[논문 리뷰] Modelling and Optimising GaAs/Al(x)Ga(1-x)As Multiple Quantum Well Solar Cells

J.P. Connolly|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 05.

solar cell performance optimization참고 문헌 11인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 알루미늄 함량 증가에 따라 개방회로 전압(Voc)과 양자 효율(QE) 사이의 상충 관계를 분석함으로써 GaAs/AlₓGa₁₋ₓAs 다중 퀘이버리웰 태양전지의 모델링 및 최적화를 수행한다. 구성이 변화하는 고리형 장벽을 통해 내부 전계를 형성하여 적재 효율을 향상시키고, 뒷면 거울을 도입하여 흡수되지 않은 빛을 재활용하는 두 가지 핵심 설계 개선을 제안한다. 모델링을 통해 이러한 수정이 QE를 크게 향상시키면서도 높은 Voc를 유지함을 입증하여, 더 높은 전력 변환 효율을 달성할 수 있는 최적화된 장치 구조를 도출한다.

ABSTRACT

The quantum well solar cell (QWSC) is a p - i - n solar cell with quantum wells in the intrinsic region. Previous work has shown that QWSCs have a greater open circuit voltage (Voc) than would be provided by a cell with the quantum well effective bandgap. This suggests that the fundamental efficiency limits of QWSCs are greater than those of single bandgap solar cells. The following work investigates QWSCs in the GaAs/AlxGa1-xAs materials system. The design and optimisation of a QWSC in this system requires studies of the voltage and current dependencies on the aluminium fraction. QWSCs with different aluminium fractions have been studied and show an increasing Voc with increasing barrier aluminium composition. The QE however decreases with increasing aluminium composition. We develop a model of the QE to test novel QWSC designs with a view to minimising this problem. This work concentrates on two design changes. The first deals with com- positionally graded structures in which the bandgap varies with position. This bandgap variation introduces an quasi electric field which can be used to increase minority carrier collection in the low efficiency p and n layers. This technique also increases the light flux reaching the highly efficient depletion regions. The second design change consists of coating the back of the cell with a mirror to exploit the portion of light which is not absorbed on the first pass. A model of the QE of compositionally graded QWSC solar cells with back surface mirrors is developed in order to analyse the effect of these design changes. These changes are implemented separately in a number of QWSC designs and the resulting experimental data compared with the model. An optimised design is then presented.

연구 동기 및 목표

• 알루미늄 분율 증가에 따라 GaAs/AlₓGa₁₋ₓAs 다중 퀘이버리웰 태양전지에서 개방회로 전압(Voc) 증가와 양자 효율(QE) 감소 사이의 상충 관계를 조사하기 위해.
• 신규 QWSC 설계를 위한 QE에 대한 정량적 모델을 개발하여 고알루미늄 조성에서의 QE 감소 문제를 해결하기 위해.
• 소수성 실리콘 입자 수확을 향상시키기 위해 구성이 변화하는 고리형 장벽이 내부 준전계를 생성하는 영향을 평가하기 위해.
• 흡수되지 않은 빛을 재활용하여 빛 포획 및 전체 QE를 향상시키는 데 뒷면 거울의 영향을 분석하기 위해.
• 두 설계 수정 사항을 통합하고 실험 데이터와의 모델 검증을 통해 최적의 QWSC 구조를 규명하기 위해.

제안 방법

• 공간적으로 변화하는 금속 띠역과 전계 효과를 포함한 구성이 변화하는 GaAs/AlₓGa₁₋ₓAs QWSC의 양자 효율(QE) 이론 모델을 개발하였다.
• 확산 길이와 재결합 속도가 변하는 조건에서 소수성 입자에 대한 연속 방정식의 해석적 해를 사용하였으며, 흡수 계수 α와 전계 강도 E_f를 고려하였다.
• 전계 의존성 QE 모델을 도입하여, 밴드 갭 기울기와 이동도 기울기의 영향을 받는 효과적 확산 길이를 수정하였으며, 이는 밴드 갭 기울기에 대비하는 전계 유사 항을 포함한다.
• 내부 영역에서의 다중 광학 통과와 반사 증강 흡수 효과를 고려하여 뒷면 거울 효과를 모델링하였다.
• 다양한 Al 조성, 급격한 층, 반사성 뒷면 접촉을 가진 QWSC의 실험 데이터와 모델을 검증하였다.
• 수치적 및 해석적 비교를 수행하여, 특히 밴드 갭 근처의 낮은 흡수 영역에서 표면 재결합 속도와 확산 길이에 대한 QE의 민감도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AlₓGa₁₋ₓAs 고리형에서 알루미늄 분율 증가가 GaAs/AlₓGa₁₋ₓAs 다중 퀘이버리웰 태양전지의 개방회로 전압(Voc)과 양자 효율(QE)에 미치는 영향은 어떻게 되는가?
• RQ2 구성 변화가 있는 고리형 장벽 구조는 QWSC의 도핑된 층에서의 표면 재결합 손실을 어느 정도 줄이고 소수성 입자 수집을 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 밴드 갭 근처의 낮은 흡수 영역이 있는 QWSC에서 뒷면 거울은 효과적인 빛 흡수와 전체 양자 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 급격한 이종구조와 반사 거울에 의한 광학 재활용의 병합 효과는 전통적 설계 대비 QWSC의 전체 전력 변환 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 간단한 해석적 모델은 구성 변화가 있는 QWSC의 QE를 정확하게 예측할 수 있는가, 아니면 운반 매개변수와 흡수의 공간적 변동이 정확한 모델링에 필수적인가?

주요 결과

• AlₓGa₁₋ₓAs 고리형에서 알루미늄 분율 증가에 따라 개방회로 전압(Voc)이 단조적으로 증가하며, 단일 밴드 갭 세포보다 높은 효율 한계를 달성할 잠재력이 있음을 확인하였다.
• 알루미늄 조성 증가로 인해 더 넓은 금속 띠역 고리형에서의 흡수 감소로 인해 양자 효율(QE)이 감소하며, 특히 밴드 갭 근처의 장파장 영역에서 두드러진다.
• 구성 변화가 있는 고리형은 내부 준전계를 생성하여 p 및 n 층에서 소수성 입자 추출을 향상시켜 재결합 손실을 감소시키고, 입자 수집 효율을 향상시킨다.
• 뒷면 거울은 내부 영역에서 빛의 효과적 경로 길이를 증가시켜 낮은 흡수 영역에서의 QE를 크게 향상시키고 전체 광자 이용률을 향상시킨다.
• 모델링 결과, 거울이 있는 급격한 QWSC에서 QE는 표면 재결합 속도에 대해 더 민감하지 않으며, 이는 전계 유도 재결합 효과 감소 때문이었다.
• 최적화된 설계—즉, 급격한 고리형과 뒷면 거울의 조합—은 특히 장파장 영역에서 스펙트럼 전반에 걸쳐 QE가 크게 향상되었으며, 높은 Voc를 유지함으로써 더 높은 전력 변환 효율 향상의 길을 제시한다.