TCAD Modelling, simulation and characterization of III-V multijunction solar cells

Ochoa Gómez, Mario (2018). TCAD Modelling, simulation and characterization of III-V multijunction solar cells. Tesis (Doctoral), E.T.S.I. Telecomunicación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.51571.

Descripción

Título: TCAD Modelling, simulation and characterization of III-V multijunction solar cells
Autor/es:
  • Ochoa Gómez, Mario
Director/es:
  • Algora del Valle, Carlos
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2018
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Telecomunicación (UPM)
Departamento: Electrónica Física
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

La tecnología de células solares multiunión de materiales III-V ha sido capaz de desarrollar las células solares con las más altas eficiencias de conversión de radiación solar en electricidad. La alta eficiencia permite reducir considerablemente el tamaño y peso de los dispositivos, convirtiendo a este tipo de células en las preferidas para aplicaciones espaciales. Además, ofrecen un gran potencial para aplicaciones terrestres (concentración fotovoltaica) donde la reducción del tamaño permitiría disminuir su coste. A pesar de haber conseguido las más altas eficiencias, aún existe margen de mejora a nivel de dispositivo y sistema que deben ser abordados. En consecuencia, esta tesis doctoral se centra en la simulación, caracterización y análisis de distintas células solares multiunión de materiales III-V tanto para aplicaciones terrestres como espaciales. El objetivo principal es desarrollar una herramienta TCAD de simulación de células solares multiunión (3, 4 o más uniones) basada en modelos de arrastre y difusión y en el uso de modelos cuánticos para tratar las uniones túnel. Gran parte de esta tesis está enfocada en la comparación de los resultados experimentales bajo diferentes condiciones de operación de las células con un único conjunto de parámetros de material y un conjunto dado de modelos físicos de semiconductores con el objetivo de validar los modelos. Además, se ha hecho especial énfasis en que los cálculos aquí mostrados estén basados en datos experimentales para proporcionar una visión cercana al estado del arte de las células solares multiunión y así mejorar su rendimiento. En general, se ha llevado a cabo la simulación, caracterización y análisis individual de los componentes (subcélulas y uniones túnel) de una célula solar multiunión así como el estudio de las células solares multiunión integrando dichos componentes. Por ejemplo, se comienza con el estudio de cada una de las subcélulas que componen la célula solar de tres uniones GaInP/Ga(In)As/Ge, así como las uniones túnel. En primer lugar, se analiza la célula de arseniuro de galio en donde la recombinación del perímetro juega un papel importante. Este fenómeno fue analizado con simulaciones 3D para distintos tamaños, geometrías y concentración de dopantes. Después, se ha implementado un modelo que describe el comportamiento de la célula solar de germanio con distintos tipos de emisor típicamente obtenidos por la formación de la unión pn en un reactor de crecimiento epitaxial (MOVPE). El modelo tiene en cuenta los perfiles reales de dopado en el emisor y ha sido utilizado para desglosar las pérdidas en dispositivos con distintos niveles de degradación asociados a la carga térmica durante el crecimiento. Para concluir el estudio de los componentes individuales de una célula multiunión, se ha llevado a cabo una validación del modelo de las uniones túnel y la célula de solar de GaInP bajo distintas condiciones de operación (en iluminación, oscuridad, etc.). Una vez hecho esto, todos los componentes han sido integrados para formar la célula solar de tres y cuatro uniones: GaInP/Ga(In)As/Ge y GaInP/Ga(In)As/nitruro diluido/Ge. El modelo ha sido utilizado principalmente para analizar el comportamiento de dichas células así como para detectar donde se encuentran las mayores pérdidas de rendimiento. Se han analizado un par de ejemplos ("case studies") para la célula de tres uniones: 1) ¿cuáles son los factores que limitan (como la resistencia serie incluyendo heterouniones y uniones túnel) dichas células cuando operan a altas concentraciones luminosas (1000-5000 soles)?. Además, se aportan algunas sugerencias de diseño para mejorar su rendimiento a estas elevadas concentraciones luminosas; 2) los efectos de la irradiación con un haz de protones de 10 MeV para estudiar la robustez de células de concentración en el ambiente espacial haciendo especial énfasis en la degradación de sus componentes individuales. Se ha realizado también un análisis de células solares de nitruros diluidos que serían candidatos ideales para estructuras de cuatro uniones. Con el uso de la herramienta de simulación y datos experimentales, se han detectado las principales limitaciones y se han establecido los requisitos de dichas células para una exitosa integración en una célula solar de cuatro uniones. Además, se ha analizado la respuesta espectral de la subcélula de germanio debido a que puede convertirse en la célula que limita el rendimiento dentro de la estructura de cuatro uniones. También se ha optimizado la estructura de célula solar con el objeto de determinar las eficiencias prácticas que se podrían conseguir con las células de cuatro uniones que incorporan subcélulas de nitruros diluidos. Si se consiguen materiales de mayor calidad electrónica y se utilizan capas antireflectantes de amplio espectro (lo que ha sido demostrado recientemente), sería posible conseguir eficiencias cercanas al 47% operando en concentración y alrededor del 33% para aplicaciones espaciales. Finalmente, también se ha estudiado teórica y experimentalmente la influencia de la temperatura en el acoplamiento luminiscente de distintas células solares multiunión (GaInP/GaAs y GaAs/GaInAs). El acoplamiento luminiscente fue evaluado en un rango amplio de temperaturas que cubren las típicas de operación de las células solares multiunión dentro de un concentrador (25-120oC). ----------ABSTRACT---------- III-V multijunction solar cell technology has been able to develop devices with the highest conversion efficiencies of solar radiation into electricity. High efficiency solar cells are attractive because enables the size reduction of devices which directly translates into a reduction of the system components, thus the total cost. In fact, III-V multijunction solar cell technology is the preferred choice for solar panels in space applications and also they offer strong potential for terrestrial applications (concentrator photovoltaics or CPV). Although excellent devices have been already demonstrated, technical improvements at the system and solar cell level must still be attained to reach a further cost reduction. Accordingly, this doctoral thesis covers the device simulation, characterization and analysis of different multijunction solar cells for space and high-concentration terrestrial applications. The ultimate goal is to build a tool for the simulation of multijunction solar cells (3, 4 and more junctions) based on the physical internal processes provided by drift-diffusion approximation together with the use of quantum models for tunnel junctions. Strong focus was made on the comparison to experimental results (under different conditions, namely dark, illuminated...) with the same single set of material parameters in order to provide a higher degree of confidence in our simulator. Furthermore, special attention was always paid to provide practical numbers based on current state-of-the-art devices. Globally, the simulation, characterization and analysis of the individual components of a multijunction is carried out as well as the study of the whole multijunction solar cells by integrating their components (subcells and tunnel junctions). For instance, the analysis of each subcell of the GaInP/Ga(In)As/Ge 3J solar cell and the corresponding tunnel junctions is performed. First, the GaAs subcell is studied by taking into account perimeter recombination by means of 3D simulations which exhaustively takes into account different geometries, sizes and doping concentrations at the base. A model for germanium solar cells with diffused profiles formed in a MOVPE environment was implemented which takes into account the real doping profiles of the emitter. The main limiting aspects were detected for several samples with different degrees of performance degradation. The tunnel junctions were properly calibrated to be used inside multijunction structures and the GaInP single junction solar cell was also analysed under different conditions (light, dark...). Then, all these components were put together to form a 3J (GaInP/GaInAs/Ge) and 4J (GaInP/GaInAs/dilute nitride/Ge) multijunction solar cells in order to analyse them and dissect their main losses. A couple of case studies were carried out for the 3J structure: 1) the examination of the limiting factors (i.e., series resistance components including heterojunctions and tunnel junctions) for the operation under ultra-high irradiance (UHCPV) was carried out providing some basic suggestions for high efficiencies at concentrations from 1000-5000 suns and 2) the effects of a 10 MeV proton irradiation beam with different doses in order to study the radiation hardness of 3J concentrator solar cells for a 8-years mission in Low Earth Orbit (LEO). The latter was done by using component subcells as well as complete 3J structures in order to correlate the results and detect the radiation hardness of each component. Dilute nitrides solar cells were also analysed through a multiple-data fitting process in order to determine their main limitations. The requirements of this subcell for the successful development of a 4J solar cell were determined. Then, some proposals are given to improve the germanium spectral response since it may become the limiting subcell in a 4J structure that would contain a high quality dilute nitride. Practical efficiencies around 47% for CPV applications and 33% for space applications are assessed by overcoming important constraints such as the achievement of a high material quality for the dilute nitride as well as the use of broadband anti-reflection coating. Finally, the influence of temperature on the luminescent coupling of very high material quality multijunction solar cells (GaInP/GaAs and GaAs/GaInAs tandems) was also studied theoretically and experimentally. The luminescent coupling strength and linearity was evaluated in a wide range of temperatures covering the typical operating temperatures of multijunction cells inside a concentrator (25-120oC).

Más información

ID de Registro: 51571
Identificador DC: http://oa.upm.es/51571/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:51571
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.51571
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 12 Sep 2018 05:12
Ultima Modificación: 12 Sep 2018 05:14
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