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Autor(en): Mattheis, Julian
Titel: Mobility and homogeneity effects on the power conversion efficiency of solar cells
Sonstige Titel: Der Einfluss von Mobilität und Homogenität auf den Wirkungsgrad von Solarzellen
Erscheinungsdatum: 2008
Dokumentart: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-36974
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/2655
http://dx.doi.org/10.18419/opus-2638
ISBN: 978-3-8322-7266-1
Zusammenfassung: The thesis on hand investigates the interplay between detailed radiation balances and charge carrier transport. The first part analyzes the role of limited carrier transport for the efficiency limits of $pn$-junction solar cells. The second part points out the influence of transport on the absorption and emission of light in inhomogeneous semiconductors. By incorporating an integral term that accounts for the repeated internal emission and reabsorption of photons (the so-called photon recycling) into the diffusion equation for the minority carriers, the first part of the thesis develops a self-consistent model that is capable of describing the power conversion efficiencies of existing devices as well as of devices in the radiative recombination limit. It is shown that the classical diode theory without the inclusion of photon recycling produces accurate results only if the minority carrier lifetime is at least ten times smaller than the radiative lifetime. The thesis shows that even in the radiative recombination limit, charge carrier transport is extremely important. The thesis thus presents a universal criterion that needs to be fulfilled by any photovoltaic material in order to obtain high power conversion efficiency. The numerical results are analyzed and compared to an analytical approximation. The thesis applies the developed model to solar cells made of crystalline silicon, amorphous silicon and Cu(In,Ga)Se$_2$ (CIGS). It shows that crystalline silicon solar cells neither have transport problems in the radiative recombination limit nor in existing devices. In Cu(In,Ga)Se$_2$ solar cells, mobilities are at most two orders of magnitude above the critical mobility and guarantee complete carrier collection only close to the radiative limit. The second part of the thesis investigates the role of carrier transport for the absorption and emission of light in semiconductors with band gap fluctuations. The chapter develops an analytical statistical model to describe the absorption and emission spectra of such inhomogeneous semiconductors. Particular emphasis is placed on the role of the length-scale of the band gap fluctuations. As it turns out, the crucial quantity with respect to the emission spectrum is the ratio of the charge carrier transport length and the length-scale of the band gap fluctuations. Both, absorption edge and emission peak are broadened by band gap fluctuations. Comparison with numerical simulations underlines the importance of the fluctuation length in relation to the diffusion length. The model is applied to experimental absorption and photoluminescence data of Cu(In,Ga)Se$_2$ thin films with varying gallium content. The ternary compounds CuInSe$_2$ and CuGaSe$_2$ exhibit the smallest magnitude of fluctuations with standard deviations in the range of $20-40 \meV$. The fact that the quaternary compounds show standard deviations of up to $65 \meV$ points to alloy disorder as one possible source of band gap fluctuations. All observed fluctuations occur on a very small length scale that is at least ten times smaller than the electron diffusion length of approximately $1 \mum$.
Die vorliegende Arbeit untersucht das Zusammenspiel von detailierten Strahlungsgleichgewichten mit dem Transport von Ladungsträgern. Der erste Teil analysiert die Bedeutung von begrenztem Ladungsträgertransport für die Wirkungsgradgrenzen von $pn$-Übergang Solarzellen. Der zweite Teil zeigt den Einfluss von Transport auf die Absorption und Emission von Licht in inhomogenen Halbleitern auf. Zur Berücksichtigung der wiederholten internen Emission und Reabsorption von Photonen (des sog. Photon Recyclings) baut der erste Teil der Arbeit einen Integralterm in die Diffusionsgleichung für die Minoritätsladungsträger ein. Dadurch wird ein selbstkonsistentes Modell entwickelt, das in der Lage ist, den Wirkungsgrad von realen Solarzellen ebenso zu beschreiben wie den idealen Wirkungsgrad im Limit strahlender Rekombination. Es wird gezeigt, dass die klassische Diodentheorie ohne die Berücksichtigung von Photon Recycling nur hinreichend genaue Resultate produziert, wenn die Minoritätsträgerlebensdauer mindestens zehnmal kleiner ist als die strahlende Lebensdauer. Die Arbeit zeigt, dass Ladungsträgertransport sogar im strahlenden Wirkungsgrad Limit von höchster Wichtigkeit ist. Damit präsentiert diese Arbeit ein universales Kriterium, das von jedem photovoltaischen Material erfüllt werden muss, um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Die numerischen Resultate werden analysiert und mit einem analytischen Modell verglichen. Die Arbeit wendet das entwickelte Modell auf Solarzellen aus kristallinem und amorphem Silizium und aus Cu(In,Ga)Se$_2$ an. Es zeigt sich, dass Solarzellen aus kristallinem Silizium weder im strahlenden Limit noch in existierenden Solarzellen durch eine zu kleine Beweglichkeit begrenzt sind. In Solarzellen aus Cu(In,Ga)Se$_2$ sind die Mobilitäten nur maximal zwei Größenordnungen größer als die kritische Beweglichkeit und garantieren vollständige Ladungsträgersammlung daher nur sehr dicht am strahlenden Limit. Der zweite Teil der Arbeit untersucht die Bedeutung von Ladungsträgertransport für die Absorption und Emission von Licht in Halbleitern mit Bandlückenfluktuationen. Dieses Kapitel entwickelt ein analytisches statistisches Modell zur Beschreibung von Absorptions- und Emissions\-spektren solch inhomogener Halbleiter. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die Rolle der Längenskala von Bandlückenfluktuationen gelegt. Wie sich herausstellt, ist die entscheidende Größe in Bezug auf das Emissionsspektrum das Verhältnis aus der charakteristischen Ladungsträger Transportlänge und der Fluktuationslänge der Bandlückenfluktuationen. Sowohl Absorptionskante als auch der Emissionspeak werden durch Bandlückenfluktuationen verbreitert. Das Modell wird auf experimentelle Absorptions- und Photolumineszenzdaten von Cu(In,Ga)Se$_2$ Filmen mit verschiedenem Gallimgehalt angewandt. Die ternären Verbindungen CuInSe$_2$ und CuGaSe$_2$ weisen die geringsten Fluktuationen mit Standardabweichungen zwischen $20$ und $40 \meV$ auf. Der Umstand, dass die quaternären Systeme Standardabweichungen von bis zu $65 \meV$ besitzen, deutet darauf hin, dass Unordnung infolge der Legierung eine mögliche Ursache der Bandlückenfluktuationen darstellen. Alle beobachteten Fluktuationen besitzen eine sehr kurze Fluktuationslänge, die mindestens zehnmal kleiner ist als die Elektronen Diffusionslänge von ca. $1 \mum$.
Enthalten in den Sammlungen:05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik



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