JP6411801B2 - Photocell evaluation method, photovoltaic cell evaluation apparatus, program, and photovoltaic cell manufacturing method - Google Patents
Photocell evaluation method, photovoltaic cell evaluation apparatus, program, and photovoltaic cell manufacturing method Download PDFInfo
- Publication number
- JP6411801B2 JP6411801B2 JP2014147216A JP2014147216A JP6411801B2 JP 6411801 B2 JP6411801 B2 JP 6411801B2 JP 2014147216 A JP2014147216 A JP 2014147216A JP 2014147216 A JP2014147216 A JP 2014147216A JP 6411801 B2 JP6411801 B2 JP 6411801B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- photovoltaic cell
- subcell
- current density
- loss rate
- emitting diode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Description
本発明は、光電池の評価方法、光電池の評価装置、プログラム、および光電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a photovoltaic cell evaluation method, a photovoltaic cell evaluation apparatus, a program, and a photovoltaic cell manufacturing method.
太陽電池等の光電池について、高効率化等の技術開発が進められている。高効率太陽電池の開発において最も堅実な成功をおさめてきた方法は、多接合タンデム化である。しかし現状の多接合型太陽電池の開発は、試行錯誤によるところが大きい。作製と評価のフィードバックを強化するために、構成要素である各サブセルの品質・特性を、完成した素子に対して非破壊で評価する標準的な方法が望まれる。 Technology development such as higher efficiency is being promoted for photovoltaic cells such as solar cells. The most successful method in the development of high efficiency solar cells is multijunction tandemization. However, the current development of multi-junction solar cells is largely based on trial and error. In order to enhance the feedback of fabrication and evaluation, a standard method for nondestructively evaluating the quality and characteristics of each subcell that is a constituent element is desired.
近年、エレクトロルミネッセンス(EL)強度測定に基づく、各サブセルの電流電圧特性や開放電圧Vocの分析方法が提案されている(例えば非特許文献1参照)。 In recent years, methods for analyzing current-voltage characteristics and open-circuit voltage Voc of each subcell based on electroluminescence (EL) intensity measurement have been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1).
しかし、先行研究では、1)EL強度は任意単位あるいは相対強度として測定および定式化し、2)全体の電流電圧特性を実測し、3)全体の電流電圧特性の測定結果に理論予想が一致するようにパラメータを調節して各サブセルの電流電圧特性を推定する方法がとられた。この方法は、パラメータを人為的に調整する過程を含むため、各サブセルの電流電圧特性を実験で評価しているとは言えない。各サブセルの電流電圧特性や、各サブセルの損失内訳、ルミネッセンス結合の大きさ、材料の品質など、太陽電池内部の詳細な診断を行うためには、上記のような仮定を含まない評価手法が望まれる。 However, in previous studies, 1) EL intensity was measured and formulated as an arbitrary unit or relative intensity, 2) the entire current-voltage characteristics were measured, and 3) the theoretical predictions agreed with the measurement results of the overall current-voltage characteristics. The method of estimating the current-voltage characteristics of each subcell by adjusting the parameters was adopted. Since this method includes a process of artificially adjusting parameters, it cannot be said that the current-voltage characteristics of each subcell are evaluated experimentally. In order to make a detailed diagnosis inside the solar cell, such as the current-voltage characteristics of each subcell, the breakdown of loss of each subcell, the size of luminescence coupling, and the quality of materials, an evaluation method that does not include the above assumptions is desirable. It is.
バイアス光を用いた太陽電池の外部量子効率スペクトル測定法は、多接合型太陽電池の標準的評価方法の一つである。各サブセルの個別のキャリア発生性能の評価のため非常に重要であり、短絡電流Iscや、各サブセル間の電流マッチングの診断に有用である(例えば特許文献2参照)。 The external quantum efficiency spectrum measurement method for solar cells using bias light is one of the standard evaluation methods for multi-junction solar cells. This is very important for evaluation of the individual carrier generation performance of each subcell, and is useful for diagnosing the short-circuit current Isc and current matching between the subcells (see, for example, Patent Document 2).
単接合型光電池においても、各種の評価手法が望まれている。 Various evaluation methods are also desired for single-junction photovoltaic cells.
本発明の一目的は、光電池の新規な評価手法に関する技術を提供することである。 An object of the present invention is to provide a technique related to a novel evaluation method for a photovoltaic cell.
本発明の一観点によれば、
(a)第1のサブセルを有する光電池の発光ダイオード動作時におけるエレクトロルミネッセンスの絶対強度に対応し、発光ダイオード動作時の注入電流密度の関数として得られた、前記第1のサブセルから前記光電池の外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートを準備する工程と、
(b)前記第1のサブセルについて、ネットのキャリア発生レートとネットのキャリア損失レートとのバランスに基づき、発光ダイオード動作時の注入電流密度と光電池動作時の取出電流密度との関係を求め、前記工程(a)において発光ダイオード動作時の注入電流密度の関数として得られた輻射再結合損失レートから、光電池動作時の取出電流密度の関数として、前記第1のサブセルから前記光電池の外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートを得る工程と
を有する光電池の評価方法が提供される。
According to one aspect of the present invention,
(A) The photocell having the first subcell corresponds to the absolute intensity of electroluminescence during operation of the light emitting diode, and is obtained from the first subcell as a function of the injected current density during operation of the light emitting diode. Providing a radiation recombination loss rate corresponding to light emission to
(B) For the first subcell, based on the balance between the net carrier generation rate and the net carrier loss rate, the relationship between the injection current density during light-emitting diode operation and the extraction current density during photocell operation is determined, From the radiation recombination loss rate obtained as a function of the injection current density during the operation of the light emitting diode in the step (a), the light from the first subcell to the outside of the photovoltaic cell as a function of the extraction current density during the operation of the photovoltaic cell Obtaining a radiation recombination loss rate corresponding to the emission is provided.
本発明の他の観点によれば、
第1のサブセルを有する光電池の発光ダイオード動作時におけるエレクトロルミネッセンスの絶対強度に対応し、発光ダイオード動作時の注入電流密度の関数として得られた、前記第1のサブセルから前記光電池の外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートと、
前記第1のサブセルについて、ネットのキャリア発生レートとネットのキャリア損失レートとのバランスに基づいて求められた、発光ダイオード動作時の注入電流密度と光電池動作時の取出電流密度との関係と
に基づいて、
光電池動作時の取出電流密度の関数として、前記第1のサブセルから前記光電池の外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートを得るように構成された計算装置
を有する、光電池の評価装置が提供される。
According to another aspect of the invention,
Light from the first subcell to the outside of the photovoltaic cell, which corresponds to the absolute intensity of electroluminescence during operation of the light emitting diode of the photovoltaic cell having the first subcell, obtained as a function of the injected current density during operation of the light emitting diode Radiation recombination loss rate corresponding to emission,
Based on the relationship between the injection current density during the operation of the light emitting diode and the extraction current density during the operation of the photovoltaic cell, which is obtained based on the balance between the net carrier generation rate and the net carrier loss rate for the first subcell. And
A photovoltaic cell evaluation device comprising a computing device configured to obtain a radiation recombination loss rate corresponding to light emission from the first subcell to the exterior of the photovoltaic cell as a function of extraction current density during photovoltaic cell operation. Provided.
本発明のさらに他の観点によれば、
第1のサブセルを有する光電池の発光ダイオード動作時におけるエレクトロルミネッセンスの絶対強度に対応し、発光ダイオード動作時の注入電流密度の関数として得られた、前記第1のサブセルから前記光電池の外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートと、
前記第1のサブセルについて、ネットのキャリア発生レートとネットのキャリア損失レートとのバランスに基づいて求められた、発光ダイオード動作時の注入電流密度と光電池動作時の取出電流密度との関係と
に基づいて、
光電池動作時の取出電流密度の関数として、前記第1のサブセルから前記光電池の外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートを得る手順
をコンピュータに実行させるプログラムが提供される。
According to yet another aspect of the invention,
Light from the first subcell to the outside of the photovoltaic cell, which corresponds to the absolute intensity of electroluminescence during operation of the light emitting diode of the photovoltaic cell having the first subcell, obtained as a function of the injected current density during operation of the light emitting diode Radiation recombination loss rate corresponding to emission,
Based on the relationship between the injection current density during the operation of the light emitting diode and the extraction current density during the operation of the photovoltaic cell, which is obtained based on the balance between the net carrier generation rate and the net carrier loss rate for the first subcell. And
A program is provided for causing a computer to execute a procedure for obtaining a radiation recombination loss rate corresponding to light emission from the first subcell to the outside of the photovoltaic cell as a function of the extraction current density during photovoltaic operation.
本発明のさらに他の観点によれば、
光電池を形成する工程と、
前記光電池の特性を評価する工程と
を有し、
前記光電池の特性を評価する工程は、
第1のサブセルを有する光電池の発光ダイオード動作時におけるエレクトロルミネッセンスの絶対強度に対応し、発光ダイオード動作時の注入電流密度の関数として得られた、前記第1のサブセルから前記光電池の外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートと、
前記第1のサブセルについて、ネットのキャリア発生レートとネットのキャリア損失レートとのバランスに基づいて求められた、発光ダイオード動作時の注入電流密度と光電池動作時の取出電流密度との関係と
に基づいて、
光電池動作時の取出電流密度の関数として、前記第1のサブセルから前記光電池の外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートを得る工程
を有する光電池の製造方法が提供される。
According to yet another aspect of the invention,
Forming a photovoltaic cell;
And evaluating the characteristics of the photovoltaic cell,
The step of evaluating the characteristics of the photovoltaic cell includes:
Light from the first subcell to the outside of the photovoltaic cell, which corresponds to the absolute intensity of electroluminescence during operation of the light emitting diode of the photovoltaic cell having the first subcell, obtained as a function of the injected current density during operation of the light emitting diode Radiation recombination loss rate corresponding to emission,
Based on the relationship between the injection current density during the operation of the light emitting diode and the extraction current density during the operation of the photovoltaic cell, which is obtained based on the balance between the net carrier generation rate and the net carrier loss rate for the first subcell. And
A method of manufacturing a photovoltaic cell is provided that includes obtaining a radiative recombination loss rate corresponding to light emission from the first subcell to the exterior of the photovoltaic cell as a function of extraction current density during photovoltaic cell operation.
エレクトロルミネッセンスの絶対強度に対応し、発光ダイオード動作時の注入電流密度の関数として得られた、第1のサブセルから光電池外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートに基づいて、光電池動作時の取出電流密度の関数として、第1のサブセルから光電池外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートが求められることにより、光電池の様々な特性を評価することが可能となる。 During the operation of the photovoltaic cell, based on the radiation recombination loss rate corresponding to the light emission from the first subcell to the outside of the photovoltaic cell, obtained as a function of the injection current density during the operation of the light emitting diode, corresponding to the absolute intensity of the electroluminescence By obtaining the radiation recombination loss rate corresponding to the light emission from the first subcell to the outside of the photovoltaic cell as a function of the extraction current density, it is possible to evaluate various characteristics of the photovoltaic cell.
以下、本発明の実施形態による光電池の評価方法について、一例として行った実験(実施例)に沿って説明する。 Hereinafter, an evaluation method of a photovoltaic cell according to an embodiment of the present invention will be described along with an experiment (Example) performed as an example.
まず、評価対象とする光電池について説明する。ここでは、多接合型光電池の評価を行う例について説明する。多接合型光電池は、光入射側ほど広いバンドギャップのサブセルが配置されるように複数のサブセルが積層された構造を有する。各サブセルは、pn接合を有する半導体光電池として構成されている。光電池の光入射側を、上側、上方等と呼ぶこともあり、光電池の光入射側と反対側を、光入射反対側、下側、下方等と呼ぶこともある。評価対象とする光電池は、公知のどのような方法で形成されたものであってもよい。 First, a photovoltaic cell to be evaluated will be described. Here, an example in which a multi-junction photovoltaic cell is evaluated will be described. The multi-junction photovoltaic cell has a structure in which a plurality of subcells are stacked so that subcells having a wider band gap are arranged on the light incident side. Each subcell is configured as a semiconductor photovoltaic cell having a pn junction. The light incident side of the photovoltaic cell may be referred to as the upper side, the upper side, and the like, and the side opposite to the light incident side of the photovoltaic cell may be referred to as the light incident opposite side, the lower side, the lower side, and the like. The photovoltaic cell to be evaluated may be formed by any known method.
図1(A)は、光電池10の概略構造を示す断面図であり、実施例で評価対象とした光電池(実施例の光電池)の構造を例示する。光電池(セル)10は、3つのサブセルSC1〜SC3が積層された構造を有する。最も光入射側(上側)に配置されたサブセル(トップサブセル)SC1は、例えばインジウムガリウムリン(InGaP)により形成されている。トップサブセルSC1の直下に配置されたサブセル(ミドルサブセル)SC2は、例えばガリウムヒ素(GaAs)により形成されている。ミドルサブセルSC2の直下に配置されたサブセル(ボトムサブセル)SC3は、例えばゲルマニウム(Ge)により形成されている。実施例の光電池10は、大気圏外で利用される太陽電池として構成されており、入射光としては、AM0の太陽光が想定されている。 FIG. 1A is a cross-sectional view illustrating a schematic structure of the photovoltaic cell 10 and illustrates the structure of the photovoltaic cell (photovoltaic cell of the example) that is an evaluation target in the example. The photovoltaic cell (cell) 10 has a structure in which three subcells SC 1 to SC 3 are stacked. Most disposed on the light incident side (upper side) subcells (top subcell) SC 1 is formed, for example by an indium gallium phosphide (InGaP). Top subcell (middle subcell) SC 2 disposed immediately below the subcell SC 1 is formed by, for example, gallium arsenide (GaAs). Middle subcell SC arranged subcell immediately below the 2 (Botomusabuseru) SC 3 is formed by, for example, germanium (Ge). The photovoltaic cell 10 of an Example is comprised as a solar cell utilized out of the atmosphere, and AM0 sunlight is assumed as incident light.
トップサブセルSC1とミドルサブセルSC2とが、トンネル接合TN12を介して積層されている。ミドルサブセルSC2とボトムサブセルSC3とが、トンネル接合TN23を介して積層されている。各サブセルSC1〜SC3において、例えば、上方側がn型半導体層、下方側がp型半導体層となる配置で、pn接合が形成されている。なお、光電池の構造は、例示の光電池に対しp型半導体層とn型半導体層の積層順が上下反転した構造であってもかまわない。 Top and subcell SC 1 and the middle subcell SC 2 are stacked via a tunnel junction TN 12. A middle subcell SC 2 and Botomusabuseru SC 3 are stacked via a tunnel junction TN 23. In each of the subcells SC 1 to SC 3 , for example, a pn junction is formed in an arrangement in which the upper side is an n-type semiconductor layer and the lower side is a p-type semiconductor layer. Note that the structure of the photovoltaic cell may be a structure in which the stacking order of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer is inverted up and down with respect to the illustrated photovoltaic cell.
トップサブセルSC1の上面上に、例えば銀(Ag)により、上側電極ELUが形成されている。上側電極ELUの外側が、外部から光電池へ光が入射する光入射領域を形成する。光入射領域上に、反射防止層(ARコート)ARCが形成されていてもよい。ボトムサブセルSC3の下面上に、例えばAgにより全面に亘って、下側電極ELLが形成されている。下側電極ELLは、光を上方に反射する反射電極を形成する。 On the upper surface of the top subcell SC1, an upper electrode ELU is formed of, for example, silver (Ag). The outside of the upper electrode ELU forms a light incident region where light enters the photovoltaic cell from the outside. An antireflection layer (AR coating) ARC may be formed on the light incident region. On the lower surface of the bottom subcell SC3, for example, a lower electrode ELL is formed over the entire surface with Ag. The lower electrode ELL forms a reflective electrode that reflects light upward.
なお、後述の各種物理量について、トップサブセルSC1、ミドルサブセルSC2、ボトムサブセルSC3のそれぞれに関するものを、添え字「1」、「2」、「3」を付して区別することがある。また、各サブセルを一般的に表す場合に、添え字「i」を付すことがある。また、光電池の外部(実施例において具体的には上側空気層)を表す場合に、添え字「0」を付すことがある。 Various physical quantities to be described later may be distinguished by attaching subscripts “1”, “2”, and “3” to those related to the top subcell SC 1 , middle subcell SC 2 , and bottom subcell SC 3. . In addition, the subscript “i” may be added when each subcell is generally represented. In addition, in order to indicate the outside of the photovoltaic cell (specifically, the upper air layer in the embodiment), the subscript “0” may be attached.
次に、実施形態による光電池の評価方法について説明する。 Next, the photovoltaic cell evaluation method according to the embodiment will be described.
まず、光電池に順方向電圧を印加して発光ダイオード(LED)として動作させ、各サブセルSCiからのエレクトロルミネッセンス(EL)の絶対強度(EL絶対強度)を測定する。光電池に注入する順方向バイアス電流の密度(注入電流密度)JLEDを変化させて、注入電流密度JLEDの関数として、各サブセルSCiのEL絶対強度を得る。 First, a photovoltaic cell to be operated as a light emitting diode by applying a forward voltage (LED), for measuring the absolute intensity of the electroluminescence (EL) from each subcell SC i (EL absolute intensity). The forward bias current density (injection current density) J LED injected into the photovoltaic cell is varied to obtain the EL absolute intensity of each subcell SC i as a function of the injection current density J LED .
各サブセルSCiのEL絶対強度は、言い換えると、各サブセルSCiから光電池外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートRext_i→0である。ここで、添え字の矢印「→」は、放射の発生側から行先側への方向を表し、「i→0」は、サブセルSCiから光電池外部(実施例において具体的には上側空気層)への光放出を表している。様々な注入電流密度JLEDについてEL絶対強度を測定することにより、JLEDの関数として輻射再結合損失レートRext_i→0を得ることができる。なお、以下、説明を容易にするため、EL絶対強度や各種レートは、単位面積当たりについて考える。 EL absolute intensity of each subcell SC i, in turn, is a radiative recombination loss rate corresponding to the light emitting R ext_i → 0 to photovoltaic outside from each subcell SC i. Here, the subscript arrow “→” represents the direction from the radiation generation side to the destination side, and “i → 0” represents the subcell SC i to the outside of the photovoltaic cell (specifically, the upper air layer in the embodiment). Represents the light emission to By measuring the EL absolute intensity for various injection current density J LED, can be obtained radiative recombination losses as a function of J LED rate R ext_i → 0. In the following, for ease of explanation, EL absolute intensity and various rates are considered per unit area.
輻射再結合損失レートRext_i→0に基づいて、LED動作時における発光の外部量子効率、すなわち、外部発光量子効率EQEi LEDを求めることができる。注入電流密度JLEDは、電荷素量qで割ることにより、電流により光電池へ(各サブセルへ)注入されるキャリア注入レートに換算される。輻射再結合損失レートRext_i→0を、キャリア注入レートJLED/qで割ることにより、各サブセルSCiのLED動作時における外部発光量子効率EQEi LEDが算出される。なお一般に、量子効率は、量子収率と呼ばれることもある。 Based on the radiation recombination loss rate R ext — i → 0 , the external quantum efficiency of light emission during LED operation, that is, the external light emission quantum efficiency EQE i LED can be obtained. The injection current density J LED is converted into a carrier injection rate that is injected into the photovoltaic cell (to each subcell) by the current by dividing by the elementary charge q. By dividing the radiation recombination loss rate R ext — i → 0 by the carrier injection rate J LED / q, the external light emission quantum efficiency EQE i LED at the time of LED operation of each subcell SC i is calculated. In general, quantum efficiency is sometimes referred to as quantum yield.
図1(B)は、EL絶対強度測定(および解析)の状況例を示す概略図である。なお、図示の煩雑さを避けるため、光電池10のトンネル接合TN12、TN23および反射防止層ARCの図示は省略している(図1(A)参照)。光電池10へ電源20により順方向バイアスを印加してEL発光させ、EL絶対強度を測定器30により測定する。この測定は、光電池10に外部から光が入射しない状況で行うことが好ましい。EL絶対強度は、公知のどのような方法で測定してもかまわず、測定器30としては、EL発光の絶対強度を測定できる公知のどのような構成のものを用いてもかまわない。 FIG. 1B is a schematic diagram showing an example of the situation of EL absolute intensity measurement (and analysis). Note that illustration of the tunnel junctions TN 12 and TN 23 and the antireflection layer ARC of the photovoltaic cell 10 is omitted to avoid the complexity of the illustration (see FIG. 1A). A forward bias is applied to the photovoltaic cell 10 by the power source 20 to cause EL emission, and the EL absolute intensity is measured by the measuring device 30. This measurement is preferably performed in a state where no light enters the photovoltaic cell 10 from the outside. The EL absolute intensity may be measured by any known method, and the measuring device 30 may have any known configuration capable of measuring the absolute intensity of EL emission.
制御装置40が、注入電流密度JLEDを変化させて測定を行うように電源20を制御し、測定器30から測定結果に対応するデータを受信する。制御装置40は、このような測定の制御を行う制御装置として構成されており、また、以下の説明において実施される各種の計算(解析)等を行う計算装置として構成されており、これらの制御や計算等を行うためのプログラムやデータ等が格納された記憶装置や、記憶装置からプログラム等を読み出して実行するCPUを有する。制御装置(計算装置)40は、例えばパーソナルコンピュータで構成される。少なくとも計算装置40を含んで、光電池の評価装置が構成される。光電池の評価装置は、電源20や測定器30を含んでいてもよい。なお、後述のように、測定と解析とが別々に行われる実施態様の場合は、制御装置と計算装置とを別々に用意することもできる。 The control device 40 controls the power supply 20 so as to perform measurement by changing the injection current density J LED , and receives data corresponding to the measurement result from the measuring device 30. The control device 40 is configured as a control device that performs such measurement control, and is configured as a calculation device that performs various calculations (analysis) performed in the following description. And a storage device that stores programs and data for performing calculations and the like, and a CPU that reads and executes programs and the like from the storage devices. The control device (calculation device) 40 is constituted by a personal computer, for example. A photovoltaic device evaluation device is configured including at least the calculation device 40. The photovoltaic cell evaluation apparatus may include a power supply 20 and a measuring device 30. As will be described later, in the case of an embodiment in which measurement and analysis are performed separately, a control device and a calculation device can be prepared separately.
より具体的に、実施例で行ったEL絶対強度測定方法について説明する。順方向バイアスとして、光電池10の上側電極ELUおよび下側電極ELLに、それぞれ負電圧および正電圧を印加した。順方向バイアス印加により、光電池10は、赤色のEL発光を生じた。このEL発光は、肉眼でも明瞭に観察された。EL絶対強度の測定は、トップサブセルSC1およびミドルサブセルSC2に対する測定と、ボトムサブセルSC3に対する測定とに分けて実施した。 More specifically, the EL absolute intensity measurement method performed in the examples will be described. As a forward bias, a negative voltage and a positive voltage were applied to the upper electrode ELU and the lower electrode ELL of the photovoltaic cell 10, respectively. By applying the forward bias, the photovoltaic cell 10 generated red EL light emission. This EL emission was clearly observed with the naked eye. The measurement of EL absolute intensity was carried out separately for the top subcell SC 1 and middle subcell SC 2 and for the bottom subcell SC 3 .
トップサブセルSC1およびミドルサブセルSC2に対する測定について説明する。予め標準光源を用いて相対波長感度校正しておいたスペクトロメータを用いて、光電池10からのELスペクトルを測定した。スペクトロメータとして、冷却シリコンCCD検出器を有し、波長400nm〜1100nmに感度を持つものを用いた。685nm(1.81eV)と882nm(1.405eV)にそれぞれピークを持つ、トップサブセルSC1(InGaP)とミドルサブセルSC2(GaAs)からの、相対波長感度校正されたELスペクトルが得られた。 Measurements for the top subcell SC 1 and the middle subcell SC 2 will be described. The EL spectrum from the photovoltaic cell 10 was measured using a spectrometer that was previously calibrated for relative wavelength sensitivity using a standard light source. A spectrometer having a cooled silicon CCD detector and having sensitivity at wavelengths of 400 nm to 1100 nm was used. The EL spectra calibrated with relative wavelength sensitivity were obtained from the top subcell SC 1 (InGaP) and the middle subcell SC 2 (GaAs) having peaks at 685 nm (1.81 eV) and 882 nm (1.405 eV), respectively.
次に、絶対感度校正された光パワーメータの、円板状の受光面を持つシリコンフォトダイオード受光素子からなる光センサを、光電池10の上面と平行に近接位置に置き、光パワーメータの設定波長について、光パワーを測定した。測定された設定波長の名目上の光パワー値と、設定波長における光センサの絶対波長感度とから、光センサで検出された全光電流を算出した。 Next, a photosensor comprising a silicon photodiode light-receiving element having a disc-shaped light-receiving surface of an optical power meter that has been subjected to absolute sensitivity calibration is placed in a close position parallel to the top surface of the photovoltaic cell 10 to set the wavelength of the optical power meter. The optical power was measured. The total photocurrent detected by the photosensor was calculated from the nominal optical power value of the set wavelength measured and the absolute wavelength sensitivity of the photosensor at the set wavelength.
そして、測定された(相対波長感度校正された)ELスペクトルと、光センサで検出された全光電流と、このシリコンフォトダイオード受光素子の絶対波長感度曲線とから、EL絶対強度スペクトルを求めた。EL絶対強度スペクトルから、各サブセルのEL絶対強度を求め、また、外部発光量子効率を求めた。 Then, an EL absolute intensity spectrum was obtained from the measured EL spectrum (relative wavelength sensitivity calibrated), the total photocurrent detected by the photosensor, and the absolute wavelength sensitivity curve of the silicon photodiode light receiving element. The EL absolute intensity of each subcell was determined from the EL absolute intensity spectrum, and the external emission quantum efficiency was determined.
ボトムサブセルSC3に対する測定について説明する。波長900nm〜2100 nmに感度を有し、円板状の受光面を持つ絶対感度既知のInGaAsフォトダイオード素子を、1500nm以下の短波長側をカットする光学フィルタと組み合わせて、光電池上面と平行近接位置に置き、光電流を測定して、EL絶対強度を求め、また、外部発光量子効率を求めた。 It will be described measurement on Botomusabuseru SC 3. Combining an InGaAs photodiode element having a sensitivity at a wavelength of 900 nm to 2100 nm and having a disc-shaped light receiving surface with a known absolute sensitivity with an optical filter that cuts the short wavelength side of 1500 nm or less, a parallel proximity position to the upper surface of the photovoltaic cell , The photocurrent was measured to determine the EL absolute intensity, and the external light emission quantum efficiency was determined.
なお、平板型発光素子の面積あたりの発光全光束測定では、このような簡易的な平行近接位置での測定が近似的に用いられる。より一般的には、例えば、積分球を用いた全光束計測や、放射量の角度分布計測により決定すればよい。 In the measurement of the total luminous flux per area of the flat light emitting element, such simple measurement at the parallel proximity position is approximately used. More generally, for example, it may be determined by measuring the total luminous flux using an integrating sphere or measuring the radiation angle distribution.
各サブセルSCiについて、上述のような測定を、様々な順バイアス電流JLEDに対して行い、JLEDの関数として、EL絶対強度(輻射再結合損失レートRext_i→0)および外部量子効率EQEi LEDを求めた。 For each subcell SC i , measurements as described above are performed for various forward bias currents J LED , and as a function of J LED , EL absolute intensity (radiation recombination loss rate R ext — i → 0 ) and external quantum efficiency EQE i LED was determined.
図2に、実施例による光電池のトップサブセル(Top)、ミドルサブセル(Mid)、およびボトムサブセル(Bot)のLED動作時における外部発光量子効率EQELEDを、注入電流密度JLEDの関数として示す。 FIG. 2 shows the external light emitting quantum efficiency EQE LED as a function of the injection current density J LED during LED operation of the top subcell (Top), middle subcell (Mid), and bottom subcell (Bot) of the photovoltaic cell according to the example.
上述のようにJLEDの関数として求められた輻射再結合損失レートRext_i→0の他、さらに、光電池外部から各サブセルSCiへ入射した光の吸収によるキャリア発生レートRsun_iを準備しておく。このキャリア発生レートRsun_iを、外光吸収キャリア発生レートと呼ぶこととする。外光吸収キャリア発生レートRsun_iは、例えば以下のようにして得ることができる。 In addition to the radiation recombination loss rate R ext — i → 0 obtained as a function of J LED as described above, a carrier generation rate R sun — i by absorption of light incident on each subcell SC i from the outside of the photovoltaic cell is prepared. . This carrier generation rate Rsun_i is referred to as an external light absorbing carrier generation rate. The external light absorbing carrier generation rate Rsun_i can be obtained, for example, as follows.
まず、各サブセルSCiについて、光電池動作時(PV動作時)における光電池としての外部量子効率EQEi PVを求める。次に、外部量子効率EQEi PVに、実際に光電池として利用する場合に想定される入射光のスペクトルを掛けることにより、外光吸収キャリア発生レートRsun_iが得られる。PV動作時の外部量子効率EQEi PVは、公知のどのような方法で求めてもかまわない。 First, for each subcell SC i , the external quantum efficiency EQE i PV as a photovoltaic cell during photovoltaic cell operation (PV operation) is obtained. Next, the external light absorption carrier generation rate R sun — i is obtained by multiplying the external quantum efficiency EQE i PV by the spectrum of incident light assumed when actually used as a photovoltaic cell. The external quantum efficiency EQE i PV during PV operation may be obtained by any known method.
なお、本実施形態では、後述のように、光電池のPV動作時における発光の外部量子効率yextが算出される。PV動作時におけるこれらの「量子効率」を区別するため、PV動作時の光電池としての外部量子効率EQEPVを、単に、PV動作時の「外部量子効率」と呼び、PV動作時の発光の外部量子効率yextを、「外部発光量子効率」と呼ぶこととする。 In the present embodiment, as will be described later, the external quantum efficiency y ext of light emission during PV operation of the photovoltaic cell is calculated. In order to distinguish these “quantum efficiencies” during PV operation, the external quantum efficiency EQE PV as a photovoltaic cell during PV operation is simply referred to as “external quantum efficiency” during PV operation. The quantum efficiency y ext will be referred to as “external light emission quantum efficiency”.
実施例では、非特許文献2記載の方法に基づいて、各サブセルSCiのPV動作時における外部量子効率EQEi PVを得た。そして、各サブセルSCiについて、PV動作時の外部量子効率EQEi PVに、AM0の太陽光スペクトルを掛けることにより、外光吸収キャリア発生レートRsun_iを得た。なお、非特許文献2記載の方法の概略は、以下のようなものである。当該サブセル以外の他のサブセルにバイアス光を入射させた状態で、当該サブセルに強度の知られた単色光を入射させて、光電池に流れる電流を測定することにより、入射単色光の光子が当該サブセルによって取出電流の電子へと変換される割合である外部量子効率が得られる。 In the example, based on the method described in Non-Patent Document 2, the external quantum efficiency EQE i PV during PV operation of each subcell SC i was obtained. For each subcell SC i , the external light absorption carrier generation rate R sun — i was obtained by multiplying the external quantum efficiency EQE i PV during PV operation by the sunlight spectrum of AM0. The outline of the method described in Non-Patent Document 2 is as follows. In a state in which bias light is incident on another subcell other than the subcell, a monochromatic light having a known intensity is incident on the subcell, and a current flowing through the photovoltaic cell is measured. Gives the external quantum efficiency, which is the rate at which the extracted current is converted to electrons.
図3に、実施例による光電池のトップサブセル(Top)、ミドルサブセル(Mid)、およびボトムサブセル(Bot)のPV動作時における外部量子効率EQEPVを、入射光の波長の光子エネルギーの関数として示す。なお、図3には、光電池上面から測定した反射率(Reflectivity)も示されている。 FIG. 3 shows the external quantum efficiency EQE PV during PV operation of the top subcell (Top), middle subcell (Mid), and bottom subcell (Bot) of the photovoltaic cell according to the embodiment as a function of the photon energy of the wavelength of the incident light. . In addition, the reflectance (Reflectivity) measured from the upper surface of the photovoltaic cell is also shown in FIG.
以上のようにして、各サブセルSCiについて、EL絶対強度の測定により、LED動作時における光電池外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートRext_i→0が準備される。また、各サブセルSCiについて、PV動作時における外光吸収キャリア発生レートRsun_iが準備される。 As described above, a radiation recombination loss rate R ext — i → 0 corresponding to light emission to the outside of the photovoltaic cell during LED operation is prepared for each subcell SC i by measuring the EL absolute intensity. For each subcell SC i , an external light absorbing carrier generation rate R sun — i during PV operation is prepared.
次に、各サブセルSCiについて、LED動作時における光電池外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートRext_i→0や、PV動作時における外光吸収キャリア発生レートRsun_i等に基づき、PV動作時の取出電流密度JPVの関数として、PV動作時における光電池外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートRext_i→0等を求める。 Next, for each subcell SC i, based on the radiation recombination loss rate R ext — i → 0 corresponding to light emission to the outside of the photovoltaic cell during LED operation, the external light absorption carrier generation rate R sun — i, etc. during PV operation, PV As a function of the extraction current density J PV during operation, a radiation recombination loss rate R ext — i → 0 corresponding to light emission to the outside of the photovoltaic cell during PV operation is obtained.
特に、LED動作時における光電池外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートRext_i→0に基づいて、PV動作時の取出電流密度JPVの関数として、PV動作時における光電池外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートRext_i→0が求められることにより、光電池の様々な特性を評価することが可能となる。以下、実施例に沿って、算出方法の詳細について説明する。 In particular, based on the radiation recombination loss rate R ext — i → 0 corresponding to light emission to the outside of the photovoltaic cell during LED operation, as a function of the extraction current density J PV during PV operation, the light to the outside of the photovoltaic cell during PV operation By obtaining the radiation recombination loss rate R ext — i → 0 corresponding to the emission, various characteristics of the photovoltaic cell can be evaluated. Hereinafter, the details of the calculation method will be described according to the embodiment.
なお、上述のように、トップサブセルSC1、ミドルサブセルSC2、ボトムサブセルSC3のそれぞれに関する物理量等に、添え字「1」、「2」、「3」を付す。各サブセルを一般的に表す場合に、添え字「i」を付す。光電池の外部を表す場合に、添え字「0」を付す。また、各種のレートは、単位面積当たりについて考える。 As described above, the subscripts “1”, “2”, and “3” are attached to the physical quantities and the like related to the top subcell SC 1 , the middle subcell SC 2 , and the bottom subcell SC 3 . The subscript “i” is added when each subcell is generally represented. The subscript “0” is added to indicate the outside of the photovoltaic cell. Various rates are considered per unit area.
実施例のように3つのサブセルを有する多接合型光電池について、各サブセルSCiにおけるネットのキャリア発生レートとネットのキャリア損失レートとのバランス(キャリアバランス)は、以下の式(1)〜(3)で表すことができる。 For a multi-junction photovoltaic cell having three subcells as in the example, the balance (carrier balance) between the net carrier generation rate and the net carrier loss rate in each subcell SC i is expressed by the following equations (1) to (3 ).
式(1)〜(3)は、それぞれ、トップサブセルSC1、ミドルサブセルSC2、およびボトムサブセルSC3おけるキャリアバランスを示す。左辺がネットのキャリア発生レートを示し、右辺がネットのキャリア損失レートを示し、キャリアバランスは、ネットのキャリア発生レートとネットのキャリア損失レートとが等しいという関係を示す。 Equations (1) to (3) indicate carrier balances in the top subcell SC 1 , middle subcell SC 2 , and bottom subcell SC 3 , respectively. The left side shows the net carrier generation rate, the right side shows the net carrier loss rate, and the carrier balance shows the relationship that the net carrier generation rate is equal to the net carrier loss rate.
Rsun_iは、光電池の外部(上方空間)からサブセルSCiへ入射した光の吸収による(単位面積当たりの)キャリア発生レート(外光吸収キャリア発生レート)である。 R sun — i is a carrier generation rate (per unit area) due to absorption of light incident on the subcell SC i from the outside (upper space) of the photovoltaic cell (external light absorption carrier generation rate).
Jは、光電池への(サブセルへの)注入電流密度、または、光電池からの(サブセルからの)取出電流密度であり、pn接合の順方向が正方向である。qは電荷素量であり、J/qは、注入電流による(単位面積当たりの)キャリア注入レート、または、取出電流による(単位面積当たりの)キャリア取出レートである。LED動作時のJは正方向の注入電流密度JLEDとなり、PV動作時のJは負方向の取出電流密度JPVとなる。 J is an injection current density into the photovoltaic cell (to the subcell) or an extraction current density from the photovoltaic cell (from the subcell), and the forward direction of the pn junction is the positive direction. q is an elementary charge amount, and J / q is a carrier injection rate (per unit area) by injection current or a carrier extraction rate (per unit area) by extraction current. J at the time of LED operation becomes the injection current density J LED in the positive direction, and J at the time of PV operation becomes the extraction current density J PV in the negative direction.
Rext_i→0は、サブセルSCiから光電池の外部(上方空間)への光放出に対応する(単位面積当たりの)輻射再結合損失レートである。 R ext — i → 0 is a radiation recombination loss rate (per unit area) corresponding to light emission from the subcell SC i to the outside (upper space) of the photovoltaic cell.
サブセルSCiのキャリア損失レートとして(右辺中に)現れるRext_i→i+1は、サブセルSCiから直下のサブセルSCi+1への光放出に対応する(単位面積当たりの)輻射再結合損失レートである。サブセルSCiのキャリア発生レートとして(左辺中に)現れるRext_i−1→iは、直上のサブセルSCi−1からサブセルSCiへの光入射に伴うルミネッセンス結合による(単位面積当たりの)キャリア発生レートとなる。ボトムサブセルSC3のキャリア損失レートを構成するRext_3→SにおけるSは、pn接合から下側の基板側部材を示す。 R ext_i → i + 1 to the carrier loss rate subcells SC i appears (in the right side) is a subcell SC i + corresponding to the light emission to 1 (per unit area) radiative recombination loss rate just below the subcells SC i. As carrier generation rate subcells SC i appears (in the left-hand side) R ext_i-1 → i is (per unit area) by luminescence coupled with the light incident from the subcells SC i-1 immediately above the subcells SC i carriers generated Rate. S in R ext — 3 → S constituting the carrier loss rate of the bottom subcell SC 3 indicates a substrate side member on the lower side from the pn junction.
Rnr_iは、サブセルSCiにおける(単位面積当たりの)非輻射再結合損失レートである。 R nr — i is the non-radiative recombination loss rate (per unit area) in subcell SC i .
つまり、サブセルSCiにおけるネットのキャリア発生レート(左辺)は、外光吸収キャリア発生レートRsun_iと、注入電流によるキャリア注入レート、または、取出電流によるキャリア取出レートであるJ/qと、上方のサブセルからの光入射に伴うルミネッセンス結合によるキャリア発生レートRext_i−1→iとの和で表される。なお、トップサブセルSC1においては、上方にサブセルが配置されていないので、上方のサブセルからの光入射に伴うルミネッセンス結合によるキャリア発生レートはゼロとなる。 That is, the carrier generation rate (left side) of the net in the subcell SC i is the external light absorption carrier generation rate R sun — i , the carrier injection rate by the injection current, or J / q which is the carrier extraction rate by the extraction current, This is expressed as the sum of the carrier generation rate R ext — i−1 → i due to luminescence coupling accompanying the light incidence from the subcell. In the top sub-cell SC 1, since subcell above is not arranged, the carrier generation rate by luminescence coupled with the light incident from the upper subcell is zero.
一方、サブセルSCiにおけるネットのキャリア損失レート(右辺)は、光電池の外部(上方空間)への光放出に対応する輻射再結合損失レートRext_i→0と、下方側(光入射反対側)への光放出に対応する輻射再結合損失レートRext_i→i+1(Rext_i→S)と、非輻射再結合損失レートRnr_iとの和で表される。 On the other hand, the carrier loss rate (right side) of the net in the subcell SC i is the radiation recombination loss rate R ext — i → 0 corresponding to light emission to the outside (upper space) of the photovoltaic cell, and downward (on the opposite side of light incidence). Is represented by the sum of the radiation recombination loss rate R ext — i → i + 1 (R ext — i → S ) corresponding to the light emission and the non-radiation recombination loss rate R nr — i .
キャリアバランス中のRsun_iとJ/qの他の項である、Rext_i→0、Rext_i→i+1(Rext_i→S,Rext_i−1→i)、およびRnr_iは、Rsun_iとJ/qが与えられることにより決定される。つまり、これらの項は、JおよびRsun_1〜Rsun_3の関数として、Rext_i→0[J,Rsun_1,Rsun_2,Rsun_3]のように与えられる。ここで、関数であることを示すために、角括弧を用いている。 Is another term for R Sun_i and J / q in carrier balance, R ext_i → 0, R ext_i → i + 1 (R ext_i → S, R ext_i-1 → i), and R Nr_i is, R sun_i and J / It is determined by giving q. That is, these terms, as a function of J and R sun_1 ~R sun_3, R ext_i → 0 [J, R sun_1, R sun_2, R sun_3] given as. Here, square brackets are used to indicate a function.
非輻射再結合損失レートRnr_iがすべてゼロであれば、光電池の再結合損失は、輻射再結合損失のみ(輻射限界)の理想的な場合と一致し、後述のように、定式化は先行研究論文で与えられている。しかし、現実には、非輻射再結合損失レートRnr_iはゼロではなく、しかも、電流密度Jに依存して変化する量である。 If the non-radiative recombination loss rate R nr_i is all zero, the recombination loss of the photovoltaic cell coincides with the ideal case of only the radiative recombination loss (radiation limit). Is given in the paper. However, in reality, the non-radiative recombination loss rate R nr — i is not zero and is an amount that varies depending on the current density J.
LED動作の場合は、光電池に光を入射させない状態(Rsun_i=0)で、順方向バイアスの印加により電流密度JLEDの電流が注入される。このとき、例えばRext_i→0[J,Rsun_1,Rsun_2,Rsun_3]は、Rext_i→0[JLED,0,0,0]と表される。これを簡略化して、Rext_i→0[JLED]と表記することとする。Rext_i→i+1(Rext_i→S,Rext_i−1→i)およびRnr_iについても同様な表記とする。LED動作において、上式(1)〜(3)は、以下の式(1LED)〜(3LED)のように表される。 In the case of LED operation, the current of the current density J LED is injected by applying a forward bias in a state where light is not incident on the photovoltaic cell (R sun — i = 0). At this time, for example, R ext — i → 0 [J, R sun — 1 , R sun — 2 , R sun — 3 ] is expressed as R ext — i → 0 [J LED , 0, 0, 0]. This is simplified and expressed as R ext — i → 0 [J LED ]. R ext_i → i + 1 (R ext_i → S , R ext_i−1 → i ) and R nr_i have the same notation. In the LED operation, the above formulas (1) to (3) are expressed as the following formulas (1 LED ) to (3 LED ).
上述のように、既に、各サブセルSCiの輻射再結合損失レートRext_i→0は、JLEDの関数として得られている。また、輻射再結合損失レートRext_i→i+1は、輻射再結合損失レートRext_i→0から計算できる。輻射再結合損失レートRext_i→Sは、最下層のサブセル(ボトムサブセル)の下側の構造に応じて決めることができる。したがって、式(1LED)〜(3LED)より、未知の非輻射再結合損失レートRnr_iも、JLEDの関数として決定することができる。このようにして、式(1LED)〜(3LED)中のすべての項が、JLEDの関数として得られる。 As described above, the radiation recombination loss rate R ext — i → 0 of each subcell SC i is already obtained as a function of J LED . The radiation recombination loss rate R ext — i → i + 1 can be calculated from the radiation recombination loss rate R ext — i → 0 . The radiation recombination loss rate R ext — i → S can be determined according to the structure below the lowermost subcell (bottom subcell). Therefore, from the equations (1 LED ) to (3 LED ), the unknown non-radiative recombination loss rate R nr_i can also be determined as a function of J LED . In this way, all terms in the equations (1 LED ) to (3 LED ) are obtained as a function of J LED .
輻射再結合損失レートRext_i→i+1は、具体的には以下のようにして得ることができる。本実施例のような、表面にARコートがあり、サブセルSCiの材料の屈折率niとサブセルSCi+1の材料の屈折率ni+1との比が1に近く、ni+1>niが成り立つような典型的な多接合セルの場合には、輻射再結合損失レートRext_i→0と屈折率niとを用いて、Rext_i→i+1=ni 2×Rext_i→0と表すことができる。より一般的には、
と表すことができる。ai+1→iやa0→iなどの定義および算出法は後述する。
Specifically, the radiation recombination loss rate R ext — i → i + 1 can be obtained as follows. As in the present embodiment, there is AR coating on the surface, close to the ratio 1 between the refractive index n i + 1 of the refractive index n i and subcells SC i + 1 of the material of the material of the subcells SC i, holds the n i + 1> n i In the case of such a typical multi-junction cell, it can be expressed as R ext — i → i + 1 = n i 2 × R ext — i → 0 using the radiation recombination loss rate R ext — i → 0 and the refractive index n i. . More generally,
It can be expressed as. Definitions and calculation methods such as a i + 1 → i and a 0 → i will be described later.
輻射再結合損失レートRext_i→Sは、具体的には以下のようにして得ることができる。例えば、最下層のサブセル(ボトムサブセル)の下側に、吸収性の基板層が無く、全反射ミラーが存在する構造の場合はゼロと置くことができる。より一般には、基板層を(i+1)層と見なし、反射率や吸収係数に応じて上記のRext_i→i+1の表式を適用することができる。 Specifically, the radiation recombination loss rate R ext — i → S can be obtained as follows. For example, in the case of a structure in which there is no absorptive substrate layer below the lowermost subcell (bottom subcell) and a total reflection mirror exists, it can be set to zero. More generally, the substrate layer is regarded as an (i + 1) layer, and the above expression of R ext — i → i + 1 can be applied according to the reflectance and the absorption coefficient.
PV動作の場合は、光電池に光を入射させることにより(Rsun_i≠0)、負方向に電流密度JPVの取出電流が発生するとともに、発光も生じる。このとき、例えばRext_i→0[J,Rsun_1,Rsun_2,Rsun_3]は、Rext_i→0[JPV,Rsun_1,Rsun_2,Rsun_3]と表される。これを簡略化して、Rext_i→0[JPV]と表記することとする。Rext_i→i+1(Rext_i→S,Rext_i−1→i)およびRnr_iについても同様な表記とする。PV動作において、上式(1)〜(3)は、以下の式(1PV)〜(3PV)のように表される。ここで、上述のように、外光吸収キャリア発生レートRsun_iは既に得られている。 In the case of PV operation, by making light incident on the photovoltaic cell (R sun — i ≠ 0), an extraction current having a current density J PV is generated in the negative direction, and light emission is also generated. In this case, for example, R ext_i → 0 [J, R sun_1, R sun_2, R sun_3] is, R ext_i → 0 [J PV , R sun_1, R sun_2, R sun_3] denoted. Simplified this will be denoted as R ext_i → 0 [J PV] . R ext_i → i + 1 (R ext_i → S , R ext_i−1 → i ) and R nr_i have the same notation. In the PV operation, the above formulas (1) to (3) are expressed as the following formulas (1 PV ) to (3 PV ). Here, as described above, the external light absorbing carrier generation rate R sun — i has already been obtained.
各サブセルについて、LED動作時の式(1LED)〜(3LED)のネットのキャリア発生レート(左辺)と、PV動作時の式(1PV)〜(3PV)のネットのキャリア発生レート(左辺)とが等しくなるような条件を考えることにより、LED動作時の注入電流密度JLEDと、PV動作時の取出電流密度JPVとを対応させることができる。 For each subcell, the net carrier generation rate (left side) of the equations (1 LED ) to (3 LED ) during LED operation and the net carrier generation rate of the equations (1 PV ) to (3 PV ) during PV operation ( by considering the above condition left) and are equal, the injected current density J LED at LED operation and obtained current density J PV during PV operation can correspond.
まず、トップサブセルSC1について、JLED/q=Rsun_1+JPV/qという関係を満たすように、JPVをJLEDと対応させることができる。 First, the top sub-cell SC 1, so as to satisfy the relationship of J LED / q = R sun_1 + J PV / q, it is possible to correspond to J PV and J LED.
そして、JPVに対応するJLEDのときのRext_1→0[JLED](Rext_i→0[JLED,0,0,0])を参照することにより、JPVに対応するRext_i→0[JPV](Rext_i→0[JPV,Rsun_1,Rsun_2,Rsun_3])を求めることができる。このようにして、LED動作時の注入電流密度JLEDの関数として得られていた輻射再結合損失レートRext_1→0から、取出電流密度JPVの関数として輻射再結合損失レートRext_1→0を得ることができる。さらに、同様にして、取出電流密度JPVの関数として、輻射再結合損失レートRext_1→2、および、非輻射再結合損失レートRnr_1を得ることができる。 Then, R ext_1 → 0 when the J LED corresponding to J PV [J LED] (R ext_i → 0 [J LED, 0,0,0]) by reference to, R ext_i corresponding to J PV → 0 [J PV] (R ext_i → 0 [J PV, R sun_1, R sun_2, R sun_3]) can be determined. Thus, the radiative recombination losses were obtained as a function of the injection current density J LED at LED operation rate R ext_1 → 0, the radiative recombination losses rate R ext_1 → 0 as a function of the obtained current density J PV Can be obtained. Further, similarly, the radiation recombination loss rate R ext — 1 → 2 and the non-radiation recombination loss rate R nr — 1 can be obtained as a function of the extraction current density J PV .
ミドルサブセルSC2については、JLED/q+Rext_1→2[JLED]=Rsun_2+JPV/q+Rext_1→2[JPV]という関係を満たすように、JPVをJLEDと対応させることができる。ここで、上述のように、トップサブセルSC1についての物理量であるRext_1→2[JLED]やRext_1→2[JPV]は、既に得られている。 The middle sub-cell SC 2, J LED / q + R ext_1 → 2 [J LED] = R sun_2 + J PV / q + R ext_1 → 2 so as to satisfy the relationship of [J PV], can correspond to J PV and J LED . Here, as described above, R ext — 1 → 2 [J LED ] and R ext — 1 → 2 [J PV ], which are physical quantities for the top subcell SC 1 , have already been obtained.
ミドルサブセルSC2についても、JPVとJLEDとの対応関係が得られることにより、JLEDの関数として得られていた輻射再結合損失レートRext_2→0、輻射再結合損失レートRext_2→3、および、非輻射再結合損失レートRnr_2から、JPVの関数として輻射再結合損失レートRext_2→0、輻射再結合損失レートRext_2→3、および、非輻射再結合損失レートRnr_2を得ることができる。 Also for the middle subcell SC 2 , by obtaining the correspondence between J PV and J LED , the radiation recombination loss rate R ext — 2 → 0 and the radiation recombination loss rate R ext — 2 → 3 obtained as a function of J LED are obtained. , and are obtained from the non-radiative recombination losses rate R Nr_2, radiative recombination losses as a function of J PV rate R ext_2 → 0, radiative recombination losses rate R ext_2 → 3, and the non-radiative recombination losses rate R Nr_2 be able to.
さらに、他のサブセルについても同様にして、各項の物理量をJPVの関数として決定することができる。 Further, in the same manner for the other sub-cells, the physical quantity of each term can be determined as a function of J PV.
以上説明したように、各サブセルについて、LED動作時の注入電流密度JLEDごとのEL絶対強度測定に基づき、キャリアバランス中の各項をJLEDに応じた量として求めることができる。そして、JLEDに応じた量として得られたキャリアバランス中の各項に基づき、PV動作時の取出電流密度JPVに応じた量として、キャリアバランス中の各項を求めることができる。 As described above, for each sub-cell, based on the EL absolute intensity measurement of each injection current density J LED at LED operation, each term in the carrier balance can be obtained as an amount corresponding to the J LED. Then, based on each term in carrier balance obtained as an amount corresponding to the J LED, as an amount corresponding to the obtained current density J PV during PV operation, it is possible to obtain the terms in carrier balance.
各サブセルSCiについて、取出電流密度JPVの関数として、キャリアバランス中の各項が求められると、他の様々な物理量、例えば、PV動作時における外部発光量子効率yext_i等を求めることができ、光電池の様々な特性を評価することができる。 For each subcell SC i , when each term in the carrier balance is obtained as a function of the extraction current density J PV , other various physical quantities, for example, the external light emission quantum efficiency y ext_i at the time of PV operation can be obtained. Various characteristics of the photovoltaic cell can be evaluated.
外部発光量子効率yext_iは、ネットのキャリア損失レート(=ネットのキャリア発生レート)に対する、光電池外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートRext_i→0の割合として定義される。すなわち、各サブセルSCiのPV動作時における外部発光量子効率yext_i[JPV](yext_i[JPV,Rsun_1,Rsun_2,Rsun_3])は、以下のような式(1y)〜(3y)で表される。 The external light emission quantum efficiency y ext — i is defined as the ratio of the radiation recombination loss rate R ext — i → 0 corresponding to the light emission to the outside of the photovoltaic cell with respect to the net carrier loss rate (= net carrier generation rate). That is, the external emission quantum efficiency y ext_i [J PV] (y ext_i [J PV, R sun_1, R sun_2, R sun_3]) during PV operation of each subcell SC i, the following equation (1 y) like ~ It is represented by (3 y ).
図4に、実施例による光電池のトップサブセル(Top)、ミドルサブセル(Mid)、およびボトムサブセル(Bot)のPV動作時における外部発光量子効率yextを、取出電流密度JPVの関数として示す。 4, the top sub-cell of the photovoltaic cell according to Example (Top), a middle subcell (Mid), and Botomusabuseru the external light emission quantum efficiency y ext at PV operation of (Bot), as a function of the obtained current density J PV.
ここで、図4に示した結果の導出において、ボトムサブセルの下側には全反射ミラーが存在する境界条件を仮定して、Rext_3→S=0、すなわち、ボトムサブセルから直下のサブセルへの光放出に対応する輻射再結合損失が存在しないとした。 Here, in the derivation of the result shown in FIG. 4, assuming the boundary condition in which a total reflection mirror exists below the bottom subcell, R ext — 3 → S = 0, that is, from the bottom subcell to the subcell immediately below It was assumed that there was no radiation recombination loss corresponding to light emission.
以下、光電池のPV動作時における種々の特性を評価した分析例として、(A)各サブセルおよび全サブセル(セル全体)の電流電圧特性の評価、(B)各サブセルの損失内訳の評価、(C)キャリアバランスおよびルミネッセンス結合割合の評価、および(D)各サブセルの材料品質(内部発光量子効率yint_i)の評価について説明する。 Hereinafter, as analysis examples for evaluating various characteristics of PV cells during PV operation, (A) evaluation of current-voltage characteristics of each subcell and all subcells (entire cell), (B) evaluation of loss breakdown of each subcell, (C ) Evaluation of carrier balance and luminescence coupling ratio, and (D) Evaluation of material quality (internal emission quantum efficiency y int — i ) of each subcell will be described.
(A)各サブセルおよび全サブセル(セル全体)の電流電圧特性の評価
上式(1)〜(3)において、非輻射再結合損失レートRnr_iがゼロの理想的な場合(輻射限界)においては、サブセルSCiの外部発光量子効率yext_i rad[JPV]や、このときにサブセルSCiにかかる電圧Vi rad[JPV]が、先行研究論文により定式化され、与えられている。具体的には、外部発光量子効率yext_i rad[JPV]および電圧Vi rad[JPV]は、詳細平衡関係式およびショックレーの半導体基礎方程式に基づいて算出することができる。
(A) Evaluation of current-voltage characteristics of each subcell and all subcells (entire cell) In the above formulas (1) to (3), in the ideal case where the non-radiative recombination loss rate Rnr_i is zero (radiation limit) , external light emission quantum efficiency y ext_i rad [J PV] and subcells SC i, this time subcell SC i voltage according to V i rad [J PV] to, is formulated by the prior research papers are given. Specifically, the external emission quantum efficiency y ext_i rad [J PV] and the voltage V i rad [J PV] can be calculated based on the semiconductor basic equations detailed equilibrium expressions and Shockley.
輻射限界における外部発光量子効率yext_i rad[JPV]および電圧Vi rad[JPV]と、上述のように実際の光電池に対して求められた外部発光量子効率yext_i[JPV]とを用いて、サブセルSCiの非輻射再結合損失に起因する電圧劣化ΔVi[JPV]、および、実際にサブセルSCiにかかる電圧Vi[JPV]は、以下のような式により決定される。ここで、kBはボルツマン定数、Tは絶対温度である。 An external light emission quantum efficiency y ext_i rad [J PV] and the voltage V i rad [J PV] in radiation limits, the external light emission quantum efficiency y Ext_i determined for the actual photovoltaic cell as described above [J PV] used, subcell SC i nonradiative recombination losses due to voltage deterioration [Delta] V i of [J PV], and the voltage according to the actual subcell SC i V i [J PV] is determined by the following expression like The Here, k B is a Boltzmann constant, and T is an absolute temperature.
図5(A)は、実施例による光電池のPV動作時における電流電圧特性を示すグラフである。縦軸は、取出電流密度の大きさ|JPV|をmA/cm2単位で示す。横軸は、各サブセルまたは全サブセル(セル全体)にかかる電圧を、V単位で示す。トップサブセル(Top)、ミドルサブセル(Mid)、ボトムサブセル(Bot)の電流電圧特性およびセル全体(Total)の電流電圧特性、すなわち、取出電流密度JPVに応じて各サブセルSCiにかかる電圧Vi[JPV]およびセル全体にかかる電圧V[JPV]を、実線で示す。セル全体にかかる電圧V[JPV]は、各サブセルSCiにかかる電圧の和(V1[JPV]+V2[JPV]+V3[JPV])として求められている。輻射限界における全サブセルの電流電圧特性を点線で示す。AM0条件で実際に伝導測定によって測定された電流電圧特性を白抜きの丸のプロットで示している。 FIG. 5A is a graph showing the current-voltage characteristics during PV operation of the photovoltaic cell according to the example. The vertical axis represents the magnitude | J PV | of the extraction current density in units of mA / cm 2 . The horizontal axis indicates the voltage applied to each subcell or all subcells (entire cell) in V units. Top subcell (Top), a middle subcell (Mid), current-voltage characteristics of Botomusabuseru entire current-voltage characteristics and cell (Bot) (Total), i.e., the voltage V applied to each subcell SC i in accordance with the obtained current density J PV i [ JPV ] and the voltage V [ JPV ] applied to the entire cell are indicated by solid lines. Voltage applied to the entire cell V [J PV] is obtained as the sum of the voltage applied to each subcell SC i (V 1 [J PV ] + V 2 [J PV] + V 3 [J PV]). The current-voltage characteristics of all subcells at the radiation limit are indicated by dotted lines. The current-voltage characteristics actually measured by the conduction measurement under the AM0 condition are shown by white circle plots.
各サブセル(Top、Mid、Bot)の電流電圧特性の和として算出されたセル全体(Total)の電流電圧特性は、実測された電流電圧特性と極めて良く一致することが分かる。このように、本実施形態の光電池の評価方法によれば、各サブセルの電流電圧特性を算出することができ、さらに、各サブセルの電流電圧特性からセル全体の電流電圧特性を算出することができる。 It can be seen that the current-voltage characteristics of the entire cell (Total) calculated as the sum of the current-voltage characteristics of the subcells (Top, Mid, Bot) agree very well with the measured current-voltage characteristics. Thus, according to the photovoltaic cell evaluation method of the present embodiment, the current-voltage characteristics of each subcell can be calculated, and further, the current-voltage characteristics of the entire cell can be calculated from the current-voltage characteristics of each subcell. .
上述のように得られた電流電圧特性に基づいて、輻射極限開放電圧Vocrad、輻射極限開放電圧Vocradからの開放電圧のずれΔVoc、開放電圧Voc、短絡電流密度Jsc、最大出力条件での電流密度(最大出力動作電流密度)Jm、最大出力条件での電圧(最大出力動作電圧)Vm、フィルファクターFF、効率ηscを算出した。 Based on the current-voltage characteristics obtained as described above, the radiation open-circuit voltage Voc rad , the open-circuit voltage deviation ΔVoc from the radiation limit open-circuit voltage Voc rad , the open-circuit voltage Voc, the short-circuit current density Jsc, the current under the maximum output condition The density (maximum output operating current density) Jm, the voltage under the maximum output condition (maximum output operating voltage) Vm, the fill factor FF, and the efficiency ηsc were calculated.
図5(B)の表に、これらの値をまとめて示すとともに、各サブセルのELスペクトルのピークエネルギー(バンドギャップエネルギー)Eem、および、ELスペクトルのピークエネルギーにおけるPV動作時の外部量子効率EQE@emを示す。また、比較のため、表の最下行に、AM0条件で実際に伝導測定によって測定された電流電圧特性から求めた諸値を示す。 In the table of FIG. 5B, these values are shown together, and the peak energy (bandgap energy) Eem of the EL spectrum of each subcell and the external quantum efficiency EQE @ during PV operation at the peak energy of the EL spectrum are shown. em. For comparison, values obtained from current-voltage characteristics actually measured by conduction measurement under the AM0 condition are shown in the bottom row of the table.
本分析により、例えば以下のようなことが分かる。セル全体としての開放電圧Vocは、2.63Vと見積もられ、この内訳として、トップ・ミドル・ボトムサブセルの寄与は、それぞれ、1.36V、1.01V、0.26Vである。非輻射再結合損失に起因する開放電圧Vocの低下分ΔVocは、セル全体として0.46Vと見積もられ、この内訳として、トップ・ミドル・ボトムサブセルの寄与は、それぞれ、0.12V、0.07V、0.27Vである。また、本実施形態の評価方法で見積もられた諸値と、実測値とは、良く一致している。 This analysis reveals the following, for example. The open-circuit voltage Voc of the entire cell is estimated to be 2.63V, and as a breakdown, the contributions of the top, middle, and bottom subcells are 1.36V, 1.01V, and 0.26V, respectively. The decrease ΔVoc of the open circuit voltage Voc due to the non-radiative recombination loss is estimated to be 0.46 V for the entire cell. As a breakdown, the contributions of the top, middle, and bottom subcells are 0.12 V,. 07V and 0.27V. In addition, the various values estimated by the evaluation method of the present embodiment are in good agreement with the actual measurement values.
上述のように、本実施形態の光電池の評価方法によれば、セル全体の電流電圧特性を、サブセルの電流電圧特性から見積もることができる。したがって、セル全体についての電流電圧特性を予め実測しておく必要がない。また、セル全体の電流電圧特性を、サブセルの電流電圧特性から見積もられた値と実測値とで比較することができ、両者の差異を分析することが可能となる。両者の差異は、サブセル間のトンネル接合や電極、回路の直列抵抗、電圧オフセット等の寄与として分析することができる。 As described above, according to the photovoltaic cell evaluation method of the present embodiment, the current-voltage characteristics of the entire cell can be estimated from the current-voltage characteristics of the subcells. Therefore, it is not necessary to measure the current-voltage characteristics of the entire cell in advance. In addition, the current-voltage characteristics of the entire cell can be compared with the values estimated from the current-voltage characteristics of the subcells and the measured values, and the difference between the two can be analyzed. The difference between the two can be analyzed as the contribution of tunnel junctions and electrodes between subcells, series resistance of the circuit, voltage offset, and the like.
(B)各サブセルの損失内訳の評価
PV動作時のキャリアバランス(式(1PV)〜(3PV))に基づいて、各サブセルにおけるキャリアの全ての再結合損失レートを得ることできる。また、評価(A)で説明したようにして、電流電圧関係を得ることができる。再結合損失レートおよび電流電圧関係に基づいて、入力と損失と出力のバランスを示すパワーバランスシートを作成することができ、各項目の寄与を分析、評価することができる。
(B) Evaluation of Loss Breakdown of Each Subcell Based on the carrier balance during PV operation (formulas (1 PV ) to (3 PV )), all the recombination loss rates of carriers in each subcell can be obtained. Further, the current-voltage relationship can be obtained as described in the evaluation (A). Based on the recombination loss rate and the current-voltage relationship, a power balance sheet showing the balance of input, loss, and output can be created, and the contribution of each item can be analyzed and evaluated.
ここでは、図6(A)に示すような、最大出力条件(JPV=JmかつV=Vm)におけるパワーバランスシートを作成した。図6(A)は、各項目の値を、絶対値(mW/cm2)で示している。 Here, as shown in FIG. 6 (A), it was created power balance sheet at the maximum output condition (J PV = Jm and V = Vm). FIG. 6A shows the value of each item as an absolute value (mW / cm 2 ).
損失(Loss)は、表中に、「Thermalization」、「Emission to Air」、「Emission to Sub」、「Non-rad. recombi」、および「Junction Loss」の項目に分けて示されている。上述のように、キャリアの再結合損失レートは、輻射再結合損失レートと、非輻射再結合損失レートとに分けられ、輻射再結合損失レートは、光電池の上方空間への光放出に関する再結合損失レートと、下方のサブセルへの光放出に関する再結合損失レートとに分けられる。光電池上方空間への光放出に関する再結合損失レート、下方のサブセルへの光放出に関する再結合損失レート、非輻射再結合損失レートのそれぞれを、パワーに換算したものが、それぞれ、「Emission to Air」、「Emission to Sub」、「Non-rad. recombi」と示した損失である。 The loss (Loss) is shown in the table divided into items of “Thermalization”, “Emission to Air”, “Emission to Sub”, “Non-rad. Recombi”, and “Junction Loss”. As described above, the carrier recombination loss rate is divided into a radiative recombination loss rate and a non-radiative recombination loss rate, and the radiative recombination loss rate is the recombination loss related to light emission into the space above the photovoltaic cell. The rate and the recombination loss rate for light emission to the lower subcell. Recombination loss rate for light emission into the space above the photovoltaic cell, recombination loss rate for light emission to the lower subcell, and non-radiative recombination loss rate converted to power, respectively, "Emission to Air" , “Emission to Sub” and “Non-rad. Recombi”.
「Thermalization」は、バンドギャップエネルギー以上のエネルギーを有する入射光が、バンドギャップエネルギーまでエネルギーを下げて利用されることによる損失である。「Junction Loss」は、各サブセルのバンドギャップエネルギーに対応する電圧と最大出力動作電圧Vmとの差に相当する損失である。 “Thermalization” is a loss due to the fact that incident light having energy equal to or higher than the band gap energy is used with the energy lowered to the band gap energy. “Junction Loss” is a loss corresponding to the difference between the voltage corresponding to the band gap energy of each subcell and the maximum output operating voltage Vm.
入力(Input)は、表中に、「AM0 sun」、「Luminescent Coupling」の項目に分けて示されている。「AM0 sun」は、AM0の太陽光の吸収によるキャリア発生レートをパワーに換算したものである。「Luminescent Coupling」は、上方のサブセルからの光入射に伴うルミネッセンス結合によるキャリア発生レートをパワーに換算したものである。 In the table, “Input” is divided into items “AM0 sun” and “Luminescent Coupling”. “AM0 sun” is obtained by converting the carrier generation rate by absorption of sunlight of AM0 into power. “Luminescent Coupling” is obtained by converting a carrier generation rate by luminescence coupling accompanying light incidence from an upper subcell into power.
AM0の太陽光の照射パワーは135mW/cm2である。太陽光の照射パワー全体と、全サブセルへの入力分との差が、いわゆる透過損失(「Transmission Loss」)となる。 The irradiation power of sunlight of AM0 is 135 mW / cm 2 . The difference between the total irradiation power of sunlight and the input to all subcells is the so-called transmission loss (“Transmission Loss”).
出力(Output)は、表中の「IV output」の項目に示されており、各サブセル、セル全体にそれぞれかかる最大出力動作電圧Vmに、最大出力動作電流密度Jmの絶対値を乗じたものである。 The output (Output) is shown in the item of “IV output” in the table, and is obtained by multiplying the maximum output operating voltage Vm applied to each subcell and the entire cell by the absolute value of the maximum output operating current density Jm. is there.
図6(B)は、図6(A)に示したパワーバランスシートの各項目の値を、AM0の太陽光の照射パワー135mW/cm2を1とした割合で示したものである。 FIG. 6B shows the value of each item of the power balance sheet shown in FIG. 6A in a ratio where the AM0 sunlight irradiation power of 135 mW / cm 2 is 1.
本分析により、例えば以下のようなことが分かる。最大出力条件において、輻射再結合損失(「Emission to Air」および「Emission to Sub」)は、無視できるほど小さい。全体を100%とした太陽光パワー(「AM0 sun」)は、セル全体において、透過損失(「Transmission Loss」)が26.4%、熱化損失(「Thermalization」)が18.5%、非輻射再結合損失(「Non-rad. recombi」)が6.8%、接合損失(「Junction Loss」)が19.6%、太陽電池出力(「IV output」)が28.7%のように配分されている。つまり、全体の太陽電池効率ηscは、28.7%と見積もられる。そして、全体の太陽電池効率28.7%の内訳として、トップ・ミドル・ボトムサブセルの寄与は、それぞれ15.2%、10.7%、2.8%である。 This analysis reveals the following, for example. At maximum power conditions, the radiation recombination losses (“Emission to Air” and “Emission to Sub”) are negligibly small. Solar power ("AM0 sun") with 100% overall is 26.4% for transmission loss ("Thermalization") and 18.5% for thermal loss ("Thermalization"). Radiation recombination loss (“Non-rad. Recombi”) is 6.8%, junction loss (“Junction Loss”) is 19.6%, solar cell output (“IV output”) is 28.7%, etc. Allocated. That is, the overall solar cell efficiency ηsc is estimated to be 28.7%. As a breakdown of the overall solar cell efficiency of 28.7%, the contributions of the top, middle, and bottom subcells are 15.2%, 10.7%, and 2.8%, respectively.
(C)キャリアバランスおよびルミネッセンス結合割合の評価
PV動作時のキャリアバランス(式(1PV)〜(3PV))に基づいて、キャリアの発生と損失のバランスを示すキャリアバランスシートを作成することができ、各項目の寄与を分析、評価することができる。
(C) Evaluation of carrier balance and luminescence coupling ratio Based on the carrier balance at the time of PV operation (formulas (1 PV ) to (3 PV )), a carrier balance sheet indicating the balance between generation of carriers and loss can be created. It is possible to analyze and evaluate the contribution of each item.
ここでは、図7(A)および図7(B)に示すような、開放回路条件(JPV=0かつV=Voc)におけるキャリアバランスシートと、図7(C)および図7(D)に示すような、最大出力条件(JPV=JmかつV=Vm)におけるキャリアバランスシートとを作成した。図7(A)および図7(C)は、各項目の値を、絶対値(mA/cm2)で示している。なお、図7(A)および図7(C)のキャリアバランスシートは、キャリア個数についての発生・損失レートそのものではなく、電荷素量qを乗じて電流密度の単位で表している。図7(B)および図7(D)は、それぞれ、図7(A)および図7(C)のキャリアバランスシートの各項目の値を、各サブセルへの太陽光による入力を1とした割合で示したものである。 Here, as shown in FIG. 7 (A) and FIG. 7 (B), the carrier balance sheet in the open circuit condition (J PV = 0 and V = Voc), in FIG. 7 (C) and FIG. 7 (D) As shown, a carrier balance sheet under maximum output conditions (J PV = Jm and V = Vm) was prepared. FIG. 7 (A) and FIG. 7 (C) show the value of each item as an absolute value (mA / cm 2 ). Note that the carrier balance sheets in FIGS. 7A and 7C are expressed in units of current density by multiplying the elementary charge q, not the generation / loss rate itself for the number of carriers. FIG. 7B and FIG. 7D show the ratio of each item of the carrier balance sheet in FIG. 7A and FIG. 7C with 1 as the input by sunlight to each subcell. It is shown by.
「AM0 sun」、「Luminescent Coupling」は、上述の評価(B)で説明した同名の項目に対応するキャリア発生レートである。「Emission to Air」、「Emission to Sub」、「Non-rad. recombi」は、上述の評価(B)で説明した同名の項目に対応するキャリア損失レートである。「Current@Voc」、「Current@Vm」は、それぞれ、開放回路条件、最大出力条件における取出電流密度である。 “AM0 sun” and “Luminescent Coupling” are carrier generation rates corresponding to the items of the same name described in the evaluation (B) above. “Emission to Air”, “Emission to Sub”, and “Non-rad. Recombi” are carrier loss rates corresponding to the items of the same name explained in the evaluation (B) above. “Current @ Voc” and “Current @ Vm” are extraction current densities under open circuit conditions and maximum output conditions, respectively.
本分析により、例えば以下のようなことが分かる。開放回路条件においては、トップサブセルからミドルサブセルへのルミネッセンス結合は1%程度、ミドルサブセルからボトムサブセルへのルミネッセンス結合は10%程度の寄与がある。最大出力条件においては、ルミネッセンス結合は0.1%以下と小さく、電流出力に寄与しなかったキャリアは、殆ど非輻射再結合により消失している。 This analysis reveals the following, for example. Under open circuit conditions, the luminescence coupling from the top subcell to the middle subcell contributes about 1%, and the luminescence coupling from the middle subcell to the bottom subcell contributes about 10%. Under the maximum output condition, the luminescence coupling is as small as 0.1% or less, and most of the carriers that have not contributed to the current output disappear due to non-radiative recombination.
(D)各サブセルの材料品質(内部発光量子効率yint_i)の評価
外部発光量子効率yext_iは、各サブセルの非輻射再結合ロスの大小を反映しているが、材料品質の良い指標にはなっていない。これは、材料品質が同じであっても、各サブセルの膜厚や表面反射率などの構造パラメータが異なる場合、yext_iは異なる値になってしまうからである。太陽電池等の光電池の性能向上を目指す開発においては、材料の品質を、構造パラメータと分離して定量できることが望ましい。
(D) Evaluation of material quality of each subcell (internal emission quantum efficiency y int — i ) The external emission quantum efficiency y ext — i reflects the magnitude of the non-radiative recombination loss of each sub cell. is not. This is because, even if the material quality is the same, y ext_i will have a different value if the structural parameters such as the film thickness and surface reflectance of each subcell are different. In development aimed at improving the performance of photovoltaic cells such as solar cells, it is desirable to be able to quantify the quality of the material separately from the structural parameters.
各サブセルの材料品質を評価するため、内部発光量子効率yint_iを指標として用いることができる。内部発光量子効率yint_iは、材料の単位体積当たりの量であり、後述の式(13)に示すように、各サブセルの内部の輻射再結合損失レートと非輻射再結合損失レートとの和に対する輻射再結合損失レートの比として定義される(各レートに膜の厚みをかけることにより、単位面積当たりの量として表現することも可能である)。 In order to evaluate the material quality of each subcell, the internal light emission quantum efficiency y int — i can be used as an index. The internal light emission quantum efficiency y int — i is an amount per unit volume of the material, and is expressed by the sum of the radiation recombination loss rate and the non-radiation recombination loss rate inside each subcell, as shown in Equation (13) described later. It is defined as the ratio of the radiative recombination loss rate (it can also be expressed as an amount per unit area by multiplying each rate by the thickness of the film).
我々は、すでに、PV動作時における各サブセルの外部発光量子効率yext_iを、取出電流密度JPVの関数として得た。我々は、yext_iと、図3に示すEQEPV測定結果および反射率測定結果を用いて、内部発光量子効率yint_iを算出することを提案する。これによって、各サブセルの材料品質を定量することができるようになる。 We have already obtained the external emission quantum efficiency y ext — i of each subcell during PV operation as a function of the extraction current density J PV . We propose to calculate the internal emission quantum efficiency y int — i using y ext — i and the EQE PV measurement result and the reflectance measurement result shown in FIG. 3. This makes it possible to quantify the material quality of each subcell.
内部発光量子効率yint_iと外部発光量子効率yext_iとを関係づけるには、次の一般式(4)、(5)あるいは(6)を用いればよい。
In order to relate the internal light emission quantum efficiency y int — i and the external light emission quantum efficiency y ext — i, the following general formula (4), (5), or (6) may be used.
式(4)〜(6)において、αi、li、niは、それぞれ、i層(サブセルSCi)の吸収係数、厚み、屈折率を表す。a0→i、ai+1→iは、空気側及び(i+1)層側の角度平均の吸収率を表す。上線は、発光エネルギー帯における平均値を表す。なお、αi、a0→i、ai+1→iの発光エネルギー帯における平均値は、後述の式(15)〜(17)で定義される。 In the formula (4) ~ (6), α i, l i, n i respectively represent the absorption coefficient of the i layer (subcells SC i), the thickness, the refractive index. a 0 → i and a i + 1 → i represent the angle-average absorption ratios on the air side and the (i + 1) layer side. The upper line represents the average value in the emission energy band. In addition, the average value in the emission energy band of α i , a 0 → i , a i + 1 → i is defined by equations (15) to (17) described later.
空気側半球についての吸収率の角度平均a0→iおよび(i+1)層側半球についての吸収率の角度平均ai+1→iは、入射角θに依存する吸収率a0→i[θ]、ai+1→i[θ]を用いて、
と表される。なお、(i+1)層側半球角度平均は、全反射時はai+1→i[θ]=0となる。
The angle average a 0 → i of the absorptance for the air side hemisphere and the angle average a i + 1 → i of the absorptance for the (i + 1) layer side hemisphere are the absorptance a 0 → i [θ] depending on the incident angle θ. Using a i + 1 → i [θ],
It is expressed. Note that the (i + 1) layer side hemispherical angle average is a i + 1 → i [θ] = 0 at the time of total reflection.
a0→i[θ]、ai+1→i[θ]は、通常の薄膜の吸収率の理論により得られ、
と表される。ここで、r0→i[θ]とri+1→i[θ]は、空気側及び(i+1)層側からみた反射率を表す。
a 0 → i [θ], a i + 1 → i [θ] are obtained by the theory of the absorption rate of a normal thin film,
It is expressed. Here, r 0 → i [θ] and r i + 1 → i [θ] represent the reflectance as viewed from the air side and the (i + 1) layer side.
一般式(4)〜(6)は、以下のようにして導出される。 The general formulas (4) to (6) are derived as follows.
yint_iは、定義より、
と表される。Rint_iは、各サブセルSCiの内部の輻射再結合損失レートである。なお、チルダ(〜)は、単位体積当りの量であることを示している。
y int_i is
It is expressed. R int — i is the radiation recombination loss rate inside each subcell SC i . Note that tilde (˜) indicates an amount per unit volume.
yext_iは、定義より、
と表される。
y ext_i is defined as
It is expressed.
Rintは、Van Roosbroeckの式(15)により表される。
R int is expressed by the Van Roosbroeck equation (15).
Rextは、プランクの公式(16)、(17)により表される。
R ext is expressed by Planck's formulas (16) and (17).
式(15)〜(17)より、
であり、
式(13)、(14)より、
である。
From the equations (15) to (17),
And
From equations (13) and (14),
It is.
式(18)、(19)より、
が得られ、式(4)〜(6)が得られる。
From equations (18) and (19),
Is obtained, and equations (4) to (6) are obtained.
次に、外部発光量子効率yext_iから内部発光量子効率yint_iを得る具体的な方法について説明する。もし、αi、li、ni、r0→i[θ]、ri+1→i[θ]などの構造パラメータがすべてわかっている場合は、それらを用いて式(7)〜(12)の計算を行って、a0→iやai+1→iをまず計算し、式(4)〜(6)を用いて、yext_iからyint_iを計算すればよい。 Next, a specific method for obtaining the internal light emission quantum efficiency y int — i from the external light emission quantum efficiency y ext — i will be described. If structural parameters such as α i , l i , n i , r 0 → i [θ], r i + 1 → i [θ] are all known, the equations (7) to (12) are used. Then, a 0 → i and a i + 1 → i are first calculated, and y int — i is calculated from y ext — i using equations (4) to (6).
一方、これらの構造パラメータがわかっていない場合には、次のようにパラメータを決定することができる。ELスペクトル測定から、各サブセルのバンドギャップエネルギーEemiを決定することにより、各サブセルの材料の組成を推定して、対応するniを求める。niとni+1とからri+1→i[θ]が決定できる。EQEPV測定からa0→i[θ=0]を得て、空気側からの反射率測定によりr0→i[θ=0]を決め、式(9)より、αiとliとの積であるαiliの値を見積もる。r0→i[θ]を、測定により、あるいはr0→i[θ=0]をもとに推定により得て、a0→i[θ]およびai+1→i[θ]を算出する。ここから、a0→iやai+1→iを計算する。こうして得たパラメータを式(4)〜(6)に用いて、yext_iからyint_iを計算することができる。 On the other hand, when these structural parameters are not known, the parameters can be determined as follows. By determining the band gap energy Eem i of each subcell from the EL spectrum measurement, the composition of the material of each subcell is estimated and the corresponding n i is determined. From n i and n i + 1 , r i + 1 → i [θ] can be determined. A 0 → i [θ = 0] is obtained from the EQE PV measurement, r 0 → i [θ = 0] is determined by the reflectance measurement from the air side, and α i and l i are determined from the equation (9). Estimate the value of α i l i which is the product. r 0 → i [θ] is obtained by measurement or estimation based on r 0 → i [θ = 0], and a 0 → i [θ] and a i + 1 → i [θ] are calculated. From here, a0 → i and ai + 1 → i are calculated. Y int — i can be calculated from y ext — i using the parameters obtained in this way in equations (4) to (6).
なお、niとni+1とが近い値のためri+1→i[θ]=0とみなせ、また、表面反射防止コーティングによりr0→i[θ]=0とみなせ、膜が厚くてαiの発光エネルギー帯における平均値とliとの積>>1であり、Eemi>Eemi+1に対応してni<ni+1となっている場合には、式(4)は、
のように簡単化される。
Incidentally, regarded as n i and n r for the i + 1 and has a value close i + 1 → i [θ] = 0, also regarded as r 0 → i [θ] = 0 with a surface anti-reflection coating, thick film alpha i When the product of the average value and l i in the emission energy band is >> 1, and n i <n i + 1 corresponding to Eem i > Eem i + 1 , the equation (4) is
It is simplified as follows.
図8(A)のグラフは、上記の方法を用いて算出した、LED動作時およびPV動作時の各サブセルの内部発光量子効率yint_iの絶対値を示す。LED動作の低注入電流領域では、いずれのサブセルも低い内部発光量子効率yint_iを示したが、高注入電流領域では、トップ・ミドル・ボトムサブセルのyint_iは、それぞれ5%、56%、0.3%程度の値を示した。 The graph in FIG. 8A shows the absolute value of the internal light emission quantum efficiency y int — i of each subcell during LED operation and PV operation, calculated using the above method. In the low injection current region of the LED operation, all the subcells showed low internal light emission quantum efficiency y int_i , but in the high injection current region, y int_i of the top, middle, and bottom sub cells was 5%, 56%, and 0, respectively. A value of about 3% was shown.
図8(B)の表に、PV動作時における、JPV=0かつV=Voc(開放回路条件)のとき、およびJPV=JmかつV=Vm(最大出力条件)のときの外部発光量子効率yext_iおよび内部発光量子効率yint_iの絶対値を示す。開放回路条件(@Vocと示す)は、LED動作時の高注入電流領域に近く、トップ・ミドル・ボトムサブセルのyint_iは、それぞれ5%、56%、0.3%程度の値を示した。特に、ミドルサブセルのGaAs材料のyint_iは、56%と高い値である。しかし、最大出力条件(@Vmと示す)は、LED動作時の低注入電流領域に近い。このとき、トップ・ミドル・ボトムサブセルのyint_iは、それぞれ1.4%、5.6%、0.3%程度の低い値であることが分かった。このことは、材料の結晶品質の改善により、太陽電池効率の向上の余地が残されていることを意味する。 The table of FIG. 8B shows the external light emission quanta when J PV = 0 and V = Voc (open circuit condition) and when J PV = Jm and V = Vm (maximum output condition) during PV operation. The absolute values of the efficiency y ext — i and the internal light emission quantum efficiency y int — i are shown. The open circuit condition (shown as @Voc) was close to the high injection current region during LED operation, and y int_i of the top, middle, and bottom subcells showed values of about 5%, 56%, and 0.3%, respectively. . Particularly, yint_i of the GaAs material of the middle subcell is a high value of 56%. However, the maximum output condition (shown as @Vm) is close to the low injection current region during LED operation. At this time, it was found that y int — i of the top, middle, and bottom subcells were low values of about 1.4%, 5.6%, and 0.3%, respectively. This means that there is room for improvement in solar cell efficiency due to improvement in crystal quality of the material.
以上説明したように、本実施形態の光電池の評価方法によれば、例えば多接合型光電池について、各サブセルに対して測定されたEL絶対強度に基づき、各サブセルやセル全体の各種特性等を、分析、評価することができる。 As described above, according to the photovoltaic cell evaluation method of the present embodiment, for example, for a multi-junction photovoltaic cell, based on the EL absolute intensity measured for each subcell, various characteristics of each subcell and the entire cell, etc. Can be analyzed and evaluated.
なお、上述の実施例では、3つのサブセルを有する光電池、すなわち、3接合の光電池の評価について例示した。しかし、評価対象とする光電池は、3接合に限定されず、例えば2接合や4接合以上であってもよい。3接合以外の場合については、3接合の場合について上式(1)〜(3)を用いて行った解析と同様にして、サブセルの個数Nに応じたキャリアバランスの式(1)〜(N)を立てて解析を行えばよい。 In the above-described embodiment, the evaluation of a photovoltaic cell having three subcells, that is, a three-junction photovoltaic cell is illustrated. However, the photovoltaic cell to be evaluated is not limited to 3 junctions, and may be, for example, 2 junctions or 4 junctions or more. For cases other than three junctions, the carrier balance equations (1) to (N) corresponding to the number N of subcells are the same as the analysis performed using the above equations (1) to (3) for the three junction case. ).
なお、上述の実施例では、多接合型光電池の評価について例示したが、本実施形態による評価方法で評価対象とする光電池は、単接合型光電池であってもよい。ここで、単接合型光電池は、サブセルを1つのみ有する光電池と捉えることができる。つまり、本実施形態による光電池の評価方法は、少なくとも1つのサブセルを有するN接合型(Nは1以上)の光電池に対して適用できる技術ということができる。 In the above-described example, the evaluation of the multi-junction photovoltaic cell is illustrated, but the photovoltaic cell to be evaluated by the evaluation method according to the present embodiment may be a single junction photovoltaic cell. Here, the single junction photovoltaic cell can be regarded as a photovoltaic cell having only one subcell. That is, it can be said that the photovoltaic cell evaluation method according to the present embodiment can be applied to an N-junction type (N is 1 or more) photovoltaic cell having at least one subcell.
単接合型光電池の評価を行う場合は、サブセルが1つなので、例示の3接合の場合におけるトップサブセルに対応する式(1)を使って解析を行えばよい。なお、サブセルの下方側への光放出に対応する輻射再結合損失レートRext1→2は、Rext1→Sとして扱えばよい。 When evaluating a single-junction photovoltaic cell, since there is one subcell, the analysis may be performed using the equation (1) corresponding to the top subcell in the case of the three junctions illustrated. Note that the radiation recombination loss rate R ext1 → 2 corresponding to the light emission to the lower side of the subcell may be handled as R ext1 → S.
単接合型光電池は、セルが1つのサブセルのみを含むので、サブセルの電流電圧特性を伝導測定で測定することが可能ではある。ただし、伝導測定で得られた電流電圧特性には、電極、回路の直列抵抗、電圧オフセット等の影響も含まれており、サブセルを構成する半導体層の品質の適正な評価は難しい。一方、EL絶対強度に基づいて本実施形態の評価方法で求められる電流電圧特性(分析例(A)参照)によれば、サブセルの半導体層の品質を、より適正に評価できる。また、本実施形態の評価方法で見積もられた電流電圧特性と、伝導測定による電流電圧特性とを比較して、両者の差異を分析することも可能となる。さらに、本実施形態の評価方法によれば、単接合型光電池についても、キャリアバランスシート(分析例(C)参照)等を得ることができるようになる。 Since the single junction type photovoltaic cell includes only one subcell, the current-voltage characteristic of the subcell can be measured by conduction measurement. However, the current-voltage characteristics obtained by the conduction measurement include effects of electrodes, series resistance of the circuit, voltage offset, and the like, and it is difficult to appropriately evaluate the quality of the semiconductor layer constituting the subcell. On the other hand, according to the current-voltage characteristics (see Analysis Example (A)) obtained by the evaluation method of the present embodiment based on the EL absolute intensity, the quality of the semiconductor layer of the subcell can be more appropriately evaluated. It is also possible to analyze the difference between the current voltage characteristics estimated by the evaluation method of the present embodiment and the current voltage characteristics obtained by conduction measurement. Furthermore, according to the evaluation method of the present embodiment, a carrier balance sheet (see Analysis Example (C)) or the like can be obtained for a single junction type photovoltaic cell.
なお、上述の実施例では、光電池として太陽電池を例示したが、本実施形態による評価方法は、太陽以外の光源を利用する光電池の評価に用いることもできる。 In addition, although the solar cell was illustrated as a photovoltaic cell in the above-mentioned Example, the evaluation method by this embodiment can also be used for evaluation of the photovoltaic cell using light sources other than the sun.
なお、上述の実施例では、キャリアバランスを用いた解析に先立ち、LED動作時における光電池外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートを準備する(得る)ためのEL絶対強度測定も(解析を行う者が)行う例について説明した。ただし、EL絶対強度測定に基づく輻射再結合損失レート等の、解析に用いるためのデータ(情報)は、何らかの手段で準備されていれば(得られていれば)よく、例えば、解析を行う者以外の測定により提供されたものであってもよい。また例えば、解析に必要なデータを得るための測定等を行った時間や場所が、解析を行う時間や場所と、異なっていてもよい。なお、測定と解析とを同時に行えるような実施態様は、効率的である。 In the above-described embodiment, prior to analysis using carrier balance, EL absolute intensity measurement for preparing (obtaining) a radiation recombination loss rate corresponding to light emission to the outside of the photovoltaic cell during LED operation is also performed (analysis). Explained the example). However, the data (information) to be used for the analysis, such as the radiation recombination loss rate based on the EL absolute intensity measurement, may be prepared (if obtained) by some means, for example, the person who performs the analysis It may be provided by other measurement. Further, for example, the time and place where the measurement for obtaining data necessary for the analysis is performed may be different from the time and place where the analysis is performed. Note that an embodiment in which measurement and analysis can be performed simultaneously is efficient.
なお、本実施形態による光電池の評価方法は、光電池の製造工程の一工程として実施することもできる。光電池を形成し、その後、上述の実施形態による評価を行うことで、例えば、所望の特性を有する光電池が形成されているかどうか判定することができる。ここで、光電池の形成方法は、公知のどのような方法であってもよい。 The photovoltaic cell evaluation method according to the present embodiment can also be implemented as one step of the photovoltaic cell manufacturing process. By forming the photovoltaic cell and then performing the evaluation according to the above-described embodiment, for example, it can be determined whether or not the photovoltaic cell having desired characteristics is formed. Here, the method for forming the photovoltaic cell may be any known method.
以上、実施形態、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。 As mentioned above, although this invention was demonstrated along embodiment and an Example, this invention is not restrict | limited to these. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
SC1,SC2,SC3,SCi サブセル
TN12,TN23 トンネル接合
ELU,ELL 電極
ARC 反射防止層
10 光電池
20 電源
30 測定器
40 制御装置
SC 1 , SC 2 , SC 3 , SC i subcell TN 12 , TN 23 tunnel junction ELU, ELL electrode ARC antireflection layer 10 photovoltaic cell 20 power supply 30 measuring instrument 40 control device
Claims (14)
(b)前記第1のサブセルについて、ネットのキャリア発生レートとネットのキャリア損失レートとのバランスに基づき、発光ダイオード動作時の注入電流密度と光電池動作時の取出電流密度との関係を求め、前記工程(a)において発光ダイオード動作時の注入電流密度の関数として得られた輻射再結合損失レートから、光電池動作時の取出電流密度の関数として、前記第1のサブセルから前記光電池の外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートを得る工程と
を有する光電池の評価方法。 (A) The photocell having the first subcell corresponds to the absolute intensity of electroluminescence during operation of the light emitting diode, and is obtained from the first subcell as a function of the injected current density during operation of the light emitting diode. Providing a radiation recombination loss rate corresponding to light emission to
(B) For the first subcell, based on the balance between the net carrier generation rate and the net carrier loss rate, the relationship between the injection current density during light-emitting diode operation and the extraction current density during photocell operation is determined, From the radiation recombination loss rate obtained as a function of the injection current density during the operation of the light emitting diode in the step (a), the light from the first subcell to the outside of the photovoltaic cell as a function of the extraction current density during the operation of the photovoltaic cell Obtaining a radiation recombination loss rate corresponding to the emission.
請求項1に記載の光電池の評価方法。 In the step (a), a voltage is applied to a photovoltaic cell having a first subcell to operate as a light emitting diode, and an absolute intensity of electroluminescence from the first subcell is measured, whereby an injection current during operation of the light emitting diode is measured. Obtaining a radiation recombination loss rate corresponding to light emission from the first subcell to the exterior of the photovoltaic cell as a function of density;
The method for evaluating a photovoltaic cell according to claim 1.
前記工程(a)は、前記第2のサブセルを有する前記光電池の発光ダイオード動作時におけるエレクトロルミネッセンスの絶対強度に対応し、発光ダイオード動作時の注入電流密度の関数として得られた、前記第2のサブセルから前記光電池の外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートを準備する工程を含み、
前記工程(b)は、前記第2のサブセルについて、ネットのキャリア発生レートとネットのキャリア損失レートとのバランスに基づき、発光ダイオード動作時の注入電流密度と光電池動作時の取出電流密度との関係を求め、前記工程(a)において発光ダイオード動作時の注入電流密度の関数として得られた輻射再結合損失レートから、光電池動作時の取出電流密度の関数として、前記第2のサブセルから前記光電池の外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートを得る工程を含む、
請求項1または2に記載の光電池の評価方法。 The photovoltaic cell further includes a second subcell stacked on the first subcell,
The step (a) corresponds to the absolute intensity of electroluminescence during operation of the light emitting diode of the photovoltaic cell having the second subcell, and is obtained as a function of the injected current density during operation of the light emitting diode. Providing a radiation recombination loss rate corresponding to light emission from the subcell to the outside of the photovoltaic cell,
In the step (b), for the second subcell, based on the balance between the net carrier generation rate and the net carrier loss rate, the relationship between the injected current density during light-emitting diode operation and the extraction current density during photocell operation From the radiation recombination loss rate obtained as a function of the injection current density during the operation of the light emitting diode in the step (a), the function of the extraction current density during the operation of the photovoltaic cell as a function of the photovoltaic cell from the second subcell. Obtaining a radiative recombination loss rate corresponding to the light emission to the outside,
The method for evaluating a photovoltaic cell according to claim 1.
(c)前記光電池の有する少なくとも1つのサブセルについて、前記工程(b)で光電池動作時の取出電流密度の関数として得られた輻射再結合損失レートに基づき、前記光電池の光電池動作時における特性を示す少なくとも1つの物理量を算出する工程
を有する請求項1〜3のいずれか1項に記載の光電池の評価方法。 further,
(C) For at least one subcell of the photovoltaic cell, the characteristics of the photovoltaic cell during operation of the photovoltaic cell are shown based on the radiation recombination loss rate obtained as a function of the extraction current density during operation of the photovoltaic cell in the step (b). The method for evaluating a photovoltaic cell according to claim 1, further comprising a step of calculating at least one physical quantity.
(R1)当該サブセルから前記光電池の外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートと、
(R2)当該サブセルにおける非輻射再結合損失レートと
が含まれ、
前記工程(b)では、サブセルについて、
前記工程(a)で得られた前記項目(R1)の輻射再結合損失レートに基づき、発光ダイオード動作時の注入電流密度の関数として、前記項目(R2)の非輻射再結合損失レートを求め、
さらに、
発光ダイオード動作時の注入電流密度の関数として得られた前記項目(R2)の非輻射再結合損失レートから、光電池動作時の取出電流密度の関数として、前記項目(R2)の非輻射再結合損失レートを得る、請求項1〜8のいずれか1項に記載の光電池の評価方法。 As an item constituting the net carrier loss rate of the balance between the net carrier generation rate and the net carrier loss rate in the subcell used in the step (b),
(R1) a radiation recombination loss rate corresponding to light emission from the subcell to the outside of the photovoltaic cell;
(R2) includes a non-radiative recombination loss rate in the subcell,
In the step (b), for the subcell,
Based on the radiation recombination loss rate of the item (R1) obtained in the step (a), the non-radiative recombination loss rate of the item (R2) is obtained as a function of the injection current density during the operation of the light emitting diode.
further,
From the non-radiative recombination loss rate of the item (R2) obtained as a function of the injection current density during operation of the light emitting diode, the non-radiative recombination loss of the item (R2) as a function of the extraction current density during operation of the photovoltaic cell. The method for evaluating a photovoltaic cell according to claim 1, wherein a rate is obtained.
前記第1のサブセルについて、ネットのキャリア発生レートとネットのキャリア損失レートとのバランスに基づいて求められた、発光ダイオード動作時の注入電流密度と光電池動作時の取出電流密度との関係と
に基づいて、
光電池動作時の取出電流密度の関数として、前記第1のサブセルから前記光電池の外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートを得る工程
を有する光電池の評価方法。 Light from the first subcell to the outside of the photovoltaic cell, which corresponds to the absolute intensity of electroluminescence during operation of the light emitting diode of the photovoltaic cell having the first subcell, obtained as a function of the injected current density during operation of the light emitting diode Radiation recombination loss rate corresponding to emission,
Based on the relationship between the injection current density during the operation of the light emitting diode and the extraction current density during the operation of the photovoltaic cell, which is obtained based on the balance between the net carrier generation rate and the net carrier loss rate for the first subcell. And
A method for evaluating a photovoltaic cell, comprising: obtaining a radiation recombination loss rate corresponding to light emission from the first subcell to the outside of the photovoltaic cell as a function of an extraction current density during photovoltaic cell operation.
前記第1のサブセルについて、ネットのキャリア発生レートとネットのキャリア損失レートとのバランスに基づいて求められた、発光ダイオード動作時の注入電流密度と光電池動作時の取出電流密度との関係と
に基づいて、
光電池動作時の取出電流密度の関数として、前記第1のサブセルから前記光電池の外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートを得るように構成された計算装置
を有する、光電池の評価装置。 Light from the first subcell to the outside of the photovoltaic cell, which corresponds to the absolute intensity of electroluminescence during operation of the light emitting diode of the photovoltaic cell having the first subcell, obtained as a function of the injected current density during operation of the light emitting diode Radiation recombination loss rate corresponding to emission,
Based on the relationship between the injection current density during the operation of the light emitting diode and the extraction current density during the operation of the photovoltaic cell, which is obtained based on the balance between the net carrier generation rate and the net carrier loss rate for the first subcell. And
A photovoltaic evaluation device, comprising: a computing device configured to obtain a radiation recombination loss rate corresponding to light emission from the first subcell to the exterior of the photovoltaic cell as a function of extraction current density during photovoltaic operation.
前記光電池に順方向バイアスを印加する電源と、
前記光電池のエレクトロルミネッセンスの絶対強度を測定する測定器と
を有する、請求項11に記載の光電池の評価装置。 further,
A power supply for applying a forward bias to the photovoltaic cell;
The evaluation apparatus for a photovoltaic cell according to claim 11, further comprising a measuring device that measures an absolute intensity of electroluminescence of the photovoltaic cell.
前記第1のサブセルについて、ネットのキャリア発生レートとネットのキャリア損失レートとのバランスに基づいて求められた、発光ダイオード動作時の注入電流密度と光電池動作時の取出電流密度との関係と
に基づいて、
光電池動作時の取出電流密度の関数として、前記第1のサブセルから前記光電池の外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートを得る手順
をコンピュータに実行させるプログラム。 Light from the first subcell to the outside of the photovoltaic cell, which corresponds to the absolute intensity of electroluminescence during operation of the light emitting diode of the photovoltaic cell having the first subcell, obtained as a function of the injected current density during operation of the light emitting diode Radiation recombination loss rate corresponding to emission,
Based on the relationship between the injection current density during the operation of the light emitting diode and the extraction current density during the operation of the photovoltaic cell, which is obtained based on the balance between the net carrier generation rate and the net carrier loss rate for the first subcell. And
A program for causing a computer to execute a procedure for obtaining a radiation recombination loss rate corresponding to light emission from the first subcell to the outside of the photovoltaic cell as a function of an extraction current density during photovoltaic cell operation.
前記光電池の特性を評価する工程と
を有し、
前記光電池の特性を評価する工程は、
第1のサブセルを有する光電池の発光ダイオード動作時におけるエレクトロルミネッセンスの絶対強度に対応し、発光ダイオード動作時の注入電流密度の関数として得られた、前記第1のサブセルから前記光電池の外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートと、
前記第1のサブセルについて、ネットのキャリア発生レートとネットのキャリア損失レートとのバランスに基づいて求められた、発光ダイオード動作時の注入電流密度と光電池動作時の取出電流密度との関係と
に基づいて、
光電池動作時の取出電流密度の関数として、前記第1のサブセルから前記光電池の外部への光放出に対応する輻射再結合損失レートを得る工程
を有する光電池の製造方法。 Forming a photovoltaic cell;
And evaluating the characteristics of the photovoltaic cell,
The step of evaluating the characteristics of the photovoltaic cell includes:
Light from the first subcell to the outside of the photovoltaic cell, which corresponds to the absolute intensity of electroluminescence during operation of the light emitting diode of the photovoltaic cell having the first subcell, obtained as a function of the injected current density during operation of the light emitting diode Radiation recombination loss rate corresponding to emission,
Based on the relationship between the injection current density during the operation of the light emitting diode and the extraction current density during the operation of the photovoltaic cell, which is obtained based on the balance between the net carrier generation rate and the net carrier loss rate for the first subcell. And
A method of manufacturing a photovoltaic cell comprising the step of obtaining a radiation recombination loss rate corresponding to light emission from the first subcell to the outside of the photovoltaic cell as a function of an extraction current density during photovoltaic cell operation.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2014147216A JP6411801B2 (en) | 2014-05-09 | 2014-07-17 | Photocell evaluation method, photovoltaic cell evaluation apparatus, program, and photovoltaic cell manufacturing method |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2014097923 | 2014-05-09 | ||
| JP2014097923 | 2014-05-09 | ||
| JP2014147216A JP6411801B2 (en) | 2014-05-09 | 2014-07-17 | Photocell evaluation method, photovoltaic cell evaluation apparatus, program, and photovoltaic cell manufacturing method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2015228784A JP2015228784A (en) | 2015-12-17 |
| JP6411801B2 true JP6411801B2 (en) | 2018-10-24 |
Family
ID=54885946
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2014147216A Active JP6411801B2 (en) | 2014-05-09 | 2014-07-17 | Photocell evaluation method, photovoltaic cell evaluation apparatus, program, and photovoltaic cell manufacturing method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6411801B2 (en) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105915179A (en) * | 2016-04-12 | 2016-08-31 | 哈尔滨工业大学 | Wafer and solar cell photoinduced carrier radiation phase lock imaging detection method and system |
| FR3070560B1 (en) * | 2017-08-25 | 2019-09-13 | Electricite De France | METHOD FOR QUANTITATIVE ANALYSIS OF AN INSTALLATION COMPRISING A LIGHT EMITTING MODULE |
| CN109714000A (en) * | 2018-12-25 | 2019-05-03 | 苏州阿特斯阳光电力科技有限公司 | The recombination current density test method and test halftone of silicon chip surface metallized interfaces |
| CN118631170B (en) * | 2024-05-31 | 2025-09-19 | 淮安捷泰新能源科技有限公司 | A method and device for testing solar cells |
| CN120528371A (en) * | 2024-08-16 | 2025-08-22 | 隆基绿能科技股份有限公司 | A solar cell testing method and testing system |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5408109A (en) * | 1991-02-27 | 1995-04-18 | The Regents Of The University Of California | Visible light emitting diodes fabricated from soluble semiconducting polymers |
| JPH05335608A (en) * | 1992-05-29 | 1993-12-17 | Honda Motor Co Ltd | Compound semiconductor solar cell |
| US5391896A (en) * | 1992-09-02 | 1995-02-21 | Midwest Research Institute | Monolithic multi-color light emission/detection device |
| DE10047387B4 (en) * | 2000-09-25 | 2013-09-12 | GPM Geräte- und Pumpenbau GmbH Dr. Eugen Schmidt, Merbelsrod | Electrically driven coolant pump |
| US7601941B2 (en) * | 2004-11-30 | 2009-10-13 | National University Corporation NARA Institute of Science and Technology | Method and apparatus for evaluating solar cell and use thereof |
| JP2012114375A (en) * | 2010-11-26 | 2012-06-14 | Mitsubishi Electric Corp | Solar battery evaluation device and evaluation method |
| JP5694042B2 (en) * | 2011-04-28 | 2015-04-01 | 三洋電機株式会社 | Method for evaluating solar cell module and method for manufacturing solar cell module |
-
2014
- 2014-07-17 JP JP2014147216A patent/JP6411801B2/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2015228784A (en) | 2015-12-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Madan et al. | Device simulation of 17.3% efficient lead-free all-perovskite tandem solar cell | |
| Russell et al. | The influence of spectral albedo on bifacial solar cells: A theoretical and experimental study | |
| Dupré et al. | Experimental assessment of temperature coefficient theories for silicon solar cells | |
| Bi et al. | Solution processed infrared-and thermo-photovoltaics based on 0.7 eV bandgap PbS colloidal quantum dots | |
| Mailoa et al. | Energy-yield prediction for II–VI-based thin-film tandem solar cells | |
| Imran et al. | High-performance bifacial perovskite/silicon double-tandem solar cell | |
| JP6411801B2 (en) | Photocell evaluation method, photovoltaic cell evaluation apparatus, program, and photovoltaic cell manufacturing method | |
| Kim et al. | Inhomogeneous rear reflector induced hot-spot risk and power loss in building-integrated bifacial c-Si photovoltaic modules | |
| Ren et al. | The GaAs/GaAs/Si solar cell–Towards current matching in an integrated two terminal tandem | |
| Dupre et al. | Design rules to fully benefit from bifaciality in two-terminal perovskite/silicon tandem solar cells | |
| Sugiura et al. | Numerical simulation approaches of crystalline‐Si photovoltaics | |
| Villa et al. | Contribution to the study of sub-bandgap photon absorption in quantum dot InAs/AlGaAs intermediate band solar cells | |
| Veinberg‐Vidal et al. | Characterization of dual‐junction III‐V on Si tandem solar cells with 23.7% efficiency under low concentration | |
| Geisz et al. | Device characterization for design optimization of 4 junction inverted metamorphic concentrator solar cells | |
| Geisz et al. | Implications of redesigned, high-radiative-efficiency GaInP junctions on III-V multijunction concentrator solar cells | |
| Liu et al. | Predicting the outdoor performance of flat-plate III–V/Si tandem solar cells | |
| Mintairov et al. | Current invariant as fundamental relation between saturation currents and band gaps for semiconductor solar cells | |
| Roucka et al. | Demonstrating dilute-tin alloy SiGeSn for use in multijunction photovoltaics: single-and multijunction solar cells with a 1.0-eV SiGeSn junction | |
| Schuster et al. | Analytic modelling of multi-junction solar cells via multi-diodes | |
| de Carvalho Neto | Performance analysis of silicon technologies photovoltaic cells using artificial light source in different spectra | |
| Bunthof et al. | Partially shaded III-V concentrator solar cell performance | |
| Wilkins et al. | Multijunction solar cells | |
| Kroupa et al. | Ray-Tracing Analysis of Module-Level Power Generation from Quantum-Cutting Ytterbium-Doped Metal-Halide Perovskites | |
| Bhattarai et al. | Performance enhancement using an embedded nano-pyramid in a perovskite solar cell with TaTm as a hole transport layer | |
| Steiner et al. | Radiation effects on luminescent coupling in III–V solar cells |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20161025 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20170626 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20180613 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20180619 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20180918 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20180927 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6411801 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |