[논문 리뷰] Modelling Multi Quantum Well Solar Cell Efficiency

J.P. Connolly, Jenny Nelson외 6명|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 09.

Semiconductor Quantum Structures and Devices참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 알갈라스와 인갈라스피 시스템에서 어두운 전류를 설명하기 위해 쇼크리-리드-홀 재결합 이론을 확장하여 다중 양자 우물(MQW) 태양전지 효율을 모델링한다. 그 결과, 인갈라스피에서 약 130 meV, 알갈라스에서 약 400 meV 감소한 허위 페르미 수준 간격이 관측된 이상 높은 개방회로 전압과 일치하며, 기존 한계를 초월한 높은 효율 잠재력을 확인한다.

ABSTRACT

The spectral response of quantum well solar cells (QWSCs) is well understood. We describe work on QWSC dark current theory which combined with SR theory yields a system efficiency. A methodology published for single quantum well (SQW) systems is extended to MQW systems in the Al(x) Ga(1-x) As and InGa(0.53x) As(x) P systems. The materials considered are dominated by Shockley-Read-Hall (SRH) recombination. The SRH formalism expresses the dark current in terms of carrier recombination through mid-gap traps. The SRH recombination rate depends on the electron and hole densities of states (DOS) in the barriers and wells, which are well known, and of carrier non-radiative lifetimes. These material quality dependent lifetimes are extracted from analysis of suitable bulk control samples. Consistency over a range of AlGaAs controls and QWSCs is examined, and the model is applied to QWSCs in InGaAsP on InP substrates. We find that the dark currents of MQW systems require a reduction of the quasi Fermi level separation between carrier populations in the wells relative to barrier material, in line with previous studies. Consequences for QWSCs are considered suggesting a high efficiency potential.

연구 동기 및 목표

• 기존 예측을 초월하여 다중 양자 우물(MQW) 구조에서 향상된 태양전지 효율의 기원을 이해하기 위해.
• 알갈라스와 인갈라스피 물질 체계에서 주로 쇼크리-리드-홀(SRH) 재결합에 의해 지배되는 MQW 태양전지의 어두운 전류를 모델링하기 위해.
• 우리가 우수한 효율 잠재력을 가진 MQW 장치에 일관되게 적용하기 위해, 기질 제어 샘플에서 얻은 실린이 비방사성 수명을 추출하기 위해.
• 일정한 허위 페르미 수준 간격(ΔEf) 가정이 효율을 과소평가하는지, 특히 비공명 영역에서 그러한 경향이 있는지 테스트하기 위해.
• 감소된 ΔEf가 우수한 개방회로 전압과 효율을 설명하는 데 기여하며, 이는 MQW 태양전지에서 높은 효율 잠재력의 근거가 됨을 입증하기 위해.

제안 방법

• 표면 재결합 속도와 확산 길이의 피팅 파rameter를 포함한 少수 운반자 이동 및 연속 방정식을 사용하여 스펙트럼 반응(SR)을 모델링한다.
• 효율 질량 및 엔벨롭 함수 근사법을 사용하여 슈뢰딩거 방정식에서 유도된 양자 우물 밀도 상태(DOS)를 계산하며, 여기에 준위 이완 효과를 포함한다.
• 어두운 전류는 이상적 기여와 SRH 기여의 합으로 모델링되며, SRH 속도는 우물과 배경에서 중간 에너지 레벨의 함몰에 의한 운반자 재결합에서 유도된다.
• 우리가 우수한 효율 잠재력을 가진 MQW 장치에 일관되게 적용하기 위해, 우물 또는 배경의 조성이 동일한 기질 동일성 접합에서 추출한 운반자 수명을 우수한 효율 잠재력을 가진 MQW 장치에 일관되게 적용한다.
• 전자와 정공의 비방사성 수명이 동일하다는 가정을 하고, 운영 전압까지 유효한 고갈 근사를 사용한다.
• 이론적 어두운 전류를 실험 데이터와 비교하며, 최적의 피팅을 위해 ΔEf를 조정함으로써, 우물 내에서 체계적으로 감소된 것을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일정한 허위 페르미 수준 간격(ΔEf) 가정이 MQW 태양전지의 어두운 전류를 정확하게 예측하는가?
• RQ2 감소된 ΔEf가 양자 우물 내에서 예상을 초월한 높은 개방회로 전압과 효율을 얼마나 잘 설명하는가?
• RQ3 기질 제어 샘플에서 추출한 운반자 수명을 MQW 어두운 전류를 모델링하는 데 신뢰성 있게 적용할 수 있는가?
• RQ4 밴드 오프셋과 물질 파라미터의 차이(예: 알갈라스 대 인갈라스피)가 MQW 태양전지의 어두운 전류와 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 MQW 어두운 전류 모델은 다양한 물질 체계와 장치 설계에 걸쳐 강인한가?

주요 결과

• 모델은 실험적 스펙트럼 반응과 양호한 일치를 보이며, 양자 우물 밀도 상태와 거의 1에 가까운 운반자 탈출 효율을 정확하게 기술함을 확인한다.
• 일정한 ΔEf를 가정할 경우 MQW 태양전지의 어두운 전류는 체계적으로 과소평가되며, 이는 우물 내에서 허위 페르미 수준 간격을 감소시켜야 한다는 것을 시사한다.
• 알갈라스 시스템에서는 우물 내에서 효과적인 ΔEf 감소가 약 400 meV이며, 이는 우물 깊이와 구속 효과의 합과 일치한다.
• 인갈라스피 시스템에서는 낮은 내재 전압과 다른 밴드 오프셋에도 불구하고, 실험 어두운 전류와 일치시키기 위해 약 130 meV의 ΔEf 감소가 필요하다.
• 알갈라스와 인갈라스피라는 서로 다른 두 물질 체계에서 일관되게 감소된 ΔEf가 관측됨으로써, MQW 태양전지에서 효율 향상의 일반적인 메커니즘이 확인된다.
• 결과적으로, 일정한 ΔEf 모델에 기반한 예측을 초월하는 높은 효율 잠재력이 MQW 태양전지에 존재함을 지지한다.