Improving Impurity Photovoltaic Solar Cells via Inhomogeneous Doping Concentrations in Proximity to the Depletion Region

Abstract

Konvensjonelle enkelovergangs solceller har en effektivitetsgrense på 33.7%. En mulig måte å overgå denne grensen er å introdusere et mellombånd i båndgapet for å lage såkalte mellombånd solceller (IBSC). Den teoretiske effektivitetsgrensen for slike celler er 49.4%. En foreslått måte for å lage IBSC er ved høy konsentrasjon, dyp-level doping, hvor de introduserte tilstandene delokaliserer og former mellombåndet. Men, i praksis kan delokaliseringen være vanskelig å få til, og cellene kan i stedet heller ende opp som defekt fotovoltaisk (IPV) solceller. IPV celler har den samme teoretiske effektivitetsgrensen som IBSC, og hovedforskjellen mellom dem er at IPV celler har lokaliserte tilstander i båndgapet som tillater ikke-radiativ Shockley–Read–Hall (SRH) rekombinering, som kan redusere effektiviteten betydelig.

En IPV-celle nyter bare godt av tilstandene i båndgapet hvis netto generering (generering minus rekombinering) via defektene er positiv. Ettersom tidlig fase IPV enheter normalt er utsatt for høye SRH rekombinerings rater, er det nødvendig å redusere denne mekanismen for å nærme seg deres teoretiske effektivitetsgrense. Målet med denne avhandlingen er å kombinere et doping-designprinsipp fra litteraturen for heterooverganger som utnytter inhomogen dopingkonsentrasjon i nærheten av deplesjonsområdet for å hindre SRH rekombinering med IPV celler. Oksider har blitt foreslått som egnede materialer for å lage IPV celler, og ettersom oksider i hovedsak danner heterooverganger på grunn av vansligheten ved å fremstille både en p- og n-dopet oksid av det samme materiale, kan de være spesielt egnede for denne kombinasjonen. Men, ettersom pålitelige materialparametere for disse materialene ikke er lett tilgjengelige, har arbeidet i denne avhandlingen vært gjort på de vanligere III-V halvlederne GaAs og AlGaAs.

Arbeidet i denne avhandlingen har vært utelukkende teoretisk, og har blitt utført med solcellesimuleringsprogrammet SCAPS. En innledende serie med simuleringer ble først utført for å bekrefte SCAPSs evne til å simulere designprinsippet. Disse simuleringene var vellykkede, og SCAPS ble ansett som egnet for de påfølgende simuleringene. Men, senere resultater viste noe inkonsistens i sumuleringene når lag ble delt i to. Årsaken ble funnet til å være SCAPS sine "beregningspunktinnstillinger" sin avhengighet av lagene i cellen, som bestemmer kalkulasjonspunktene. Resultatet av dette i denne avhandlingen er at den absolutte effektivitetsøkningen forårsaket av designprinsippet er noe lavere enn hva de numeriske verdiene tilsier.

Deretter ble doping-designprinsippet undersøkt for konvensjonelle GaAs og AlGaAs celler uten IPV effekten. Resultatene viste at ledningsbåndavviket i p-GaAs/n-AlGaAs celler elektronstrømmen når designprinsippet ble anvendt. Dermed er det konkludert at heteroovergangen må være uten båndavvik for å dra nytte av designprinsippet. Etter å ha matematisk fjernet båndavviket ved å justere elektronaffinitetene, ble et positivt resultat oppnådd ved designprinsippet. Deretter ble de relative lagtykkelsene i cellene variert, noe som ved de optimale tykkelsene økte effektiviteten i cellen med over 20% sammenlignet med de originale tykkelsene. Men, de numeriske verdiene av lagtykkelsene gjelder bare for cellene som ble simulert her, og en lik optimalisering må bli gjennomført hvis designprinsippet skal brukes på andre celler med andre materialparametere.

Til slutt ble det samme doping-designprinsippet forsøkt kombinert med tre IPV GaAs og AlGaAs celler. Resultatet viste en økning i effektivitet på omtrent 5% på alle tre cellene. Dette er en betydelig forbedring som antyder at kombinasjonen av inhomogen doping og IPV celler gunstig. Men, den fysiske forklaringen på forbedringen i IPV cellene grunnet designprinsippet er ikke det samme som i de konvensjonelle cellene, hvor SRH rekombineringen blir redusert. Dette bekreftes av det faktum at de høyest ytende cellene ikke har den høyest netto genereringsraten via urenhetene. Det blir forestått her at effektivitetsøkningen delvis er på grunn av mer effektiv transport av de genererte ladningsbærerne, men resultatene indikerer også andre ukjente faktorer som ikke er undersøkt i denne avhandlingen også bidrar. Derfor er mer forsking nødvendig for å fullt forstå effekten av inhomogen doping i IPV celler.

Conventional single junction solar cell have an efficiency limit of 33.7%. One possible method to go beyond this limit is to introduce an intermediate band in the bandgap to make so-called intermediate band solar cells (IBSC). The theoretical efficiency limit of such cells is 49.4%. A proposed method to make IBSC is by high concentration deep-level doping, where the introduced states delocalize and form the intermediate band. However, the delocalization can be difficult to achieve in practice, and the cells could rather end up as impurity photovoltaic (IPV) cells. IPV cells have the same theoretical efficiency limit as IBSC, and the main difference between them is that IPV cells have localized states in the bandgap that allows for non-radiative Shockley–Read–Hall (SRH) recombination, that might reduce the efficiency significantly.

An IPV cell only benefits from the states in the bandgap if the net generation (generation minus recombination) via the impurities is positive. As early-stage IPV devices are normally prone to high SRH recombination rates, reducing this mechanism is necessary to approach their theoretical efficiency limit. The aim of this thesis is to combine a doping design principle found in literature for heterojunctions that utilize inhomogeneous doping concentrations in proximity to the depletion region, to suppress SRH recombination with IPV cells. Oxides have been suggested as suitable materials to make IPV solar cells, and since oxides mostly form heterojunctions due to the difficulty to fabricate both a p- and n-doped oxide of the same material, they can be especially suitable this combination. However, as reliable material parameters for these materials are not easily available, the work in this thesis have been focused on the more common III-V semiconductors GaAs and AlGaAs.

The work in this thesis is purely theoretical, and have been conducted using the solar cell simulation program SCAPS. A initial set of simulations were first conducted to verify SCAPS's capability to simulate the design principle. These simulations were successful and SCAPS was deemed suitable for the subsequent simulations. However, later results showed some inconsistencies in the simulations when layers were split into two. The cause is found to be SCAPS's mesh generation settings' dependency of the layers in the cell, which determines the points of calculations. The result of this in this thesis is that the absolute efficiency increase due to the design principle is slightly lower than what the numerical values indicates.

Next, the doping design principle was investigated for conventional GaAs and AlGaAs cells, without the IPV effect. The results showed that the conduction band offset in p-GaAs/n-AlGaAs cells reduced the electron flow when the design principle was applied. Thus, it is concluded that the heterojunction must be free of band offsets in order to benefit from the design principle. After mathematically removing the band offset by adjusting the electron affinities, a positive result was obtained for the design principle. Then, the relative layer thicknesses in the cells were varied, which for the optimal thicknesses increased the cell efficiency by over 20% compared to the initial thicknesses. However, the numeric values of the layer thicknesses is only applicable to the cells simulated here, and a similar optimization must be conducted if the design principle is to be applied to other cells, with other material parameters.

Finally, the doping design principle was attempted combined for three IPV GaAs and AlGaAs cells. The result showed efficiency increased about 5% for all three cells. This is a substantial improvement which suggests that the combination of inhomogeneous doping and IPV cells is beneficial. However, the physical explanation behind the improvement in the IPV cells due to the design principle is not the same as for the conventional cells, where the SRH recombination is reduced. This is confirmed by the fact that the best performing cells does not have the highest net generation rate via the impurities. It is suggested here that the increase in efficiency is partly due to a more effective transport of the generated carriers, but the results also indicate that other unknown factors that is not studied in this thesis also contribute. Thus, more research is needed to fully understand the effect of inhomogeneous doping in IPV cells.