80年前の太陽電池方程式を超える(Moving beyond the 80-year-old solar cell equation)

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2024-07-02 スウォンジー大学

次世代の薄膜太陽電池の効率向上に関する新しい研究が、従来のShockleyダイオード方程式に挑戦しています。この研究では、薄膜太陽電池が最適な効率を達成するために、光で生成された電気を収集することと再結合による損失を最小限に抑えることの重要なバランスが明らかにされました。これにより、低移動度の半導体材料を用いたデバイスの電荷収集メカニズムと電力変換効率に関する新たな洞察が得られました。新しいモデルは、従来のモデルが見落としていた「注入キャリア」との再結合を考慮することで、薄膜太陽電池の効率を改善するための新しい設計フレームワークを提供します。

<関連情報>

二分子再結合が制限するサンドイッチ型薄膜太陽電池のダイオード方程式 Diode Equation for Sandwich-Type Thin-Film Photovoltaic Devices Limited by Bimolecular Recombination

Oskar J. Sandberg and Ardalan Armin
PRX Energy  Published 21 June 2024
DOI:https://doi.org/10.1103/PRXEnergy.3.023008

80年前の太陽電池方程式を超える(Moving beyond the 80-year-old solar cell equation)

ABSTRACT

Analytical diode models that relate the current to key material parameters are invaluable for understanding the device physics in photovoltaic (PV) devices. However, a diode model that accurately describes the current in thin-film PVs based on low-mobility semiconductors (including organic solar cells) limited by bimolecular recombination has been lacking. Previous models neglect effects of injected charge carriers, which are the predominant source for bimolecular recombination in thin-film PV systems with Ohmic contacts. In this work, we derive a unified diode equation for thin-film PVs based on undoped semiconductors limited by bimolecular recombination. Based on a regional approximation approach, we derive an analytical model for the current accounting for the interplay between charge-carrier extraction, injection, and bimolecular recombination. The analytical model is validated by numerical simulations and tested experimentally on organic solar cells. Our findings provide key insights into the mechanisms driving and limiting charge collection, and ultimately the power-conversion efficiency, in low-mobility PV devices. The presented framework is material agnostic and generally applicable to sandwich-type thin-film PV devices, including photodiodes and indoor light-harvesting cells.

0402電気応用
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