[论文解读] Mirrored strain-balanced quantum well concentrator cells in the radiative limit
本文提出了一种镜面应变平衡量子阱聚光太阳能电池，以在高倍聚光条件下最小化辐射复合损失。通过在背表面引入反射镜，辐射复合产生的光子被反射回吸收层，从而降低发光强度并降低辐射暗电流——在高电流水平下实现聚光光伏的辐射效率极限，性能得到提升。
Strain-balanced Quantum Well Solar Cells (SB- QWSCs) are radiatively dominated at concentrator current levels. Incorporating back surface mirrors on the back of the doped substrate leads to a reduction in this radiative recombination current while the non-radiative dark current at lower bias remains unchanged. This work extends a previous model of radiative dark currents to cells where the substrate is not a perfectly absorbing sink for emitted luminescence by including multiple passes of photons emitted by radiative recombination. The luminescence in such mirrored structures is reduced and the radiative dark current lower. The structure is suited to concentrator applications because it corresponds to the high efficiency limit where losses due to light re-emission are limited to the solid angle for absorption of solar radiation.
研究动机与目标
- 在高倍聚光条件下，减少应变平衡量子阱聚光太阳能电池中的辐射复合损失。
- 解决传统SB-QWSCs中非理想光子收集的问题，即发射的光子逃逸而非被循环利用。
- 建立模型并证明背表面反射镜如何抑制辐射暗电流，同时保持非辐射电流特性。
- 在聚光条件下实现III-V多量子阱太阳能电池的理论辐射效率极限。
- 通过分析镜面结构中光子多次通过的动力学行为，验证模型。
提出的方法
- 在应变平衡量子阱太阳能电池的掺杂衬底上引入背表面反射镜，将发射的光子反射回吸收层。
- 将先前的辐射暗电流模型扩展，以包含因反射镜引起的多次光子通过，考虑重复吸收与再发射过程。
- 在聚光条件下建模系统，重点关注太阳吸收的立体角作为辐射损失的限制因素。
- 评估因镜面引起的光子循环导致的发光强度和辐射暗电流的降低。
- 采用理论框架量化高注入水平下辐射电流的抑制程度。
- 评估反射镜反射率和量子阱结构对辐射效率的影响。
实验结果
研究问题
- RQ1背表面反射镜如何影响应变平衡量子阱聚光电池中的辐射复合电流？
- RQ2通过反射镜实现的光子循环在多倍聚光太阳能电池中能在多大程度上减少发光强度和辐射暗电流？
- RQ3在聚光运行条件下，镜面SB-QWSCs的理论辐射效率极限是多少？
- RQ4多次通过的光子行为如何影响镜面量子阱结构中的辐射电流？
- RQ5镜面SB-QWSCs能否实现聚光光伏的辐射效率极限？
主要发现
- 在吸收层内通过背表面反射镜将发射的光子限制在内部，有效抑制了发光，从而降低了辐射复合电流。
- 与非镜面结构相比，辐射暗电流显著降低，在高倍聚光下接近辐射极限。
- 在低偏置下非辐射暗电流保持不变，证实反射镜主要影响辐射路径。
- 模型预测镜面SB-QWSCs可在仅受太阳吸收立体角限制的条件下，实现理论辐射效率极限。
- 由于反射镜引起的多次光子通过，实现了有效的光子循环，从而降低了净辐射损失。
- 该系统表明，背表面反射镜在高电流聚光太阳能电池中能有效最小化辐射复合。
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