SLIDE 1
Arno ¡Smets ¡
Thin ¡film ¡PV ¡Technologies ¡
III-‑V ¡ ¡PV ¡Technology ¡
Week ¡5.1 ¡
` ¡
(Source: ¡NASA) ¡
Thin film PV Technologies III-V PV Technology Week - - PowerPoint PPT Presentation
Thin film PV Technologies III-V PV Technology Week - - PowerPoint PPT Presentation
Thin film PV Technologies III-V PV Technology Week 5.1 Arno Smets ` (Source: NASA) III V PV Technology Semiconductor Materials
SLIDE 2
SLIDE 3
III ¡– ¡V ¡PV ¡Technology ¡
SLIDE 4
Semiconductor ¡Materials ¡
III-‑V ¡semiconductors: ¡ GaAs: ¡ GaP: ¡ InP: ¡ InAs: ¡ GaInAs: ¡ GaInP: ¡ AlGaInAs: ¡ AlGaInP: ¡
SLIDE 5
Atomic ¡Structure ¡ ¡Silicon ¡ ¡ ¡GaAs ¡ ¡
La9ce ¡constant: ¡ ¡0.543 ¡nm ¡ Atom ¡density: ¡ ¡ ¡5.0×1022 ¡cm-‑3 ¡ Density: ¡ ¡ ¡ ¡2.33 ¡gcm-‑3 ¡ ¡ ¡ ¡ La9ce ¡constant: ¡ ¡0.565 ¡nm ¡ Atom ¡density: ¡ ¡ ¡4.42×1022 ¡cm-‑3 ¡ Density: ¡ ¡ ¡ ¡5.32 ¡gcm-‑3 ¡ ¡ ¡ ¡ La9ce ¡constant ¡ La9ce ¡constant ¡
SLIDE 6
Ex ¡ <100> ¡ <111> ¡ EL ¡ L-‑valley ¡ Wave ¡ vector ¡ Heavy ¡holes ¡
¡ ¡Eg ¡= ¡1.42 ¡eV ¡
¡ ¡EL ¡= ¡1.71 ¡eV ¡ ¡ ¡EX ¡= ¡1.90 ¡eV ¡ ¡ ¡E90 ¡= ¡0.34 ¡eV ¡
X-‑valley ¡
Energy ¡
Eg ¡ Γ-‑valley ¡
T ¡= ¡300K ¡
SLIDE 7
AbsorpDon ¡coefficient ¡
107 ¡ ¡ 106 ¡ ¡ 105 ¡ ¡ 104 ¡ ¡ 103 ¡ ¡ 102 ¡ ¡ 101 ¡ ¡ 100 ¡ ¡ 200 ¡
GaAs ¡ InP ¡ Germanium ¡ Silicon ¡ ¡
AbsorpUon ¡coefficient, ¡α ¡(cm-‑1) ¡ ¡
400 ¡ 600 ¡ 800 ¡ 1000 ¡ 1200 ¡ 1400 ¡ 1600 ¡ 1800 ¡ 2000 ¡
Wavelength, ¡λ (nm) ¡ ¡
¡
SLIDE 8
¡ Charge ¡Carrier ¡RecombinaDon ¡ ¡ ¡
RadiaUve ¡ Auger ¡ SRH ¡
SLIDE 9
75 ¡ ¡ 50 ¡ 25 ¡ 0 ¡
Bandgap ¡(eV) ¡
Spectral ¡Mismatch ¡
Percentage ¡of ¡incident ¡ ¡ light ¡energy ¡
1 ¡ 3 ¡ 2 ¡ 100 ¡ 0 ¡
Usable ¡electric ¡power ¡ Below-‑bandgap ¡ photons ¡ RelaxaUon ¡ to ¡band ¡ edges ¡ Other ¡losses ¡
SLIDE 10
MulDjuncDon ¡
“Excess ¡ energy” ¡ V C “Excess ¡ energy” ¡ V ¡ C ¡
SLIDE 11
III-‑V ¡Technologies ¡
AR n+-GaAs n-AllnP n-GalnP n-GalnP p-AlGalnP p++-tunnel junc. n++-tunnel junc. Middle Cell Window n-GaAs p-GaAs p-GalnP p++-tunnel junc. n++-tunnel junc. buffer nucleation n-Ge p-Ge substrate contact Contact=
Top cell window/emitter Top cell base/BSF Wide-Eg tunnel junction Middle cell window/emitter Middle cell base/BSF TC & MC crystal quality: Nucleation, buffer, Interface control, Lattice-matching
Courtesy: ¡Richard ¡King ¡ ¡ ¡Spectro ¡Labs ¡
SLIDE 12
III-‑V ¡Technologies ¡
AR n+-GaAs n-AllnP n-GalnP n-GalnP p-AlGalnP p++-tunnel junc. n++-tunnel junc. Middle Cell Window n-GaAs p-GaAs p-GalnP p++-tunnel junc. n++-tunnel junc. buffer nucleation n-Ge p-Ge substrate contact Contact=
Top cell window/emitter Top cell base/BSF Wide-Eg tunnel junction Middle cell window/emitter Middle cell base/BSF TC & MC crystal quality: Nucleation, buffer, Interface control, Lattice-matching
Courtesy: ¡Richard ¡King ¡ ¡ ¡Spectro ¡Labs ¡
SLIDE 13
III-‑V ¡Technologies ¡
AR n+-GaAs n-AllnP n-GalnP n-GalnP p-AlGalnP p++-tunnel junc. n++-tunnel junc. Middle Cell Window n-GaAs p-GaAs p-GalnP p++-tunnel junc. n++-tunnel junc. buffer nucleation n-Ge p-Ge substrate contact Contact=
Top cell window/emitter Top cell base/BSF Wide-Eg tunnel junction Middle cell window/emitter Middle cell base/BSF TC & MC crystal quality: Nucleation, buffer, Interface control, Lattice-matching
Courtesy: ¡Richard ¡King ¡ ¡ ¡Spectro ¡Labs ¡
SLIDE 14
0.0 ¡ 0.2 ¡ 0.4 ¡ 0.6 ¡ 0.8 ¡ 1.0 ¡ 1.4 ¡ 1.6 ¡ 0 ¡ 5 ¡ 10 ¡ 15 ¡
J ¡(mA/cm2) ¡ Voltage ¡(V) ¡
Single ¡juncUons ¡
3 ¡ 2 ¡ 1 ¡ 3 2 1
? ¡ ? ¡ ? ¡
Window ¡side ¡
MulD-‑juncDon ¡approach ¡
SLIDE 15
0.0 ¡ 0.2 ¡ 0.4 ¡ 0.6 ¡ 0.8 ¡ 1.0 ¡ 1.4 ¡ 1.6 ¡ 0 ¡ 5 ¡ 10 ¡ 15 ¡
J ¡(mA/cm2) ¡ Voltage ¡(V) ¡
Single ¡juncUons ¡
3 ¡ 2 ¡ 1 ¡ 3 2 1
MulD-‑juncDon ¡approach ¡
1 ¡ 2 ¡ 3 ¡
Window ¡side ¡
SLIDE 16
MulD-‑juncDon ¡approach ¡
0.0 ¡ 0.2 ¡ 0.4 ¡ 0.6 ¡ 0.8 ¡ 1.0 ¡ 1.4 ¡ 1.6 ¡ 0 ¡ 5 ¡ 10 ¡ 15 ¡
J ¡(mA/cm2) ¡ Voltage ¡(V) ¡
Single ¡juncUons ¡
3 ¡ 2 ¡ 1 ¡ 3 2 1
0.0 ¡ 0.2 ¡ 0.4 ¡ 0.6 ¡ 0.8 ¡ 1.0 ¡ 1.4 ¡ 1.6 ¡ 0 ¡ 5 ¡ 10 ¡ 30 ¡ 15 ¡ 25 ¡ 20 ¡
Voltage ¡(V) ¡
MulU-‑juncUons ¡
0 ¡ 5 ¡ 10 ¡ 30 ¡ 15 ¡ 25 ¡ 20 ¡
? ¡
J ¡(mA/cm2) ¡
SLIDE 17
Equivalent ¡circuit ¡-‑ ¡ideal ¡solar ¡cell ¡
ID ¡ ¡ ¡ IPH ¡ ¡ ¡ I ¡ ¡ ¡ VOC,1 ¡ ¡ + ¡ _ ¡
SLIDE 18
ID ¡ ¡ ¡ IPH ¡ ¡ ¡ I
¡
¡ ¡ + ¡
_ ¡
ID ¡ ¡ ¡ IPH ¡ ¡ ¡ I
¡
¡ ¡ ID ¡ ¡ ¡ IPH ¡ ¡ ¡ I
¡
¡ ¡ VOC,3 ¡
¡ ¡ + ¡ _ ¡ + ¡ _ ¡
ID ¡ ¡ ¡ IPH ¡ ¡ ¡ I
¡
¡ ¡ + ¡
_ ¡
ID ¡ ¡ ¡ IPH ¡ ¡ ¡ I
¡
¡ ¡ ID ¡ ¡ ¡ IPH ¡ ¡ ¡ I
¡
¡ ¡
+ ¡ _ ¡
JSC,1 ¡
¡ + ¡ _ ¡
Series ¡
- r ¡
parallel? ¡
+ + VOC,3 ¡ ¡ VOC,2 ¡ ¡ ¡ VOC,1 ¡ ¡ ¡ + + JSC,1 ¡ ¡ JSC,2 ¡ ¡ JSC,3 ¡ ¡
VOC,2 ¡
¡ ¡
VOC,1 ¡
¡ ¡
JSC,2 ¡
¡
JSC,3 ¡
¡
SLIDE 19
ID ¡ ¡ ¡ IPH ¡ ¡ ¡ I
¡
¡ ¡ + ¡
_ ¡
ID ¡ ¡ ¡ IPH ¡ ¡ ¡ I
¡
¡ ¡ ID ¡ ¡ ¡ IPH ¡ ¡ ¡ I
¡
¡ ¡ VOC,3 ¡
¡ ¡ + ¡ _ ¡ + ¡ _ ¡
ID ¡ ¡ ¡ IPH ¡ ¡ ¡ I
¡
¡ ¡ + ¡
_ ¡
ID ¡ ¡ ¡ IPH ¡ ¡ ¡ I
¡
¡ ¡ ID ¡ ¡ ¡ IPH ¡ ¡ ¡ I
¡
¡ ¡
+ ¡ _ ¡
JSC,1 ¡
¡ + ¡ _ ¡
Series ¡
- r ¡
parallel? ¡
+ + VOC,3 ¡ ¡ VOC,2 ¡ ¡ ¡ VOC,1 ¡ ¡ ¡ + + JSC,1 ¡ ¡ JSC,2 ¡ ¡ JSC,3 ¡ ¡
VOC,2 ¡
¡ ¡
VOC,1 ¡
¡ ¡
JSC,2 ¡
¡
JSC,3 ¡
¡
SLIDE 20
MulD-‑juncDon ¡approach ¡
0.0 ¡ 0.2 ¡ 0.4 ¡ 0.6 ¡ 0.8 ¡ 1.0 ¡ 1.4 ¡ 1.6 ¡ 0 ¡ 5 ¡ 10 ¡ 15 ¡
J ¡(mA/cm2) ¡ Voltage ¡(V) ¡
Single ¡juncUons ¡
3 ¡ 2 ¡ 1 ¡ 3 2 1
0.0 ¡ 0.2 ¡ 0.4 ¡ 0.6 ¡ 0.8 ¡ 1.0 ¡ 1.4 ¡ 1.6 ¡ 0 ¡ 5 ¡ 10 ¡ 30 ¡ 15 ¡ 25 ¡ 20 ¡
Voltage ¡(V) ¡
MulU-‑juncUons ¡
0 ¡ 5 ¡ 10 ¡ 30 ¡ 15 ¡ 25 ¡ 20 ¡
? ¡
J ¡(mA/cm2) ¡
SLIDE 21
MulD-‑juncDon ¡approach ¡
0.0 ¡ 0.2 ¡ 0.4 ¡ 0.6 ¡ 0.8 ¡ 1.0 ¡ 1.4 ¡ 1.6 ¡ 0 ¡ 5 ¡ 10 ¡ 15 ¡
J ¡(mA/cm2) ¡ Voltage ¡(V) ¡
Single ¡juncUons ¡
3 ¡ 2 ¡ 1 ¡ 3 2
0.0 ¡ 0.2 ¡ 0.4 ¡ 0.6 ¡ 0.8 ¡ 1.0 ¡ 1.4 ¡ 1.6 ¡ 1.8 ¡ 2.0 ¡ 2.2 ¡ 2.4 ¡ 0 ¡ 5 ¡ 10 ¡ 30 ¡ 15 ¡ 25 ¡ 20 ¡
Voltage ¡(V) ¡
MulU-‑juncUons ¡
0 ¡ 5 ¡ 10 ¡ 30 ¡ 15 ¡ 25 ¡ 20 ¡
3 2 1 1+2+3 ¡ 1 J ¡(mA/cm2) ¡
SLIDE 22
Triple ¡JuncDon ¡ p ¡ n ¡ p ¡ n ¡ p ¡ n ¡
SLIDE 23
p ¡ n ¡ p ¡ n ¡ p ¡ n ¡
SLIDE 24
= =
SLIDE 25
Triple ¡JuncDon ¡ p ¡ n ¡ p ¡ n ¡ p ¡ n ¡
SLIDE 26
Epitaxy of III-V Materials
Crystalline ¡growth ¡induced ¡by ¡a ¡crystalline ¡substrate ¡
Source: ¡hkp://www.photonics.ethz.ch/research/core_competences/technology/ ¡
SLIDE 27
Epitaxy of III-V Materials
SLIDE 28
Epitaxy of III-V Materials
Source: ¡hkp://www.photonics.ethz.ch/research/core_competences/technology/ ¡
SLIDE 29
Bandgap ¡vs. ¡LaNce ¡constant ¡
4.0 ¡ 3.6 ¡ 3.2 ¡ 2.8 ¡ 2.4 ¡ 2.0 ¡ 1.6 ¡ 1.2 ¡ 0.8 ¡ 0.4 ¡ 0.0 ¡ 4.5 ¡ 5.0 ¡ 5.5 ¡ 6.0 ¡ 6.5 ¡ GaN ¡ BP ¡ BAs ¡ InN ¡ Si ¡ Ge ¡ InAs ¡ GaSb ¡
Bandgap ¡(eV) ¡
ZnS ¡ MgSe ¡ ZnSc ¡ AlP ¡ CdS ¡ AlSb ¡ CdTe ¡ CdSe ¡ InP ¡ GaAs ¡ GaP ¡ ZnFe ¡ InSb ¡ AlAs ¡
La9ce ¡Constant ¡(Å) ¡
SLIDE 30
Crystal mismatch: interface defects
E.F ¡ ¡ E.F. ¡Schubert ¡
Light-‑Emi>ng ¡Diodes ¡(Cambridge ¡Univ. ¡Press) ¡ www.LightEmi9ngDiodes.org ¡
SLIDE 31
Bandgap ¡vs. ¡LaNce ¡constant ¡
4.0 ¡ 3.6 ¡ 3.2 ¡ 2.8 ¡ 2.4 ¡ 2.0 ¡ 1.6 ¡ 1.2 ¡ 0.8 ¡ 0.4 ¡ 0.0 ¡ 4.5 ¡ 5.0 ¡ 5.5 ¡ 6.0 ¡ 6.5 ¡ GaN ¡ BP ¡ BAs ¡ InN ¡ Si ¡
Ge ¡
InAs ¡ GaSb ¡
Bandgap ¡(eV) ¡
ZnS ¡ MgSe ¡ ZnSc ¡ AlP ¡ CdS ¡ AlSb ¡ CdTe ¡ CdSe ¡
InP ¡ GaAs ¡ GaP ¡
ZnFe ¡ InSb ¡ AlAs ¡
La9ce ¡Constant ¡(Å) ¡
SLIDE 32
Spectrolab ¡
JSC ¡= ¡17.76 ¡mA/cm2 ¡ VOC ¡= ¡2.633 ¡V ¡ FF ¡= ¡0.85 ¡ AM ¡0 ¡condiDons ¡
SLIDE 33
EQE ¡spectrum ¡of ¡mulDjuncDon ¡cells ¡
MH ¡Tsutagawa ¡et ¡al. ¡ 34th ¡IEEE ¡PVSC ¡pp. ¡1959 ¡(2009) ¡
SLIDE 34
hkp://www.ise.fraunhofer.de/en/press-‑and-‑media/press-‑releases/
presseinformaUonen-‑2013/43.6-‑four-‑juncUon-‑solar-‑cell-‑under-‑ concentrated-‑sunlight ¡
EQE ¡spectrum ¡of ¡4-‑juncDon ¡cells ¡
SLIDE 35
LaNce ¡Matched ¡and ¡Metamorphic ¡3-‑JuncDon ¡ ¡ Cell ¡Cross-‑SecDon ¡
Wide-bandgap tunnel junction
AR n+-GaAs n-AllnP n-GalnP n-GalnP p-AlGalnP BSF p++-tunnel junc. n++-tunnel junc. n-Ga(In)P window n-Ga(In)As emitter p-Ga(In)As base p-GalnP BSF p++-tunnel junc. n++-tunnel junc. N-Ga(In)As buffer nucleation n-Ge p-Ge substrate contact Contact
GaIP top cell Ge(In)As middle cell Buffer region Ge bottom cell
Tunnel junction
AR n+-GaAs n-AllnP n-GalnP n-GalnP p-AlGalnP BSF p++-tunnel junc. n++-tunnel junc. n-Ga(In)P window n-Ga(In)As emitter p-Ga(In)As base p-GalnP BSF Contact p++-tunnel junc. n++-tunnel junc. N-Ga(In)As buffer nucleation n-Ge p-Ge substrate contact
Courtesy: ¡Richard ¡King ¡ ¡ ¡Spectro ¡Labs ¡
SLIDE 36
III ¡– ¡V ¡PV ¡Technology ¡
SLIDE 37