[論文レビュー] Total Internal Reflection for Effectively Transparent Solar Cell Contacts

Phillip Jahelka, Rebecca Saive+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2016

Silicon and Solar Cell Technologies参考文献 8被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、封止材よりも屈折率が低い三角形状の空洞を用いて全内部反射（TIR）を誘発し、入射光を金属接触から避け、太陽電池吸収層へと再指向することを提案する。シミュレーションおよび概念実証実験により、この手法は広い入射角範囲で反射損失を低減し、光電流を向上させることを示しており、空間分解能を有するレーザービーム誘起電流（LBIC）測定により、バスバー領域における有効な電流収集が顕著に向上していることが確認された。

ABSTRACT

A new strategy for eliminating photocurrent losses due to the metal contacts on the front of a solar cell was proposed, simulated, and tested. By placing triangular cross-section lines of low refractive index on top of the contacts, total-internal reflection at the interface of the low-index triangles and the surrounding material can direct light away from the metal and into the photoactive absorber. Simulations indicated that losses can be eliminated for any incident angle, and that yearly energy production improvements commensurate with the metallized area are possible. Proof of principle experiments were carried out to eliminate the reflective losses of a commercial solar cell's busbar contact. Spatially resolved laser beam induced current measurements demonstrated that reflection losses due to the busbar were reduced by voids with triangular cross-section.

研究の動機と目的

• シリコン太陽電池の前面金属接触部が引き起こす光電流損失を是正し、効率の向上とコスト削減を促進すること。
• 太陽電池の内部構造を変更せずに、全内部反射（TIR）を用いて入射光を金属接触から遠ざける手法を開発すること。
• 商業用太陽電池に適合し、簡素で相互運用可能かつスケーラブルな解決策を提供し、反射損失を低減することでエネルギー収量を向上させること。
• 空間分解能を有するレーザービーム誘起電流（LBIC）測定を用いて、プロトタイプ構造における概念の実証的検証を行うこと。

提案手法

• 屈折率が周囲の封止材（ne）より低い三角断面の空洞を用い、三角形と封止材の界面で全内部反射（TIR）を誘発する。
• スネルの法則を適用して、TIRが発生する臨界角の条件を導出し、入射光が金属接触を通じて逃げず、太陽電池内部に反射されるように保証する。
• 三角形の幾何学的寸法（高さh、幅w）および屈折率の対比（nt < ne）を最適化し、広い入射角範囲でTIRを実現する。
• 理論的モデリングおよびLightToolsを用いたシミュレーションにより、さまざまな太陽光の入射角において光電流の向上と年間エネルギー収量の増加を予測した。
• 概念実証実験では、バスバー上に三角形状の空洞を持つ3DプリントされたPDMS型を用い、光の再指向をテストした。結果は反射顕微鏡および空間分解能LBICにより検証された。
• 本手法は、既存の商業用太陽電池の製造プロセスおよび封止材と相互運用可能であるように設計された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全内部反射を用いて、金属接触から光を再指向し、吸収層へ誘導することで、反射損失を完全に排除できるか？
• RQ2 広い角度範囲でTIRを達成するために必要な幾何学的および光学的パrameter（屈折率対比、三角形のアスペクト比、入射角）は何か？
• RQ3 低コストで入手可能な材料および標準的な特性評価手法を用いて、この手法を実験的に検証可能か？
• RQ4 従来の封止材と比較して、この手法が年間エネルギー生産にどの程度の向上効果をもたらすか？
• RQ5 この設計は、ガス拡散または剥離のリスクを伴う長期的なモジュール信頼性にどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• シミュレーションにより、屈折率対比および幾何学的寸法が適切に調整されていれば、任意の入射角において反射損失を完全に排除できることが示された。
• 理論的解析により、三角形／封止材界面における入射角が臨界角を超える場合にTIRが発生することが確認され、臨界角は屈折率対比および三角形の幾何学的形状に依存することが判明した。
• 空間分解能を有するレーザービーム誘起電流（LBIC）測定により、三角形状の空洞が存在する場合、バスバー領域における光電流が顕著に向上していることが明確に示された。金属接触部分が反射光によって三角形を貫通しているように見えることも観察された。
• 反射顕微鏡およびLBIC画像から、三角形状の空洞が効果的に光をシリコンへ再指向しており、金属接触による損失が低減されていることが確認された。
• 本手法は入射角に依存せず、商業用太陽電池と相互運用可能であり、金属化面積に比例して年間エネルギー収量が顕著に向上することが可能である。
• 3DプリントされたPDMS型を用いた実験的検証により、高度なリソグラフィーを必要とせず、最小限の製造複雑性で概念の妥当性が立証された。