Mellanband solceller

Mellanbandsfotovoltaik inom solcellsforskning ger metoder för att överskrida Shockley-Queisser-gränsen för en cells effektivitet. Den introducerar en energinivå för mellanband (IB) mellan valens- och ledningsbanden. Teoretiskt sett tillåter införandet av en IB två fotoner med energi mindre än bandgapet att excitera en elektron från valensbandet till ledningsbandet . Detta ökar den inducerade fotoströmmen och därmed effektiviteten.

Begränsande effektivitet

Ett band

Luque och Marti härledde först en teoretisk gräns för en IB-enhet med en energinivå med mellangap med hjälp av detaljerad balans . De antog att inga bärare samlades in vid IB och att enheten var under full koncentration. De fann att den maximala effektiviteten var 63,2 %, för ett bandgap på 1,95 eV med IB 0,71 eV från antingen valens- eller ledningsbandet. Under en solbelysning är den begränsande verkningsgraden 47 %.

Oändliga band

Green och Brown utökade dessa resultat genom att härleda den teoretiska effektivitetsgränsen för en enhet med oändliga IB. Genom att införa fler IB:s kan ännu mer av incidentspektrumet utnyttjas. Efter att ha utfört den detaljerade balansen fann de att den maximala effektiviteten var 77,2 %. Denna effektivitet är mindre än för en multiövergångscell med oändliga korsningar. Detta beror på att i multijunction-celler fångas elektroner exakt efter att ha exciterats till ett högre energitillstånd, medan i en IB-enhet behöver elektronerna fortfarande en energiövergång till för att nå ledningsbandet och samlas upp.

Aktuell teknik

IBs har teoretisk potential att bli högeffektiva enheter, men de är svåra att göra. Införandet av en IB ökar avsevärt icke-strålande rekombinationsmekanismer. Dessutom måste IB:er vara delvis fyllda för att tillåta bärarrörelse till och från IB. Detta kräver ofta donatorbärare. De tre nuvarande metoderna för tillverkning av IB-enheter beskrivs nedan.

Kvantprickar

Den första metoden är att introducera små, homogena QD-strukturer i en enda kopplingsanordning. Detta skapar en IB, som kan ställas in genom att ändra formen och storleken på QD:erna. För att en experimentell enhet ska visa hög effektivitetspotential måste den visa att den kan generera ström från absorptionen av subbandgap-fotoner, samtidigt som enhetens utspänning bevaras. Med hjälp av kvantprickar har vissa experimentella enheter, såsom InAs/GaAs, kunnat göra detta. InAs/GaAs-enheter har kunnat producera så höga verkningsgrader som 18,3 %, även om detta fortfarande är lägre än den jämförbara enheten med enkel koppling. Tyvärr har QD-strukturer flera problem:

1. Den införda IB är ofta tom, vilket kräver att donatorbärare delvis fyller den.
2. Enheterna är vanligtvis endast effektiva vid låga temperaturer eftersom de är benägna att utsättas för värmeutsläpp.
3. Användningen av QDs ökar icke-strålningsrekombinationen, vilket minskar subbandgap-prestandan.
4. Att öka mängden QD-lager kan förbättra subbandgap-prestandan, men ökar också gitterbelastningen på enheten.

Därför behövs mer forskning för att tillverka verkligt högeffektiva enheter. Specifikt behöver högdensitets-QD-strukturer med långa bärarlivslängder utvecklas och nya material måste hittas för att eliminera behovet av att använda donatorbärare för att fylla IB.

Mycket oöverensstämmande legeringar

En annan metod för att tillverka en IB-enhet är att använda legeringar som inte passar ihop. Användningen av dessa oöverensstämmande legeringar introducerar en IB på grund av bandanti-korsningsmekanismen (BAC). Detta är i huvudsak uppdelningen av valens- eller ledningsbandet, beroende på legeringstyp, i två band. Dessa material är vanligtvis gjorda av III-V-legeringar, men de har också tillverkats med II-VI-legeringar. De två mest studerade legeringarna är ZnTe-dopade med O och GaAs dopade med N. Båda dessa enheter har experimentellt visat absorptionen av sub-bandgap-fotoner, men ingen av dem har kunnat demonstrera spänningsbevarande. Trots detta har ZnTeO-enheter visat en högre fotoström och effektivitet än en jämförbar ZnTe-enhet med ett bandgap. Tyvärr uppvisar båda strukturerna effektivitet mindre än 1%. Framöver behövs mer forskning för att hitta material med naturliga delvis fyllda IB-band.

Bulkmaterial med djupa föroreningar

Slutligen är det sista tillvägagångssättet att införa djupa föroreningar (DLI) i ett halvledarbulkmaterial. Denna metod liknar legeringar som inte matchar mycket, men dopningsprocenten är mycket lägre. Det största problemet med dessa enheter är att den icke-strålande rekombinationen, främst Shockley-Read-Hall, ökar markant. Betydande forskning inom detta område syftade till att uppnå "lifetime recovery", eller förmågan att öka bärarlivslängden genom att introducera fler DLI:er. I synnerhet trodde man att livstidsåtervinning kunde uppnås genom att öka DLI-koncentrationerna till isolatorn till metallövergången. Krich motbevisade dock detta och föreslog i processen en "förtjänstsiffra" för att avgöra om material skulle vara lämpliga för högeffektiva IB:s. Tanken var att om den icke-strålande rekombinationslivslängden var betydligt högre än transittiden för en elektron att flytta från ledningsbandet till IB, så kunde materialet öka effektiviteten. I huvudsak kan elektronen nå IB innan den rekombineras, vilket leder till en högre inducerad fotoström. Denna förtjänstsiffra har använts för att förklara varför ingen användbar anordning har tillverkats med hjälp av högdopat kisel. Speciellt kalkogendopat kisel har låga värdesiffror på grund av deras små icke-strålande rekombinationslivslängder. För att uppnå IB-enheter behöver mer forskning göras för att hitta ett bulkhalvledarmaterial som uppvisar längre icke-strålande rekombinationslivslängder.