[论文解读] Designing III-V Multijunction Solar Cells on Silicon

J.P. Connolly, D. Mencaraglia+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2013

solar cell performance optimization参考文献 4被引用 1

一句话总结

本文提出了一种基于硅衬底的新型低缺陷密度外延生长方法，实现了高效III-V/Si多结太阳能电池，通过统一模型仅使用一个Shockley-Read-Hall复合寿命参数，同时拟合外量子效率（EQE）和电流-电压（J-V）特性。该模型预测在无聚光的地面AM1.5G光谱下，双结电池效率可达32%，三结电池效率可达36.5%，展示了仅使用标准太阳光照即可实现接近世界纪录的性能。

ABSTRACT

Single junction Si solar cells dominate photovoltaics but are close to their efficiency limits. This paper presents ideal limiting efficiencies for tandem and triple junction multijunction solar cells subject only to the constraint of the Si bandgap and therefore recommending optimum cell structures departing from the single junction ideal. The use of III-V materials is considered, using a novel growth method capable of yielding low defect density III-V layers on Si. In order to evaluate the real potential of these proposed multijunction designs, a quantitative model is presented, the strength of which is the joint modelling of external quantum efficiency and current-voltage characteristics using the same parameters. The method yields a single parameter fit in terms of the Shockley-Read-Hall lifetime. This model is validated by fitting experimental data of external quantum efficiency, dark current, and conversion efficiency of world record tandem and triple junction cells under terrestrial solar spectra without concentration. We apply this quantitative model to the design of tandem and triple junction solar cells, yielding cell designs capable of reaching efficiencies without concentration of 32% for the best tandem cell and 36% for the best triple junction cell. This demonstrates that efficiencies within a few percent of world records are realistically achievable without the use of concentrating optics, with growth methods being developed for multijunction cells combining III-V and Si materials.

研究动机与目标

• 设计适用于地面应用的高效III-V/Si多结太阳能电池，利用硅衬底以降低材料成本。
• 克服在硅衬底上III-V外延生长过程中晶格失配与缺陷形成的技术挑战。
• 开发一种定量模型，仅使用最少的自由参数，一致拟合外量子效率与暗电流特性。
• 证明在无聚光条件下，可实现接近世界纪录的高效率。
• 通过与世界纪录级GaAs/Si双结和GaAsP/Si/GaInAs三结电池的先进实验数据对比，验证该模型的可靠性。

提出的方法

• 开发了一种统一的解析模型，使用相同的物理参数，联合拟合外量子效率（EQE）与电流-电压（J-V）特性。
• 模型仅使用Shockley-Read-Hall（SRH）非辐射复合寿命作为唯一自由参数，以拟合暗电流与EQE数据。
• 载流子输运参数（如少子扩散长度与寿命）采用文献值，以确保与实验数据的一致性。
• 抗反射涂层采用理想化的MgF2/ZnS双层结构建模，假设无光学损耗。
• 通过定量再现世界纪录级GaAs/Si双结与GaAsP/Si/GaInAs三结电池在AM1.5G无聚光条件下的实验EQE、暗电流与转换效率数据，验证了模型的准确性。
• 对带隙与抗反射涂层进行优化，以实现电流匹配并最大化在AM1.5G光谱下的效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无聚光的地面条件下，基于硅衬底的III-V多结太阳能电池能否实现接近辐射极限效率？
• RQ2 是否可使用单参数模型准确描述III-V/Si多结太阳能电池中的EQE与暗电流特性？
• RQ3 在GaAs/Si双结与GaAsP/Si/GaInAs三结电池中，为实现最高效率，最优的带隙组合与层结构为何？
• RQ4 在硅衬底上III-V外延生长的质量，特别是采用3D外延侧向外延生长技术时，对可实现效率有何影响？
• RQ5 在无光学聚光条件下，高效率可达到何种程度？这对系统简化与隧道结设计有何影响？

主要发现

• 所提出的模型仅使用Shockley-Read-Hall非辐射复合寿命作为单一参数，即可实现对EQE与暗电流的高一致性拟合，与实验数据高度吻合。
• 该模型成功再现了世界纪录级GaAs/Si双结与GaAsP/Si/GaInAs三结电池在AM1.5G无聚光条件下的性能表现。
• GaAs/Si双结电池设计预测效率达29%，接近GaAs在GaAs衬底上实现的30%世界纪录。
• 三元组GaAsP0.23/Si/GaIn0.74As三结电池预测效率达36.5%，达到三结电池辐射极限的80%。
• 结果表明，在标准地面光照条件下，无需聚光即可实现与当前高倍聚光纪录相当的效率，仅相差几个百分点。
• 本工作证实，MULTISOLSI生长方法可在硅衬底上实现无缺陷的III-V外延生长，从而实现高性能多结电池，且材料成本极低。