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Generalized detailed balance theory of solar cells = Verallgemeinerte detaillierte-Bilanz-Theorie von Solarzellen



Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Thomas Kirchartz

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

UmfangIV, 198 S. : graph. Darst.


Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Zsfassung in dt. und engl. Sprache


Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter


Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-02-06

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-27005
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50686/files/Kirchartz_Thomas.pdf

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl für Photovoltaik (FZ Jülich) (615610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Photovoltaik (Genormte SW) ; Halbleiter (Genormte SW) ; Optoelektronik (Genormte SW) ; Lumineszenz (Genormte SW) ; Computersimulation (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; photovoltaics (frei) ; semiconductor (frei) ; optoelectronics (frei) ; luminescence (frei) ; simulation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
pacs: 78.60.Fi * 72.80.Le * 84.60.Jt

Kurzfassung
Aus der detaillierten Bilanz zwischen absorbierter und emittierter Strahlung folgt das Wirkungsgradlimit für Solarzellen nach Shockley und Queisser (SQ-Limit). Die genaue Funktionsweise und der Ladungstransport in der Solarzelle sind dabei nicht relevant, sondern einzig die Absorbanz und Emissivität des Materials, welche nach Kirchhoff identisch sind. Diese Abstraktion von allen internen Eigenschaften der Solarzelle sorgt für die Allgemeingültigkeit des SQ-Limits. Allerdings führt sie auch dazu, dass die SQ-Theorie nicht mit der Lösung der Kontinuitätsgleichungen für die Ladungsträger vereinbar ist, die gewöhnlich in Bauelement-Simulationsprogrammen verwendet werden. Meine Dissertation stellt ein Modell vor, das mit der SQ-Theorie kompatibel ist und die internen Eigenschaften der Solarzelle – wie z.B. den Transport – berücksichtigt. Die einfachste Variante des Modells löst die Kontinuitätsgleichungen für Elektronen und Löcher, sowie die Poisson-Gleichung und ermöglicht damit die Simulation von anorganischen Solarzellen in pn und pin-Geometrie. Das Modell erlaubt z.B. die Berechnung des Wirkungsgradlimits für SiO2/Si-Übergitter-Absorber als Funktion der Beweglichkeit. Um auch organische Solarzellen simulieren zu können, wird das Modell um eine Kontinuitätsgleichung für Exzitonen erweitert, die aufgrund der hohen Exzitonen-Bindungsenergien in organischen Halbleitern nötig ist. Die besondere Geometrie von organischen Solarzellen, die meist aus einem verteilten Heteroübergang im ganzen Absorber bestehen, wird ebenfalls berücksichtigt. Das Modell für organische Polymer-Fulleren Solarzellen erlaubt sowohl die Reproduktion experimenteller Daten zu Strom/Spannungs-Kennlinien und Quantenausbeuten als auch die Vorhersage über das Verhalten von Solarzellen in Abhängigkeit von Parametern wie Beweglichkeit von Elektronen und Löchern, Exzitonenbeweglichkeit, Leitungsbanddiskontinuitäten und Strukturgröße der Phasenseparation. Für die letzte Variante des Modells berücksichtige ich zusätzlich den Effekt der Stoßionisation, der in der Lage ist aus einem hochenergetischen Photon mehr als ein Elektron/Loch-Paar oder Exziton zu erzeugen. Das Modell für Absorber, die mehr als ein Exziton pro Photon erzeugen können, erlaubt sowohl die Identifikation möglicher Problempunkte als auch die Berechnung von maximalen Wirkungsgraden für zukünftige Solarzellenkonzepte, die dieses Konzept auszunutzen versuchen. Der experimentelle Teil dieser Arbeit verwendet ein Reziprozitätstheorem zwischen der Elektrolumineszenz und der photovoltaischen Quantenausbeute, welches eine direkte Folge des Prinzips der detaillierten Bilanz ist. Elektrolumineszenzmessungen (EL) an kristallinem Si, Cu(In,Ga)Se2 und GaInP/GaInAs/Ge Tripelzellen wurden durchgeführt und mithilfe des Reziprozitätstheorems interpretiert. Im Falle des kristallinen Siliziums liegt der Schwerpunkt der Untersuchungen auf der Untersuchung von Rekombination und optischer Wegverlängerung. Dazu wurden sowohl spektral- als auch ortsaufgelöste EL herangezogen. Zunächst verifiziere ich diesen Zusammenhang zwischen EL und Quantenausbeute experimentell, bevor ich die Anwendung dieses Zusammenhangs für die Berechnung von Diffusionslängen und Rückseitenreflektanzen aus den EL-Bildern vorstelle. Temperaturabhängige Messungen an Cu(In,Ga)Se2 charakterisieren die Solarzellen hinsichtlich der Inhomogenität ihrer Zusammensetzung, die in diesem Materialsystem zu einer ungewollten lateralen Inhomogenität der Bandlücke führen kann. Die EL zeigt, dass die hocheffizienten Zellen keinerlei signifikante laterale Variationen der Bandlücke zeigen. Im Fall der Stapelzellen erlauben EL-Messungen den Zugang zu den internen Spannungen der Einzelzellen. Durch die Variation des Injektionsstroms ermöglicht diese Methode die Bestimmung der Menge an nichtstrahlender Rekombination und des Dioden-Idealitätsfaktors jeder einzelnen Zelle.

From the detailed balance between absorbed and emitted radiation follows the efficiency limit of Shockley and Queisser (SQ-limit). In the framework of the SQ-theory, the exact working principle and the transport mechanism in the solar cell are irrelevant. The efficiency is only determined by the absorptance and emissivity of the material, which are equal according to Kirchhoff’s law. This abstraction from all internal properties of the solar cell makes the SQ-theory general, however, it also implies a fundamental difference between the SQ-theory and typical device simulators, which base on the solution of the continuity equations for charge carrier transport. The present dissertation presents a model, which is compatible with the SQ-theory and which includes the internal details of the device like e.g. charge carrier transport. The simplest version of the model solves the continuity equations for electrons and holes as well as the Poisson equation and allows thereby to simulate inorganic pn and pin-junction solar cells. This model is used for instance to calculate the mobility dependent efficiency limit of SiO2/Si superlattice absorbers. To allow simulations of organic solar cells, the model has to include the continuity equation for excitons, which are relevant in organic materials due to the higher exciton binding energy. The special geometry of organic solar cells, which usually consist of a bulk heterojunction, is also considered. The model for organic polymer-fullerene solar cells allows both the reproduction of experimental data on current/voltage and quantum efficiency measurements and the prediction of the device behaviour as a function of mobility, band offsets and the geometry of the phase separation. The final version of the model also includes the effect of multiple exciton generation, meaning the creation of multiple electron/hole pairs or excitons from a single high energy photon. The model for multiple exciton generating absorber layers allows the identification of possible bottlenecks as well as the calculation of efficiency limits for future solar cell concepts. The experimental part of this thesis uses a reciprocity theorem between electroluminescence (EL) emission and the photovoltaic quantum efficiency, which is a direct consequence of the principle of detailed balance. EL measurements of crystalline silicon, Cu(In,Ga)Se2 and GaInP/GaInAs/Ge triple cells were carried out and interpreted with the help of the reciprocity theorem. In case of crystalline silicon, the focus was on the investigation of recombination and light trapping with spectrally and spatially resolved EL. First the relation between EL and quantum efficiency is verified experimentally before the application for the extraction of diffusion lengths and back side reflectances is presented. Temperature dependent measurements of Cu(In,Ga)Se2 solar cells characterize the devices with respect to their stoichiometric inhomogeneity, which may lead to a detrimental lateral variation of the band gap. The EL measurements show that there is no significant inhomogeneity in high efficiency samples. In case of multijunction solar cells, EL measurements give access to the internal voltages of the individual subcells in the stack. By varying the injection current and detecting the spectral EL emission, this method allows determining the amount of non-radiative recombination and the diode quality factors of each individual cell.

Fulltext:
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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online, print

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT015889401

Interne Identnummern
RWTH-CONV-113221
Datensatz-ID: 50686

Beteiligte Länder
Germany

 GO


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The record appears in these collections:
Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Electrical Engineering and Information Technology (Fac.6)
Publication server / Open Access
Public records
Publications database
615610

 Record created 2013-01-25, last modified 2022-04-22


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