[논문 리뷰] Triple-junction solar cells with 39.5% terrestrial and 34.2% space efficiency enabled by thick quantum well superlattices

Ryan M. France, John F. Geisz외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 29.

solar cell performance optimization인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 삼중접합 III-V 태양전지에서 중간 셀에 두꺼운 GaInAs/GaAsP 응력균형형 양자우물 초격자 구조를 사용하여 밀도가 낮은 밀도의 GaAs보다 낮은 금속간격을 확보함으로써 높은 효율을 달성한다. 장치는 지구 기준 태양광 스펙트럼 하에서 39.5%의 효율을 기록했으며, 우주 기준 태양광 스펙트럼 하에서는 34.2%의 효율을 기록하여, 최적화된 격자불일치 설계와 양자우물 공학을 통해 이전의 6접합 기준을 초월하는 신기록을 수립하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 삼중접합 태양전지의 효율 한계를 극복하기 위해, 밀도가 낮은 GaAs보다 낮은 중간 셀 금속간격을 확보하면서도 전압과 재료 품질을 유지하는 것.
• 높은 전하 운반체 이동성과 흡수 효율을 유지하면서도 격자불일치 성장이 가능한 두꺼운 양자우물 초격자 구조를 갖춘 GaInAs/GaAsP의 고성능 설계 개발.
• GaInP 상단 셀과 GaInAs 하단 셀을 포함한 뒤집힌 미세구조 다중접합 구조에 최적화된 양자우물 중간 셀을 통합하여 최대 스펙트럼 반응과 효율을 확보하는 것.
• 지구 및 우주 태양복사 조건 하에서 기록적인 전력변환 효율을 달성하는 것.

제안 방법

• 중간 셀은 두꺼운 응력균형형 GaInAs/GaAsP 양자우물을 사용하여 효과적인 금속간격을 낮추면서도 높은 개방전압과 탁월한 흡수 효율을 유지한다.
• GaInP 상단 셀과 GaInAs 하단 셀을 격자일치시키기 위해 뒤집힌 미세구조 에pitaxial 성장 공정을 사용하며, 중간 셀은 이완된 InGaAs 버퍼층 위에 성장된다.
• 양자우물 초격자 구조는 결함과 전하 운반체 재결합을 최소화하도록 설계되어 높은 내부 양자효율을 달성한다.
• 전체 삼중접합 구조는 AM1.5G(지구) 및 AM0(우주) 조건 하에서의 전류 일치와 스펙트럼 반응 최적화를 위해 최적화된다.
• 표준 시험 조건 하에서 표준 태양광 시뮬레이터를 사용하여 장치 성능을 특성화하며, 효율은 校정된 기준 세포를 통해 측정된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두꺼운 응력균형형 GaInAs/GaAsP 양자우물 초격자 구조는 태양전지 중간 셀에서 고전압과 강한 흡수를 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ2 중간 셀의 효과적 금속간격을 밀도가 낮은 GaAs보다 낮추는 것이 지구 및 우주 조건 하에서 전체 전력변환 효율을 향상시키는가?
• RQ3 이러한 양자우물 구조를 뒤집힌 미세구조 다중접합 구조에 통합함으로써 격자불일치 조건에서도 높은 효율을 유지할 수 있는가?
• RQ4 기존 기록과 비교했을 때, 이러한 양자우물 접근법을 사용한 삼중접합 태양전지의 최대 실현 가능한 효율은 얼마인가?

주요 결과

• 삼중접합 태양전지는 지구 기준 태양광 스펙트럼(AM1.5G) 하에서 기록적인 39.5%의 전력변환 효율을 달성하였다.
• 장치는 우주 기준 태양광 스펙트럼(AM0) 하에서도 34.2%의 효율을 기록하였으며, 삼중접합 태양전지 분야에서 신기록을 수립하였다.
• 두꺼운 양자우물 초격자 중간 셀은 밀도가 낮은 GaAs보다 낮은 효과적 금속간격을 확보하면서도 높은 개방전압과 탁월한 흡수를 유지하였다.
• 이전에 보고된 6접합 태양전지의 성능을 초월하여, 최적화된 삼중접합 설계와 양자우물 공학의 우수성을 입증하였다.
• 결과적으로, 양자우물 초격자 구조가 다중접합 태양전지에서 이론적 최적 금속간격과 실질적 재료 제약 사이의 격차를 효과적으로 메울 수 있음을 확인하였다.