Advanced Functional Antireflection Coatings for Broadband Multijunction Solar Cells

Abstract

Tähänastisesti korkein aurinkokennolla saavutettu hyötysuhde on tuotettu III‒V puolijohteisiin perustuvilla korkean hyötysuhteen moniliitoskennoilla. Nämä uusiin materiaaleihin pohjautuvat aurinkokennot mahdollistavat yli neljän kennoliitoksen rakenteet, joilla todennäköisesti ylitetään 50 %:n hyötysuhde vuosikymmenen loppuun mennessä. Tällöin koko aurinkokennon pitää olla loppuun asti optimoitu ja valmistettu, jotta vältytään ylimääräisiltä optisilta ja sähköisiltä häviöiltä. Tavoitteen saavuttaminen vaatii soveltuvia laajakaistaisia heijastuksenestopinnoiteita erilaisille moniliitosrakenteille estämään hyödyllisen auringonvalon heijastuminen kennon pinnalta. Tässä työssä on keskitytty kehittämään heijastuksenestopinnoitteita korkean hyötysuhteen moniliitoskennoille.

Mitä leveämpi kaista auringonvaloa hyödynnetään, sitä vaikeammaksi tasomaisten pinnoitteiden optimointi käy. Halutun pinnoitteen täytyisi laajakaistaisuuden lisäksi olla yksinkertainen valmistaa toistettavasti erilaisille uusille aurinkokennoratkaisuille. Potentiaalisena ratkaisuna vaatimuksille on käyttää tasomaisten kerrosten lisäksi nanokuvioitua pintaa, jota hyödyntämällä voidaan suhteellisen yksinkertaisesti minimoida heijastus laajalta auringonvalon kaistalta.

Työssä tutkittiin pinnoitteiden kerrosmateriaaleina matalan taitekertoimen magnesiumfluoridia ja korkean taitekertoimen tantaalipentoksidia. Näiden lisäksi tutkittiin uuden nanopinnoitusmenetelmän soveltamista monikerroksisiin heijastuksenestopinnoitteisiin. Menetelmässä alumiinioksidikerroksesta muokataan satunnainen nanokuvioitu pinta de-ionisoidussa vesihauteessa. Pinnoitetta käytettiin hilasovitetuille III‒V moniliitoskennoille, sen toimivuutta tarkasteltiin normaaleissa käyttöolosuhteissa, ja nanokuvion säilyvyyttä tutkittiin syklisen jäädyttämisen alaisena. Nanorakenteen kestävyyden parantamiseksi testattiin myös hydrofobisuuskäsittelyä päällystämällä pinnoite ohuella fluoropolymeeri-kerroksella.

High efficiency III‒V semiconductor multijunction solar cells hold the record of the highest achieved conversion efficiency. Solar cells based on new materials enabling more than 4-junction architectures will most likely push the highest efficiency above 50% within the next decade. To be able to achieve this goal, every aspect of the solar cell structure needs to be designed and fabricated spot on, minimizing any possible optical and electrical losses. To this end, broadband antireflection coatings are instrumental for suppressing the amount of reflected light from the surface of the solar cell. This work contributes to the development of broadband antireflection coatings for primary use in connection with high efficiency multijunction solar cells. As the bandwidth of the utilized solar irradiation is getting increasingly wider, the antireflection coatings based on standard planar structures become harder to optimize, requiring fabrication of more complex films. On the other hand, there is a need to deploy simple and cost effective fabrication techniques to enable economical deployment of new photovoltaic technologies.

This work focuses on developing multilayer antireflection coatings that utilize a nanostructured top layer to surpass the limitations of the conventional planar structures. As a first strand of work, material properties and their relation to the fabrication processes are investigated for low refractive index MgF<SUB>2</SUB> films deposited by electron beam evaporation and the high refractive index Ta<SUB>2</SUB>O<SUB>5</SUB> films deposited by ion beam sputtering. The second major part is related to the investigation of a novel technique to fabricate nanostructures with antireflective properties employing a simple de-ionized water treatment. The process is applied to form randomly distributed nanostructures on thin planar amorphous Al<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB> layer. A key result introduced in this work is the novel integration of the alumina nanostructuring with an underlying multilayer antireflection coating, specifically aimed to be used in lattice-matched III‒V semiconductor multijunction solar cells. The performance of the nanostructured coating was assessed in practical III-V multijunction solar cells, revealing its suitability for practical applaiction. Finally, the stability and durability of the nanostructrure has been improved using a hydrophobicity treatment based on fluoropolymerization, and evaluated under atmospheric icing conditions.