[論文レビュー] Modelling and Optimising GaAs/Al(x)Ga(1-x)As Multiple Quantum Well Solar Cells

J.P. Connolly|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2010

solar cell performance optimization参考文献 11被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、アルミニウム含有量の増加に伴う開路電圧（Voc）と量子効率（QE）のトレードオフを分析することで、GaAs/AlₓGa₁₋ₓAsマルチプレーン量子井戸太陽電池のモデリングと最適化を行った。主な設計改善策として、キャリア収集を向上させる内部電場を形成する組成勾配型バリアと、吸収されなかった光を再利用するバックサーフェスミラーを提案し、モデリングによりこれらの変更がQEを顕著に向上させつつ高Vocを維持することを示した。その結果、高出力変換効率を実現する最適化されたデバイス構造が得られた。

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.

研究の動機と目的

• アルミニウム含有量の増加に伴うGaAs/AlₓGa₁₋ₓAsマルチプレーン量子井戸太陽電池における開路電圧（Voc）の増加と量子効率（QE）の低下のトレードオフを調査すること。
• 新規QWSC設計のためのQEの定量的モデルを構築し、高アルミニウム含有量におけるQEの低下を解消すること。
• 内部準電場を生成する組成勾配型バリアの影響を評価し、マイノリティキャリアの収集を改善すること。
• バックサーフェスミラーが吸収されなかった光を再利用することで、光捕集効果を高め、全体のQEを向上させる影響を分析すること。
• 両方の設計改善を統合し、実験データとのモデル適合をもとに最適化されたQWSC構造を同定すること。

提案手法

• 空間的に変化するバンドギャップおよび電場効果を組み込んだ、組成勾配型GaAs/AlₓGa₁₋ₓAs QWSCの量子効率（QE）理論モデルを構築した。
• 拡散長および再結合速度が変化する条件下でのマイノリティキャリアに対する連続の式の解析的解を用い、吸収係数αおよび電場強度E_fを考慮した。
• 電場依存性QEモデルを導入し、バンドギャップ勾配および移動度の勾配に起因する有効拡散長を修正し、バンドギャップ勾配に対して反対方向の電場的項を導入した。
• バックサーフェスミラー効果を、内在的領域における複数回の光通過および反射増幅吸収を考慮してモデル化した。
• 異なるAl含有量、勾配層、ミラー付バック接触を有するQWSCの実験データとモデルを照合し、妥当性を検証した。
• 数値的および解析的比較により、表面再結合速度および拡散長の感度、特にバンドギャップ端付近の低吸収領域における影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AlₓGa₁₋ₓAsバリアにおけるアルミニウム含有量の増加が、GaAs/AlₓGa₁₋ₓAsマルチプレーン量子井戸太陽電池の開路電圧（Voc）および量子効率（QE）に与える影響は何か？
• RQ2 組成勾配型バリア構造は、QWSCのドーピング層における表面再結合損失をどの程度低減し、マイノリティキャリア収集を改善できるか？
• RQ3 バンドギャップ端付近の低吸収領域を有するQWSCにおいて、バックサーフェスミラーは有効な光吸収および全体の量子効率にどのような影響を及えるか？
• RQ4 組成勾配ヘテロ構造とミラーによる光再利用の併用効果は、従来の設計と比較してQWSCの全体の出力変換効率にどのように影響を与えるか？
• RQ5 簡略化された解析的モデルは、組成勾配型QWSCにおけるQEを正確に予測できるか、それとも輸送パラメータおよび吸収の空間的変動が正確なモデリングに不可欠か？

主な発見

• AlₓGa₁₋ₓAsバリアにおけるアルミニウム含有量の増加は、開路電圧（Voc）を単調に増加させ、単バンドギャップセルと比較してQWSCの効率上限が向上する可能性を裏付けた。
• 量子効率（QE）は、より広いバンドギャップのバリアによる吸収率の低下により、アルミニウム含有量の増加に伴い低下する。特にバンドギャップ端付近の長波長領域で顕著に低下する。
• 組成勾配構造により、内部準電場が生成され、pおよびn層からのマイノリティキャリア抽出が促進され、再結合損失が低減し、キャリア収集効率が向上する。
• バックサーフェスミラーは、内在的領域における光の有効パス長を延長し、低吸収領域におけるQEを顕著に向上させ、全体の光子利用効率を向上させる。
• モデリングにより、ミラーを備えた組成勾配型QWSCでは、表面再結合速度への感度が非勾配型セルに比べて低く、電場に起因する再結合効果の低減が寄与していることが示された。
• 組成勾配型バリアとバックサーフェスミラーを組み合わせた最適化設計は、特に長波長領域において、スペクトル全体にわたるQEの顕著な向上を示した。同時に高Vocを維持しており、より高い出力変換効率への道筋が示された。