Tesis:
Novel Thin Film Based Antireflection Coatings for Multijunction Solar Cells
- Autor: HOU, GuoJiao
- Título: Novel Thin Film Based Antireflection Coatings for Multijunction Solar Cells
- Fecha: 2022
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: ELECTRONICA FISICA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/72162/
- Director/a 1º: REY-STOLLE PRADO, Ignacio
- Resumen: Los principales objetivos de la investigación fotovoltaica son siempre la alta eficiencia y el bajo coste. Las células solares multiunión son capaces de utilizar eficientemente una amplia banda del espectro solar mediante el uso de subceldas con distintos bandgaps, por lo que tienen límites de eficiencia teóricos más altos que las células solares de una sola unión. En particular, el récord mundial de eficiencia fotovoltaica se ha alcanzado utilizando células solares III-V de seis uniones (47,1% bajo concentración). Con unas eficiencias tan altas, las células solares multiunión pueden alcanzar una ratio potencia-coste muy atractivo para diversas aplicaciones. Durante los últimos años, se ha puesto una gran atención en la mejora de las células solares multiunión, dando especial importancia a la mejora de la absorción de la luz. Se han propuesto varios enfoques para reducir la reflexión de Fresnel en la superficie frontal de las células solares, más allá de las clásicas capas antirreflectantes (AR), tales como nanoestructuras para el atrapamiento de la luz. Los recubrimientos antirreflectantes son un reto interesante para las células solares multiunión debido a su absorción de banda ancha y al requisito de adaptación de la corriente de cada subcelda.
En consecuencia, en este trabajo se revisan las capas AR clásicas utilizadas en células solares multiunión y las prestaciones típicas que se consiguen con ellas. También, se discute la teoría de la limitación del rendimiento de las capas AR basadas en capas delgadas y se evalúan teóricamente algunas estrategias para su posible mejora.
En este estudio se presenta un nuevo diseño de recubrimientos antirreflectantes para células solares multiunión en el que se utilizan alternativamente dos materiales de alto y bajo índice de refracción, respectivamente, para minimizar la reflexión en una banda ancha del espectro solar (300-1800 nm). Comparamos la densidad de corriente de cortocircuito de los nuevos diseños –que denominamos HLIS– con recubrimientos antirreflectantes óptimos de doble capa considerando dos combinaciones de materiales ópticos (MgF2/ZnS y Al2O3/TiO2) para los espectros AM0 y AM1.5D. Los cálculos demuestran que, en el caso de las células solares de triple unión ajustadas en red y de las células solares de cuádruple unión metamórficas invertidas, los apilamientos alternando capas con alto y bajo índice de refracción son superiores a los mejores recubrimientos antirreflectantes de doble capa. La nueva filosofía de diseño no requiere nuevos materiales ópticos, ya que sólo se utilizan dos materiales, y presenta un excelente rendimiento en los espectros de banda ancha. El rendimiento angular de estos revestimientos antirreflectantes es ligeramente mejor que el de las capas dobles clásicas, mientras que el análisis de la sensibilidad al espesor muestra que las pequeñas desviaciones de los objetivos sólo afectan ligeramente al rendimiento de los revestimientos antirreflectantes. Por último, se discuten algunas soluciones técnicas para depositar estas multicapas de alto y bajo índice de refracción. Además, investigamos varias distribuciones angulares de la radiación incidente y descubrimos que este diseño mejora la corriente de cortocircuito de las células solares de triple unión GaInP/GaInAs/Ge y de las células solares de cuádruple unión GaInP/GaAs/GaInAs/GaInAs metamórficas invertidas en comparación con los recubrimientos antirreflectantes de doble capa más modernos, los cuales utilizan Al2O3/TiO2.
A continuación, se lleva a cabo la validación experimental de este nuevo diseño de recubrimiento antirreflectante, ya que en la teoría se predicen buenas prestaciones. El diseño de las capas HLIS de alto y bajo índice de refracción se ha implementado sobre células solares de triple unión GaInP/InGaAs/Ge de última generación. Las imágenes TEM confirman que estos nuevos recubrimientos antirreflectantes pueden fabricarse con gran precisión utilizando el mismo equipo de PVD de haz de electrones utilizado para los recubrimientos antirreflectantes de doble capa. Comparamos las prestaciones experimentales -eficiencia cuántica externa y reflectividad- con las de dispositivos idénticos que utilizan la aproximación más clásica de materiales AR de doble capa. Para materiales típicos como el MgF2/ZnS, los resultados muestran que el nuevo diseño mejora la corriente de cortocircuito en un 1,8% a incidencia normal y en un 1,6% y 1% para ángulos de incidencia de 30° y 50°, respectivamente.
Por último, se investigan las prestaciones del diseño de capas HLIS de alto-bajo índice de refracción con diferentes combinaciones de materiales -MgF2/ZnS, LiF/ZnS, MgF2/Al2O3, LiF/ Al2O3- en células solares de perovskita-perovskita-Si. Se observan mejoras de ~1% para el diseño de pilas de alto-bajo índice de refracción mediante el uso de combinaciones de MgF2/ZnS y LiF/ZnS con estructuras simples y espesores delgados en comparación con la ARC de una sola capa de MgF2.
ABSTRACT
High efficiency and low cost are always the major goals for photovoltaic research. Multijunction solar cells are capable of absorbing broadband solar spectrum by using subcells with different bandgaps, thereby, having higher theoretical efficiency limits than single-junction solar cells. Particularly, a world record efficiency has been demonstrated for III-V six-junction solar cells (47.1% under concentration). Such high efficiencies of multijunction solar cells have the potential to achieve high power per unit cost for applications. Further improvements in multijunction solar cells have attracted extensive attention, where the enhancement of light absorption is an important aspect. Various approaches are proposed to reduce the Fresnel reflection on the front surface of solar cells, such as the utilization of antireflection coatings and light trapping structures. Antireflection coatings are an interesting challenge for multijunction solar cells due to their broadband spectrum absorption and the requirement of current matching of each subcell.
Accordingly, the classic ARCs which are used in the multijunction solar cells and the benchmarking performances achieved are reviewed. The theory of limiting the performance of thin film ARCs and theoretically assessing some strategies for their potential improvement has been discussed.
A new design for multijunction solar cell antireflection coatings is presented in this study in which alternative high and low index materials are used to minimize the reflection in a broadband (300–1800 nm). We compared the short circuit current density of high-low refractive index stacks designs with optimum double-layer antireflection coatings by considering two optical materials combinations (MgF2/ZnS and Al2O3/TiO2) for the AM0 and AM1.5D spectra. The calculations demonstrate that for lattice-matched triple-junction solar cells and inverted metamorphic quadruple-junction solar cells, high-low refractive index stacks outperform the optimum double-layer antireflection coatings. The new design philosophy requires no new optical materials because only two materials are used and exhibits excellent performance in broadband spectra. The angle performance of these antireflection coatings is slightly better than classical double-layers whereas the analysis for thickness sensitivity shows that small deviations from deposition targets only slightly impact the performance of antireflection coatings. Finally, some technical solutions for depositing these high-low refractive index multilayers are discussed. In addition, we investigate several angular distributions of the impinging radiation produced by different optical trains and find that this design improves the short circuit current for GaInP/GaInAs/Ge triple-junction solar cells and inverted metamorphic GaInP/GaAs/GaInAs/GaInAs quadruple-junction solar cells as compared to state-of-the-art double-layer antireflection coatings using Al2O3/TiO2 materials.
Then, the experimental validation of such new antireflection coating design is performed since good performances are predicted in theory. The high-low refractive index stacks design has been implemented on the start-of-the-art GaInP/InGaAs/Ge triple-junction solar cells. TEM images confirm that such new antireflection coatings can be manufactured with high accuracy using the same e-beam PVD equipment used for double-layer antireflection coatings. We compared the experimental performances—external quantum efficiency and reflectivity—with that of identical devices equipping the classic double-layer ARC. For typical materials such as MgF2/ZnS with ambient glass, the results show that the new design improves the short circuit current by 1.8% at normal incidence and 1.6% and 1% for angles of incidence of 30° and 50°, respectively.
Finally, the performances of high-low refractive index stacks design with different material combinations -MgF2/ZnS, LiF/ZnS, MgF2/Al2O3, LiF/ Al2O3- on perovskite-perovskite-Si solar cells are investigated. The improvements of ~1% for high-low refractive index stacks design by using MgF2/ZnS and LiF/ZnS combinations with simple structures and thin thicknesses compared to the MgF2 single-layer ARC.