[论文解读] Modelling Multi Quantum Well Solar Cell Efficiency

J.P. Connolly, Jenny Nelson+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2010

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文通过将Shockley-Read-Hall（SRH）复合理论扩展至AlGaAs和InGaAsP体系，对多量子阱（MQW）太阳能电池效率进行建模，以解释暗电流。研究发现，量子阱中准费米能级分离的降低（InGaAsP中约130 meV，AlGaAs中约400 meV）可解释观测到的开路电压高于预期的现象，并证实MQW太阳能电池的效率潜力可超越传统理论极限。

ABSTRACT

The spectral response of quantum well solar cells (QWSCs) is well understood. We describe work on QWSC dark current theory which combined with SR theory yields a system efficiency. A methodology published for single quantum well (SQW) systems is extended to MQW systems in the Al(x) Ga(1-x) As and InGa(0.53x) As(x) P systems. The materials considered are dominated by Shockley-Read-Hall (SRH) recombination. The SRH formalism expresses the dark current in terms of carrier recombination through mid-gap traps. The SRH recombination rate depends on the electron and hole densities of states (DOS) in the barriers and wells, which are well known, and of carrier non-radiative lifetimes. These material quality dependent lifetimes are extracted from analysis of suitable bulk control samples. Consistency over a range of AlGaAs controls and QWSCs is examined, and the model is applied to QWSCs in InGaAsP on InP substrates. We find that the dark currents of MQW systems require a reduction of the quasi Fermi level separation between carrier populations in the wells relative to barrier material, in line with previous studies. Consequences for QWSCs are considered suggesting a high efficiency potential.

研究动机与目标

• 理解多量子阱（MQW）结构中太阳能电池效率增强的根源，该现象超出传统预测范围。
• 对以AlGaAs和InGaAsP材料体系中主导的Shockley-Read-Hall（SRH）复合机制的MQW太阳能电池暗电流进行建模。
• 从体控样中提取载流子非辐射复合寿命，并一致地应用于MQW器件。
• 检验恒定准费米能级分离（ΔEf）假设是否低估了效率，特别是在本征区域。
• 证明量子阱中ΔEf的降低可解释高于预期的开路电压和效率。

提出的方法

• 通过少数载流子输运和连续性方程对光谱响应（SR）进行建模，拟合参数包括表面复合速度和扩散长度。
• 基于有效质量和包络函数近似，通过薛定谔方程计算量子阱态密度（DOS），并包含激子效应。
• 将暗电流建模为理想电流与SRH电流之和，其中SRH复合速率由阱和势垒中中间能级陷阱的载流子复合推导得出。
• 从控制样品（与阱或势垒成分相同的体同质结）中提取阱和势垒中的载流子寿命。
• 模型假设电子和空穴的非辐射寿命相等，并采用在工作电压范围内有效的耗尽近似。
• 将理论暗电流与实验数据对比，通过调整ΔEf实现最佳拟合，揭示了阱中系统性降低。

实验结果

研究问题

• RQ1 恒定准费米能级分离（ΔEf）假设是否能准确预测MQW太阳能电池的暗电流？
• RQ2 量子阱中ΔEf的降低在多大程度上可解释高于预期的开路电压和效率？
• RQ3 从体控样中提取的载流子寿命是否可可靠地应用于MQW暗电流建模？
• RQ4 在带阶和材料参数（如AlGaAs与InGaAsP）上的差异如何影响MQW太阳能电池的暗电流和效率？
• RQ5 MQW暗电流模型在不同材料体系和器件设计中是否具有鲁棒性？

主要发现

• 模型与实验光谱响应吻合良好，证实了对量子阱态密度和近似单位载流子逃逸效率的准确描述。
• 当假设ΔEf恒定时，MQW太阳能电池的暗电流被系统性低估，表明阱中准费米能级分离应降低。
• 在AlGaAs体系中，阱中有效ΔEf降低约400 meV，与阱深和局域化效应之和一致。
• 在InGaAsP体系中，尽管内建电压较低且带阶不同，仍需约130 meV的ΔEf降低才能匹配实验暗电流。
• 在两种截然不同的材料体系——AlGaAs和InGaAsP中均观察到ΔEf的系统性降低，证实了MQW太阳能电池效率增强的普遍机制。
• 结果支持MQW太阳能电池具有超越恒定ΔEf模型预测的高效率潜力。