Optoelectronic characterization and luminescent coupling effects in multi-junction solar cells

Abstract

Κατά την διάρκεια των περασμένων ετών, τα φωτοβολταϊκά έχουν επιδείξει μια ραγδαία εξέλιξη και ένα ευρύ φάσμα τεχνολογιών έχει αναδυθεί από τους κατασκευαστές. Τα φωτοβολταϊκά πρώτης γενεάς που βασίζονται στην τεχνολογία πυριτίου έχουν φτάσει στο μέγιστο όριο απόδοσης. Η λύση για την υπέρβαση του ορίου απόδοσης (Shockely-Quesisser limit) είναι η χρήση καινούριων δομών για φωτοβολταικά όπως είναι τα φωτοβολταϊκά πολλαπλών επαφών. Το κίνητρο για την ετοιμασία αυτής της δουλειάς και συνεπώς η συνεισφορά της ήταν να βελτιώσει και να καθορίσει τις συνθήκες χαρακτηρισμού για τα φωτοβολταϊκά πολλαπλής επαφής καθώς και να μελετήσει τις απώλειες εκπομπής σ’ αυτά τα φωτοβολταϊκά με διάφορες οπτοηλεκτρονικές μεθόδους. Η απευθείας μέτρηση των απωλειών εκπομπής κάτω από το ηλιακό φάσμα σε τέτοιου είδους συσκευές δεν έχει επιτευχθεί μέχρι στιγμής και είναι απαραίτητη για να βελτιώσει την κατανόηση μας σε θέματα ακτινοβολούσας εκπομπής κάτω από πραγματικές συνθήκες λειτουργίας όπως επίσης και να παρέχει στους κατασκευαστές φωτοβολταϊκών πληροφορίες που μπορούν να βελτιώσουν την απόδοση της συσκευής. Επιπρόσθετα, ένας από τους κύριους στόχους αυτής της μελέτης είναι να εξερευνήσει καινούρια φαινόμενα που παρουσιάζουν τα φωτοβολταϊκά πολλαπλής επαφής όπως είναι οι οπτικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των επαφών. Αυτά τα φαινόμενα μπορούν να έχουν σημαντική επίδραση στην ενεργειακή απόδοση των φωτοβολταϊκών και συνεπώς στην ολική ετήσια απόδοση τους γι’ αυτό και αξίζουν διερεύνησης. Η επίδραση της παράλληλης αντίστασης, της θερμοκρασίας και του σχεδιασμού του ηλιακού κυττάρου στις οπτικές αλληλεπιδράσεις έχει διερευνηθεί επιδεικνύοντας ποιες συνθήκες λειτουργίας και παράμετροι σχεδιασμού ευνοούν τις οπτικές αλληλεπιδράσεις. Ένα άλλο κύριο ζήτημα που διερευνήθηκε στα πλαίσια αυτής της μελέτης είναι η επίδραση της διαφορετικής φασματικής απόκρισης των φωτοβολταϊκών κυψελίδων στην ετήσια απόδοσης τους και πως η εναρμόνιση της φασματικής απόκρισης μπορεί να αποτελέσει πλεονέκτημα για την απόδοση του φωτοβολταϊκού. Εξαιτίας της σειριακής σύνδεσης των επαφών, οι μετρήσεις της κβαντικής απόδοσης των φωτοβολταϊκών πολλαπλής επαφής παρουσιάζουν επιπρόσθετες προκλήσεις σε σχέση με τις μετρήσεις απόδοσης των φωτοβολταϊκών μίας επαφής. Η δουλειά αυτή βοήθησε στην βελτίωση του χαρακτηρισμού των φωτοβολταϊκών πολλαπλής επαφής με την παρουσίαση της επίδρασης της χαμηλής και ψηλής παράλληλης αντίστασης των φωτοβολταϊκών στις μετρήσεις κβαντικής απόδοσης για διαφορετικές συνθήκες φωτός και τάσης. Μελέτη των οπτικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των επαφών έχει επίσης πραγματοποιηθεί. Καθώς τα πλείστα αποτελέσματα των οπτικών αλληλεπιδράσεων είναι άγνωστα, η μελέτη των μεταλλικών ιδιοτήτων και συνθηκών λειτουργίας που ευνοούν τις οπτικές αλληλεπιδράσεις είναι εξαιρετικής σημασίας. Για το σκοπό αυτό μετρήσεις φωτοφωταύγειας σε διαφορετικές εντάσεις φωτός και δυναμικού έχουν πραγματοποιηθεί σε υλικά InGaP/InGaAs/Ge. Φωτοβολταϊκά με διαφορετικές παραμέτρους σχεδιασμού και διαφορετικής ποιότητας έχουν χρησιμοποιηθεί για να καταδείξουν την επίδραση του σχεδιασμού του ηλιακού κυττάρου και της ποιότητας του στις οπτικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των επαφών. Επιπρόσθετα η επίδραση της θερμοκρασίας στις οπτικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των επαφών έχει μελετηθεί. Επιπλέον, χαρακτηρισμός των φωτοβολταϊκών με οπτοηλεκτρονικές μεθόδους όπως η φωτοφωτάυγεια και η ηλεκτροφωταύγεια έχει γίνει με σκοπό την μελέτη των απωλειών επανασύνδεσης και την εκπομπή των φωτοβολταϊκών πολλαπλής επαφής. Η διερεύνηση αυτή είναι πολύ σημαντική καθώς επιδεικνύει τις απώλειες εκπομπής στα φωτοβολταϊκά πολλαπλής επαφής κάτω από το ηλιακό φάσμα συγκεντρώσεως και δίνει ενδείξεις για τις απώλειες που εμφανίζονται κάτω από πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Εκτός από τον εσωτερικό χαρακτηρισμό, μελέτη των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των φωτοβολταϊκών πολλαπλής επαφής έχει πραγματοποιηθεί σε εξωτερικές συνθήκες με στόχο την μελέτη της απόδοσης τους σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας καθώς επίσης και την διερεύνηση της επίδρασης της φασματικής απόκρισης στην απόδοση τους.

Over the past years, photovoltaic (PV) technology has shown rapid development. First generation solar cells which are based on Silicon technology are approaching their efficiency limit. The solution to overcome Shockely-Quesisser limit is the use of new materials concepts such as multi-junction solar cells. The motivation behind this work and hence its contribution is to determine and improve the characterization conditions for multi-junction solar cells as well as to examine radiative losses in these cells by utilizing several optoelectronic methods. The direct measurement of radiative losses of multi-junction solar cells under a high concentration solar spectrum has not been achieved so far and is needed to improve our understanding of the luminescent emission under actual operating conditions as well as to provide cell designers with an additional tool with which to optimise their device performance. In addition, one of the main aims of the thesis is to provide an insight into unexplored areas associated with those devices such as coupling effects. Such effects could have significant influence on the performance and in particular on the annual energy yield of the solar cells and merits investigation. The impact of shunt resistance, temperature and material design on coupling effects was investigated demonstrating which operating conditions and material structure enhance coupling effects. Another main topic investigated in the framework of the thesis is the examination of the impact of the spectral response of multi-junctions on the long term energy yield of the devices and how the customization of the spectral response of a cell can be advantageous for the performance of the cell. Due to the series connection of junctions, the External Quantum Efficiency (EQE) measurement of multi-junction solar cells presents additional challenges compared to EQE measurement procedures for single junction ones. This work contributed to the improvement of multi-junction device characterization by reporting the effects of low and high shunt resistance junctions on EQE for various voltage and light bias conditions. Luminescent coupling effects were then studied. Since most of the effects of luminescent coupling remain unexplored, an investigation of the material properties and operating conditions which enhance coupling is of major importance. Excitation and voltage dependent Photoluminescence (PL) measurements have been carried out at different shunt resistance and structure materials and at different temperatures in order to demonstrate their impact on coupling effects. Subsequently, Electroluminescence (EL) and Photoluminescence (PL) measurements were conducted in order to investigate the presence of luminescent emission of InGaP/InGaAs/Ge at different operating conditions of the tandem. The investigation is essential since it indicates the radiative losses in multi-junction solar cells under concentrated spectrum conditions and provides an indication about the losses apparent at real outdoor testing conditions. Apart from indoor characterization, outdoor investigation of the electrical properties of multi-junction devices has been performed to gain knowledge on multi-junction solar cell performance under outdoor field conditions and to investigate the impact of spectral sensitivity of the cells on the operating efficiencies in the field.