[论文解读] Modelling and Optimising GaAs/Al(x)Ga(1-x)As Multiple Quantum Well Solar Cells

J.P. Connolly|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2010

solar cell performance optimization参考文献 11被引用 3

一句话总结

本文通过分析铝组分增加时开路电压（Voc）与量子效率（QE）之间的权衡，对GaAs/AlₓGa₁₋ₓAs多量子阱太阳能电池进行了建模与优化。提出了两项关键设计改进——采用组分渐变势垒以产生内建电场以增强载流子收集，以及采用背表面反射镜以实现未吸收光子的循环利用。建模结果表明，这些改进显著提升了QE，同时保持了高Voc，从而实现功率转换效率更高的优化器件结构。

ABSTRACT

The quantum well solar cell (QWSC) is a p - i - n solar cell with quantum wells in the intrinsic region. Previous work has shown that QWSCs have a greater open circuit voltage (Voc) than would be provided by a cell with the quantum well effective bandgap. This suggests that the fundamental efficiency limits of QWSCs are greater than those of single bandgap solar cells. The following work investigates QWSCs in the GaAs/AlxGa1-xAs materials system. The design and optimisation of a QWSC in this system requires studies of the voltage and current dependencies on the aluminium fraction. QWSCs with different aluminium fractions have been studied and show an increasing Voc with increasing barrier aluminium composition. The QE however decreases with increasing aluminium composition. We develop a model of the QE to test novel QWSC designs with a view to minimising this problem. This work concentrates on two design changes. The first deals with com- positionally graded structures in which the bandgap varies with position. This bandgap variation introduces an quasi electric field which can be used to increase minority carrier collection in the low efficiency p and n layers. This technique also increases the light flux reaching the highly efficient depletion regions. The second design change consists of coating the back of the cell with a mirror to exploit the portion of light which is not absorbed on the first pass. A model of the QE of compositionally graded QWSC solar cells with back surface mirrors is developed in order to analyse the effect of these design changes. These changes are implemented separately in a number of QWSC designs and the resulting experimental data compared with the model. An optimised design is then presented.

研究动机与目标

• 研究随着铝组分增加，GaAs/AlₓGa₁₋ₓAs多量子阱太阳能电池中开路电压（Voc）增加与量子效率（QE）降低之间的权衡关系。
• 通过建立新型QWSC设计的QE定量模型，解决高铝组分下QE降低的问题。
• 评估组分渐变势垒所产生的内建准电场对改善少子载流子收集的影响。
• 分析背表面反射镜在回收未吸收光子、增强光捕获与整体QE方面的效果。
• 整合两种设计改进，并通过实验数据验证模型，识别出优化的QWSC结构。

提出的方法

• 建立了组分渐变GaAs/AlₓGa₁₋ₓAs QWSC的量子效率（QE）理论模型，综合考虑了空间变化的带隙和电场效应。
• 采用连续性方程的解析解来处理不同扩散长度和复合速度下的少子载流子行为，其中涉及吸收系数α和电场强度E_f。
• 引入依赖电场的QE模型，其中有效扩散长度受带隙梯度和迁移率影响，形成与带隙梯度相反的电场样项。
• 通过考虑多次光学往返和本征区反射增强吸收，建模背表面反射镜效应。
• 利用不同Al组分、渐变层和镜面背接触的QWSC实验数据对模型进行验证。
• 通过数值与解析比较，评估QE对表面复合速度和扩散长度的敏感性，尤其在带边附近的低吸收区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在GaAs/AlₓGa₁₋ₓAs多量子阱太阳能电池中，AlₓGa₁₋ₓAs势垒中铝组分的增加如何影响开路电压（Voc）和量子效率（QE）？
• RQ2 组分渐变势垒结构在多大程度上可减少表面复合损失并改善QWSC掺杂层中的少子载流子收集？
• RQ3 背表面反射镜对带边附近低吸收区域的QWSC中有效光吸收和整体量子效率有何影响？
• RQ4 与传统设计相比，梯度异质结构与镜面光学回收的协同效应如何影响QWSC的整体功率转换效率？
• RQ5 简化的解析模型能否准确预测渐变QWSC中的QE，还是必须考虑输运参数和吸收率的空间变化才能实现精确建模？

主要发现

• AlₓGa₁₋ₓAs势垒中铝组分的增加导致开路电压（Voc）单调上升，证实了QWSC相比单带隙电池具有更高的效率潜力。
• 随着铝组分增加，量子效率（QE）下降，主要由于宽带隙势垒中吸收减少，尤其在带边附近的长波长区域更为显著。
• 组分渐变结构产生内建准电场，可增强p型和n型层中少子载流子的提取，减少复合损失，提高载流子收集效率。
• 背表面反射镜通过延长光在本征区的有效路径长度，显著提升低吸收区域的QE，改善整体光子利用率。
• 建模结果表明，与未梯变的器件相比，具有镜面的渐变QWSC中QE对表面复合速度的敏感性更低，这是由于电场诱导的复合效应降低所致。
• 优化设计——结合渐变势垒与背表面反射镜——在全光谱范围内，特别是在长波长区域，显著提升了QE，同时保持了高Voc，表明其为实现更高功率转换效率提供了可行路径。