[논문 리뷰] Efficiency limits of quantum well solar cells

J.P. Connolly, Ian Ballard외 4명|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 09.

solar cell performance optimization참고 문헌 8인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 양자함재 태양전지(QWSCs)의 기본 효율 한계를 조사하며, 고전류 작동 조건에서 주로 복사형 어둠이 전류가 지배하는 상황에서 복사 효율 한계에 의해 제약을 받는다는 것을 보여준다. 복사 및 비복사 재결합을 포함한 고갈 및 전하중성 영역의 세부 전류 모델을 사용하여, 기존의 동질접합 태양전지가 이상적 쇼크 ley 모델에 의해 지배되는 반면 QWSCs는 농축 조건에서 복사 한계에 가까이 작동한다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

The quantum well solar cell (QWSC) has been proposed as a flexible means to ensuring current matching for tandem cells. This paper explores the further advantage afforded by the indication that QWSCs operate in the radiative limit because radiative contribution to the dark current is seen to dominate in experimental data at biases corresponding to operation under concentration. The dark currents of QWSCs are analysed in terms of a light and dark current model. The model calculates the spectral response (QE) from field bearing regions and charge neutral layers and from the quantum wells by calculating the confined densities of states and absorption coefficient, and solving transport equations analytically. The total dark current is expressed as the sum of depletion layer and charge neutral radiative and non radiative currents consistent with parameter values extracted from QE fits to data. The depletion layer dark current is a sum of Shockley-Read-Hall non radiative, and radiative contributions. The charge neutral region contribution is expressed in terms of the ideal Shockley radiative and non-radiative currents modified to include surface recombination. This analysis shows that the QWSC is inherently subject to the fundamental radiative efficiency limit at high currents where the radiative dark current dominates, whereas good homojunction cells are well described by the ideal Shockley picture where the limit is determined by radiative and non radiative recombination in the charge neutral layers of the cell.

연구 동기 및 목표

• 고전류 작동 조건에서 양자함재 태양전지(QWSCs)의 어둠이 전류 메커니즘을 분석하기 위해.
• 실험 데이터에서 제안된 것처럼 QWSCs가 농축 조건에서 복사 효율 한계에 도달하는지 확인하기 위해.
• 복사 및 비복사 재결합 기여도 측면에서 기존의 동질접합 태양전지와 QWSC의 성능을 비교하기 위해.
• 스펙트럼 응답 및 어둠이 전류 예측에 정확성을 갖추기 위해, 전기장이 작용하는 영역, 전하중성층, 그리고 양자함재를 포함한 종합적인 전류 모델을 개발하기 위해.

제안 방법

• 빛과 어둠이 전류 모델을 개발하여 전기장이 작용하는 영역, 전하중성층, 그리고 양자함재에서의 스펙트럼 응답(양자 효율)을 계산하기 위해 사용된다.
• 양자함재 내의 고립된 상태 밀도와 흡수 계수를 해석적으로 계산하여 운반자 생성을 모델링한다.
• 운반자 흐름을 결정하기 위해 운반자 운반 방정식을 해석적으로 해결한다.
• 전체 어둠이 전류는 고갈층(Shockley-Read-Hall 및 복사형)과 전하중성 영역(이상적 복사형 및 비복사형) 성분으로 분해된다.
• 모델의 매개변수는 계산된 양자 효율을 실험 데이터에 맞추어 추출한다.
• 모델은 전하중성 영역의 표면 재결합을 고려하여 이상적 Shockley 전류 표현식을 수정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전류 및 농축 조명 조건에서 양자함재 태양전지는 복사 효율 한계에 얼마나 가까이 도달하는가?
• RQ2 고갈 및 전하중성 영역에서의 복사 및 비복사 재결합 메커니즘이 QWSCs의 전체 어둠이 전류에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기본 효율 한계 측면에서 QWSCs의 성능은 기존의 동질접합 세포와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 제안된 모델이 실험 데이터에서 관찰된 복사형 어둠이 전류의 지배적 우세성을 정량적으로 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 고전류 조건에서 QWSC는 복사 한계에 도달하며, 이는 복사형 어둠이 전류가 지배하는 상황에서 기본 효율 한계를 설정한다.
• 전체 어둠이 전류는 고갈층(비복사 및 복사형)과 전하중성 영역(복사형 및 비복사형) 기여의 합으로 잘 기술된다.
• 측정된 데이터에 모델 매개변수를 맞춤으로써 모델링된 양자 효율과 실험적 양자 효율 간 양호한 일치를 달성한다.
• 전하중성 영역 전류는 표면 재결합으로 인해 수정되며, 이는 이상적 Shockley 모델을 초월해 비복사 재결합을 증가시킨다.
• 모델은 QWSCs가 농축 조건에서 동질접합 세포가 이상적 쇼크레이 모형을 따르는 것과 달리 본질적으로 복사 효율 한계에 의해 제약을 받는다는 것을 확인한다.
• 분석 결과, 최적 조건에서 QWSCs는 거의 이상적인 복사 효율을 달성할 수 있으며, 이는 고성능 투 tandem 태양전지의 잠재력을 입증한다.