[论文解读] Efficiency limits of quantum well solar cells

J.P. Connolly, Ian Ballard+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2010

solar cell performance optimization参考文献 8被引用 12

一句话总结

本文研究了量子阱太阳能电池（QWSCs）的基本效率极限，表明在高电流工作条件下，其效率受限于辐射复合效率极限，这是由于主导的辐射暗电流所致。通过结合耗尽区和电荷中性区中辐射复合与非辐射复合的详细电流模型，本研究证明，与遵循理想Shockley模型的常规同质结电池不同，QWSCs在聚光条件下可接近辐射极限。

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.

研究动机与目标

• 分析高电流工作条件下量子阱太阳能电池（QWSCs）的暗电流机制。
• 确定QWSCs在聚光条件下是否如实验数据所示趋近于辐射效率极限。
• 从辐射复合与非辐射复合贡献的角度，比较QWSCs与传统同质结太阳能电池的性能。
• 开发一个综合电流模型，整合电场作用区域、电荷中性层与量子阱，以实现光谱响应与暗电流的精确预测。

提出的方法

• 建立光响应与暗电流模型，用于计算电场作用区域、电荷中性层与量子阱的光谱响应（量子效率）。
• 通过解析方法计算量子阱中的态密度与吸收系数，以模拟载流子生成。
• 解析求解输运方程，以确定载流子通过异质结构层的流动。
• 将总暗电流分解为耗尽区（Shockley-Read-Hall与辐射复合）与电荷中性区（理想辐射复合与非辐射复合）两部分。
• 通过将计算得到的量子效率与实验数据拟合，提取模型参数值。
• 通过修改理想Shockley电流表达式，将电荷中性区的表面复合效应纳入模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高电流、聚光照射条件下，量子阱太阳能电池在多大程度上趋近于辐射效率极限？
• RQ2 耗尽区与电荷中性区中的辐射复合与非辐射复合机制如何影响QWSCs的总暗电流？
• RQ3 从基本效率极限的角度来看，QWSCs与传统同质结电池的性能相比如何？
• RQ4 实验数据中观察到的辐射暗电流占主导地位的现象，能否通过所提出的模型得到定量解释？

主要发现

• 在高电流条件下，QWSCs运行于辐射极限，其中辐射暗电流占主导，从而设定了根本性的效率上限。
• 总暗电流可良好地描述为耗尽区（非辐射与辐射复合）与电荷中性区（辐射与非辐射复合）贡献之和。
• 通过将模型参数拟合至实测数据，实现了模型与实验量子效率的良好一致性。
• 电荷中性区电流受表面复合影响而发生改变，导致非辐射复合超过理想Shockley模型的预测。
• 该模型证实，与遵循理想Shockley图景的同质结电池不同，QWSCs在聚光条件下本质上受限于辐射效率极限。
• 分析表明，在理想条件下，QWSCs可实现接近理想的辐射效率，验证了其在高性能叠层太阳能电池中的潜力。