 균형형 양자우물 농축 태양전지의 복사 재결합 손실을 줄이기 위해.
• 기존의 SB-QWSC에서 방출된 빛이 회수되지 않고 외부로 빠져나가는 비이상적 광자 수확 한계를 해결하기 위해.
• 뒷면 거울이 복사 어두운 전류를 억제하면서도 비복사 전류 특성을 유지하는지 모델링하고 실험적으로 검증하기 위해.
• 농축 조건에서 III-V 다중 양자우물 태양전지의 이론적 복사 효율 한계에 도달하기 위해.
• 거울이 있는 시료에서 광자 다중 통과 동역학을 분석함으로써 모델을 검증하기 위해.

제안 방법

• 응력 균형형 양자우물 태양전지의 Dopant 기판에 뒷면 거울을 통합하여 방출된 광자를 다시 흡수층으로 반사시켰다.
• 기존의 복사 어두운 전류 모델을 확장하여 거울 반사로 인한 다중 광자 통과를 고려하고, 반복적인 흡수 및 재방출을 반영하였다.
• 농축 조건에서 시스템을 모델링하였으며, 복사 손실의 제한 요소로 태양 복사 수확의 입체각을 중심으로 다루었다.
• 거울에 의한 광자 재활용으로 인해 발광과 복사 어두운 전류 감소를 평가하였다.
• 이론적 프레임워크를 사용하여 고주입 상태에서의 복사 전류 억제 정도를 정량화하였다.
• 거울의 반사율과 양자우물 구조가 복사 효율에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 뒷면 거울은 응력 균형형 양자우물 농축 태양전지의 복사 재결합 전류에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 거울을 통한 광자 재활용은 고농도 태양전지에서 발광과 복사 어두운 전류를 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ3 농축 작동 조건에서 거울이 장착된 SB-QWSC의 이론적 복사 효율 한계는 무엇인가?
• RQ4 거울 반사로 인한 다중 통과 광자 행동은 거울이 장착된 양자우물 구조에서 복사 전류에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 거울이 장착된 SB-QWSC는 농축 광발전에서 복사 한계 효율에 도달할 수 있는가?

주요 결과

• 뒷면 거울의 통합으로 방출된 광자를 흡수층 내에 고착시켜 복사 재결합 전류가 감소하고 발광이 억제된다.
• 비거울 구조에 비해 복사 어두운 전류가 크게 감소하여 고농도 조건에서 복사 한계에 가까워진다.
• 낮은 전압에서 비복사 어두운 전류는 변화가 없어, 거울이 주로 복사 경로에 영향을 준다는 것이 확인된다.
• 모델은 거울이 장착된 SB-QWSC가 태양 복사 수확 입체각에 의해 제한되는 한, 이론적 복사 효율 한계에 도달할 수 있음을 예측한다.
• 거울 반사로 인한 다중 광자 통과가 효과적인 광자 재활용을 이끌어내어 순수 복사 손실을 감소시킨다.
• 이 시스템은 뒷면 거울이 고전류 농축 태양전지에서 복사 재결합을 최소화하는 데 효과적이라는 것을 입증한다.