Фотовольтаика промежуточного диапазона - Википедия - Intermediate band photovoltaics

Промежуточная фотогальваника в солнечная батарея исследования предоставляют методы для превышения Предел Шокли – Кайссера от КПД клетки. Он вводит уровень энергии промежуточной зоны (IB) между валентной зоной и зоной проводимости. Теоретически введение IB позволяет двум фотоны с энергией меньше, чем запрещенная зона возбудить электрон из валентная полоса к зона проводимости. Это увеличивает наведенный фототок и, следовательно, эффективность.[1]

Ограничение эффективности

Одна группа

Luque и Марти впервые вывел теоретический предел для устройства IB с одним средним энергетическим уровнем, используя подробный баланс.[1] Они предположили, что в IB не собирались носители и что устройство находилось в полной концентрации.[1] Они обнаружили, что максимальная эффективность составляет 63,2% для ширины запрещенной зоны 1,95 эВ с IB 0,71 эВ либо из валентной зоны, либо из зоны проводимости.[1]При одном солнечном освещении предельный КПД составляет 47%.[2]

Бесконечные полосы

Грин и Браун расширили эти результаты, выведя теоретический предел эффективности для устройства с бесконечными IB.[3] За счет введения большего количества IB можно использовать даже больше падающего спектра. После выполнения детальной балансировки они обнаружили, что максимальная эффективность составляет 77,2%.[3]Этот КПД меньше, чем у многопереходной ячейки с бесконечными контактами. Это связано с тем, что в многопереходных ячейках электроны захватываются сразу после возбуждения до более высокого энергетического состояния, в то время как в устройстве IB электроны все еще нуждаются в другом. энергетический переход чтобы достичь зоны проводимости и собрать.[3]

Текущая технология

У IB есть теоретический потенциал стать высокоэффективными устройствами, но их сложно сделать. Введение IB значительно увеличивает механизмы безызлучательной рекомбинации.[4] Кроме того, IB необходимо частично заполнить, чтобы разрешить перевозку в IB и обратно. Для этого часто требуются доноры-носители.[2] Ниже описаны три современных метода изготовления устройств IB.

Квантовые точки

Первый метод состоит в том, чтобы ввести небольшие однородные структуры с квантовыми точками в устройство с одним переходом.[2] Это создает IB, который можно настраивать, изменяя форму и размер квантовых точек.[5] Чтобы экспериментальное устройство показало высокий потенциал эффективности, оно должно продемонстрировать, что оно может генерировать ток за счет поглощения фотонов субзонной зоны, сохраняя при этом выходное напряжение устройства.[5] Используя квантовые точки, некоторые экспериментальные устройства, такие как InAs / GaAs, смогли это сделать.[5] Устройства InAs / GaAs смогли обеспечить КПД до 18,3%, хотя это все еще ниже, чем у сопоставимых устройств с одним переходом.[6] К сожалению, у QD-структур есть несколько проблем:[2]

  1. Внесенный ИБ часто бывает пустым, поэтому донорские носители должны его частично заполнить.
  2. Устройства обычно эффективны только при низких температурах, поскольку они склонны к тепловому улету.
  3. Использование квантовых точек увеличивает безызлучательную рекомбинацию, что снижает характеристики подзонной зоны.
  4. Увеличение количества слоев QD может улучшить характеристики подзоны, но также увеличивает деформацию решетки на устройстве.

Следовательно, необходимы дополнительные исследования для создания действительно высокоэффективных устройств. В частности, необходимо разработать структуры квантовых точек с высокой плотностью и длительным временем жизни носителей, а также найти новые материалы, чтобы исключить необходимость использования донорных носителей для заполнения IB.[2]

Несоответствующие сплавы

Другой метод изготовления устройства IB - использование сильно несовместимых сплавов. Использование этих несовпадающих сплавов приводит к возникновению IB из-за механизма предотвращения пересечения полос (BAC).[7] По сути, это расщепление валентной зоны или зоны проводимости, в зависимости от типа сплава, на две зоны.[7] Эти материалы обычно изготавливаются из сплавов III-V, однако они также производятся из сплавов II-VI.[7]Двумя наиболее изученными сплавами являются ZnTe, легированный O, и GaAs, легированный N.[8] Оба этих устройства экспериментально показали поглощение фотонов субзонной зоны, однако ни одно из них не смогло продемонстрировать сохранение напряжения.[8] Несмотря на это, устройства из ZnTeO продемонстрировали более высокий фототок и эффективность, чем сопоставимые устройства из ZnTe с одной запрещенной зоной.[6] К сожалению, обе структуры демонстрируют КПД менее 1%.[6] В дальнейшем необходимы дополнительные исследования, чтобы найти материалы с натуральными частично заполненными IB полосами.[5]

Сыпучие материалы с глубокими примесями

Наконец, последний подход заключается во введении примесей глубокого уровня (DLI) в объемный полупроводниковый материал.[5] Этот метод похож на сильно несовпадающие сплавы, однако процент легирования намного меньше. Самая большая проблема с этими устройствами заключается в том, что безызлучательная рекомбинация, преимущественно Шокли-Рид-Холла, значительно увеличивается.[9]Значительные исследования в этой области были направлены на достижение «восстановления срока службы» или возможности увеличить срок службы носителей за счет введения большего количества DLI.[10] В частности, считалось, что восстановление срока службы может быть достигнуто путем увеличения концентраций DLI для перехода изолятор в металл.[10] Крич, однако, опроверг это и в процессе предложил «показатель качества», чтобы определить, подходят ли материалы для высокоэффективных IB.[10] Идея заключалась в том, что если время жизни безызлучательной рекомбинации было значительно больше, чем время пролета электрона из зоны проводимости в IB, то материал мог бы повысить эффективность.[10] По сути, электрон может достичь IB до рекомбинации, что приведет к более высокому индуцированному фототоку. Этот показатель качества был использован для объяснения того, почему ни одно пригодное для использования устройство не было изготовлено с использованием высоколегированного кремния. Кремний, легированный халькогеном, в частности, имеет низкие показатели качества из-за их малых времен жизни безызлучательной рекомбинации.[11] Чтобы создать устройства IB, необходимо провести дополнительные исследования, чтобы найти объемный полупроводниковый материал, который демонстрирует более высокие времена жизни безызлучательной рекомбинации.

Рекомендации

  1. ^ а б c d Луке, Антонио; Марти, Антонио (1997-06-30). «Повышение эффективности идеальных солнечных элементов за счет индуцированных фотонами переходов на промежуточных уровнях». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 78 (26): 5014–5017. Bibcode:1997ПхРвЛ..78.5014Л. Дои:10.1103 / Physrevlett.78.5014. ISSN  0031-9007.
  2. ^ а б c d е Окада, Ёситака, Тома Согабе и Ясуси Сёдзи. "Глава 13:" Солнечные элементы с промежуточной полосой "" Продвинутые концепции фотовольтаики. Эд. Артур Дж. Нозик, Гэвин Конибер и Мэтью С. Бирд. Vol. № 11. Кембридж, Великобритания: Королевское химическое общество, 2014. 425-54. Распечатать. РКК Энергия и окружающая среда Сер.
  3. ^ а б c Браун, Эндрю С .; Грин, Мартин А. (2002). «Примесный фотоэлектрический эффект: фундаментальные пределы эффективности преобразования энергии». Журнал прикладной физики. Издательство AIP. 92 (3): 1329–1336. Bibcode:2002JAP .... 92.1329B. Дои:10.1063/1.1492016. ISSN  0021-8979.
  4. ^ Салливан, Джозеф Т .; Симмонс, Кристи Б .; Буонассиси, Тонио; Крич, Джейкоб Дж. (2015). «Целенаправленный поиск эффективных материалов для промежуточных солнечных элементов». Журнал IEEE по фотогальванике. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 5 (1): 212–218. Дои:10.1109 / jphotov.2014.2363560. ISSN  2156-3381. S2CID  44638605.
  5. ^ а б c d е Рамиро, Иниго; Марти, Антонио; Антолин, Элиза; Луке, Антонио (2014). «Обзор экспериментальных результатов, относящихся к эксплуатации промежуточных солнечных элементов». Журнал IEEE по фотогальванике. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 4 (2): 736–748. Дои:10.1109 / jphotov.2014.2299402. ISSN  2156-3381. S2CID  19330387.
  6. ^ а б c Луке, А., и Стивен Хегедус. Справочник по фотоэлектрической науке и технике. Чичестер, Западный Суссекс, Великобритания: Wiley, 2011. Печать.
  7. ^ а б c López, N .; Reichertz, L.A .; Ю., К. М .; Campman, K .; Валукевич, В. (10 января 2011 г.). «Разработка электронной зонной структуры для многодиапазонных солнечных элементов». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 106 (2): 028701. Bibcode:2011PhRvL.106b8701L. Дои:10.1103 / Physrevlett.106.028701. ISSN  0031-9007. PMID  21405256.
  8. ^ а б Танака, Тору; Ю, Кин М .; Левандер, Алехандро X .; Дубон, Оскар Д .; Reichertz, Lothar A .; и другие. (22.08.2011). "Демонстрация Солнечная батарея промежуточного диапазона ». Японский журнал прикладной физики. Японское общество прикладной физики. 50 (8): 082304. Дои:10.1143 / jjap.50.082304. ISSN  0021-4922.
  9. ^ Луке, Антонио; Марти, Антонио; Стэнли, Колин (05.02.2012). «Понимание солнечных элементов промежуточного диапазона». Природа Фотоника. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 6 (3): 146–152. Bibcode:2012НаФо ... 6..146л. Дои:10.1038 / nphoton.2012.1. ISSN  1749-4885.
  10. ^ а б c d Крич, Джейкоб Дж .; Гальперин, Бертран I .; Аспуру-Гузик, Алан (2012). «Безызлучательные времена жизни в фотовольтаике промежуточного диапазона - Отсутствие восстановления срока службы». Журнал прикладной физики. Издательство AIP. 112 (1): 013707–013707–8. arXiv:1110.5639. Bibcode:2012JAP ... 112a3707K. Дои:10.1063/1.4732085. ISSN  0021-8979. S2CID  39531675.
  11. ^ Шер, Мэн-Джу; Симмонс, Кристи Б .; Крич, Джейкоб Дж .; Акей, Остин Дж .; Винклер, Марк Т .; и другие. (2014-08-04). «Динамика рекомбинации пикосекундных носителей заряда в гипердопированном халькогеном кремнии». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 105 (5): 053905. Bibcode:2014АпФЛ.105э3905С. Дои:10.1063/1.4892357. ISSN  0003-6951.