Advanced III-V Solar Cells with Back Reflectors

Abstract

III-V-puolijohdeaurinkokennot ovat osoittaneet ylivertaisuutensa aurinkokennoteknologioiden keskuudessa, sillä tämänhetkinen hyötysuhteen maailmanennätys on saavutettu III-V-moniliitosaurinkokennoilla. Hyötysuhteen kasvattaminen vaatii uudenlaisia lähestymistapoja, kuten valon optisen hallinnan hyödyntämistä. Korkeamman hyötysuhteen lisäksi, etenkin avaruussovelluksiin, tavoitteena on uudet ominaisuudet, kuten taipuisuus, korkea tehopainosuhde ja puolijohteen kasvatusalustan uudelleen käyttäminen, jotta valmistuskustannuksia saadaan alennettua. Tämä väitöskirjatyö keskittyy kehittämään ohuiden III-V-puolijohdeaurinkokennojen valonohjausrakenteita, joiden avulla pystytään kasvattamaan absorptiopituutta aurinkokennon sisällä. Tutkimusmenetelmä käsittää takapeilien ja aurinkokennojen valmistamisen ja karakterisoinnin käyttäen olemassa olevia ja työn aikana kehitettyjä menettelytapoja. Tässä työssä tutkitut edistykselliset aurinkokennorakenteet mahdollistavat valon spektrin tehokkaamman hyödyntämisen käyttämällä laimeita typpiyhdisteitä tai kvanttipisteitä, jotka molemmat hyötyvät takapeilien aikaansaamasta absorptiopituuden kasvusta.

Tämän työn päätulokset sisältävät kehitetyn tasomainen korkean heijastuksen omaavan Ag/Cu-takapeilin, joka soveltuu myös virrankeräimeksi. Tämän jatkona kehitettiin polymeeriin valmistettu pyramidirakenteinen takapeili, joka hyödyntää valon diffraktiota ollen lisäksi vastustuskykyinen elektronisäteilytykselle. Jotta pystytiin havainnollistamaan tasomaisen takapeilin toiminta, peili valmistettiin laimeisiin typpiyhdisteaurinkokennoihin, joiden energia-aukot olivat 1 eV ja 0.8 eV. Oikosulkuvirrantiheydet, jotka saavutettiin aurinkokennoille vastaavat virtasovitetun moniliitosaurinkokennon vaatimaa virrantuottoa, joka koostuu kolmesta tai useammasta liitoksesta. Näiden lisäksi, tasomaisen takapeili valmistettiin InAs/GaAs-kvanttipisteaurinkokennoon, josta paksu kasvualusta oli poistettu. Virrantuotto oli kaksi kertaa suurempi kuin ilman takapeiliä, kuten oli oletettu ja aurinkokenno saavutti 0.844 V avoimen piirin jännitteen, joka on yksi korkeimmista raportoiduista arvoista. Lopuksi johdettiin laskentamalli, jota käytettiin arvioitaessa pyramidirakenteiden vaikutusta kvanttipisteaurinkokennon suorituskykyyn. Tulosten perusteella havaittiin merkittävä 12-kertainen kasvu kvanttipisteiden virrantuotossa.

III-V semiconductor solar cells have proven their exceptional performance in terms of conversion efficiency, setting the record to date by exploiting multijunction solar cell architectures. Further advances require deployment of even newer designs, combining emerging materials with optical management of the solar radiation. In addition to the demand to increase the efficiency, beneficial functionalities, for example in space applications, are required such as flexibility, high power-to-weight ratio, or ability to reuse the III-V substrate for decreasing the manufacturing costs. To this end, this thesis concentrates on the development of thin-film III-V solar cell architectures, utilizing back reflectors for increasing the effective absorption length. The methods employed in this study include fabrication and characterization of the back reflectors and the solar cells using standard and in-house developed procedures. In terms of advanced III-V materials enabling more efficient spectral harvesting, this thesis is focused on dilute nitride materials, i.e., GaInNAs and InAs/GaAs quantum dot solar cells. Both approaches aim to increase the absorption beyond the 1 eV spectral range and benefit from the deployment of the back reflectors.

The key enabling result is the development of a planar Ag/Cu back reflector with high reflectance and suitability to be used as a back contact. As an extension of this, a reflector with a polymeric pyramid grating was demonstrated, providing enhanced diffraction of light and resilience to electron irradiation. In terms of demonstrating advanced solar cell architectures, dilute nitride solar cells with back reflector, having bandgap energies of 1 eV and 0.8 eV were fabricated. As a key result, short-circuit current densities enabling current matching in solar cells with three or more junctions were demonstrated. Furthermore, for thin-film InAs/GaAs quantum dot solar cells, the use of a planar back reflector led to two times higher current generation when compared to a standard wafer-based configuration. Although this is an expected result in terms of current generation, the key observation is that the solar cell exhibited an open circuit voltage of 0.884 V, which is one of the highest values reported for quantum dot solar cells grown by molecular beam epitaxy. Finally, a parametrization model enabling simulation of the effect of the reflectors with the pyramid grating was validated on the InAs/GaAs quantum dot solar cell, revealing 12 times higher photocurrent generation in the quantum dot layers.