2132-1 Winter College on Optics and...

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2132-1

Winter College on Optics and Energy

J. Nelson

8 - 19 February 2010

Imperial CollegeLondon

U.K.

Third generation photovoltaics

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

ICTP Winter College on Optics and Energy8 – 19 February 2010

Jenny NelsonDepartment of PhysicsImperial College London

(jenny.nelson@imperial.ac.uk)

Third generation photovoltaics

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

THE FUTURE FOR PV

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Strategies to cost reduction

Use lessphotovoltaic

material?

Use cheaperphotovoltaic

material?

More workper photon?

1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035

1

10 ~ 30 c / kWh

system module

Cos

t / U

SD

Wp-1

Year

~ 3 c / kWh

Barrier to implementation is the capital cost of the module

Dominated by the cost of silicon

Rep

ort I

EA

-PVP

S T

1-16

:200

7

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Outline

1. Future directions for PV

2. Using cheaper photovoltaic materials

3. Limiting efficiency of solar cells

4. Routes to more work per photon

5. More efficient light harvesting

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Cheaper photovoltaic materialsCheaper photovoltaic materials

To be treated in detail in future lectures

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Device structures

• Donor‐acceptor bulk heterojunction devices

Al cathode

Donor-Acceptor blend: e.g. polymer / fullerene, polymer / nanocrystal, polymer / polymer

ITO anode

Glass substrate

h+e-

• Both components deposited from same solution

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

contacts active layer

Current and voltage output

flexible substratebarrier coating

Light

Generic device structure

• Active layer ~100 nm thick

• Low temperature processing enables use of flexible substrates

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Outline

1. Future directions for PV

2. Using cheaper photovoltaic materials

3. Limiting efficiency of solar cells

4. Routes to more work per photon

5. More efficient light harvesting

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

National Renewable Energy Laboratory

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Detailed balance limit

(i) One electron hole pair per photon with hν > Eg, 

(ii)  Carriers  relax  to  form  separate  Fermi  distributions  at  lattice  temperature Tambient with quasi Fermi levels separated by Δμ.

(iii) All electrons extracted with same electrochemical potential Δμ = eV

(iv) Only loss process is spontaneous emission

Band gap

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Limiting power conversion efficiency

Ta

Ta, μ

Ts

Ta

θs

Work

A fraction Xβ of the “sky” emits solar radiation at a black body temperature of Tsun

A fraction (1 ‐ Xβ) of the “sky”emits ambient radiation at a black body temperature of 

Tambient

The photovoltaic energy converter emits ambient radiation at a black body 

temperature of Tambient and a chemical potential of Δμ

The remaining charge pairs provide a current of electrons with chemical potential of Δμ

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Calculation of limiting efficiency

( ) ∫ −=Δ Δ−

max

min1

2,,, /)(

2

23maxmin

E

ETkE dE

eE

chTEEN

πμ

( ) ∫ −=Δ Δ−

max

min1

2,,, /)(

3

23maxmin

E

ETkE dE

eE

chTEEL

πμ

( ) ( ) ( ) ( ){ }qVTENTENXfTENXfqVJ agagssgs ,,,0,,,10,,,)( ∞−∞−+∞=

)0,,,0( sss TLXfP ∞=sP

VVJ )(=η

Photon flux density from sun (T = Tsun) or ambient (T = Tambient)

Irradiance from sun (T = Tsun) 

Balance fluxes to obtain current

Power conversion efficiency 

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Ts, ΔμTs, 0

Δμ N

Tsun,0

Ts, 0

1 - Xβ

N

Particle flux

( ) ( ) ( ) ( )dEEbedEEbXdEEbXeJ

ggg Eambient

kT

Eambient

Esun ∫∫∫

∞Δ

∞∞

−−+= /1 μββ

( )1/0 −−= kTeV

sc eJJJ

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Pho

ton

flux

dens

ity /

s-1 m

-2 e

V-1

Photon Energy / eV

sun ambient

Eg

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Pho

ton

flux

dens

ity /

s-1 m

-2 e

V-1

Photon Energy / eV

sun ambient

Eg

Jsc

J0

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Pho

ton

flux

dens

ity /

s-1 m

-2 e

V-1

Photon Energy / eV

sun ambient

Eg

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Pho

ton

flux

dens

ity /

s-1 m

-2 e

V-1

Photon Energy / eV

sun ambient

Eg

Jsc

J0

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0

200

400

600

800

Eg = 2.0 eV

Eg = 0.7 eV

Cur

rent

den

sity

/ A

m-2

Voltage / V

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00

100

200

300

400

500

600

700

800

0

2

4

Voc

Jsc

Phot

ocur

rent

den

sity

/ A

m-2

Band gap / eV

Ope

n ci

rcui

t Vol

tage

/ V

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

X = 1

Effic

ienc

y

Band gap / eV

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Limiting efficiency of single band gap cell

0

200

400

600

800

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00

Photon Energy (eV)

Irrad

ianc

e (W

m-2

eV-1

)

Optimum cell converts 31% of power

Power spectrum from black body sun at 5760K

Lost by thermalisation

Lost by transmission

Band gap

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Actual versus ideal PV performance

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50 1.00 1.50 2.00 2.50

Band Gap / eV

Effic

ienc

y

Molecular

amorphous SiCdTe

GaAsc-Si

poly-SiCIGS

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Actual versus ideal PV performance

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2

Voc /V

Jsc

/ mA

cm

-2

GaAs

a-Si

CdTe

poly-Si

c-Si

CIGS

theoretical limit

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Limiting efficiency under full concentration

( ) ∫ −=Δ Δ−

max

min1

2,,, /)(

2

23maxmin

E

ETkE dE

eE

chTEEN

πμ

( ) ∫ −=Δ Δ−

max

min1

2,,, /)(

3

23maxmin

E

ETkE dE

eE

chTEEL

πμ

)0,,,0( sss TLXfP ∞=sP

VVJ )(=η

( ) ( ){ }qVTENTENqVJ agsg ,,,0,,,)( ∞−∞=

Photon flux density from sun (T = Tsun) or ambient (T = Tambient)

Irradiance from sun (T = Tsun) 

Balance fluxes to obtain current

At full concentration

Power conversion efficiency 

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Limiting efficiency under full concentration

Ta

Ta, μ

Ts

Ta

θs

Work

Ta

Ta, μ

Ts

θs

Work

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Band gap / eVEf

ficie

ncy

1 sun

full concentration

Si GaAs

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Outline

1. Future directions for PV

2. Using cheaper photovoltaic materials

3. Limiting efficiency of solar cells

4. Routes to more work per photon

5. More efficient light harvesting

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

How to get more ...

• More work per photon with:

– more band gaps

• tandems and intermediate bands

– more work per photon

• prevent carrier thermalisation in “hot carrier” solar cells

– more electrons per photon

• Impact ionisation and up‐or down‐conversion of light

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Route 1: Multiple band gaps

IR IR

red

red blue blue

Single band gap Two band gaps

0

200

400

600

800

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00

Photon Energy (eV)

Irrad

ianc

e (W

m-2

eV-1

) Black body sunOne band gapTwo band gapsThree band gaps

• Approaches using tandem cells, spectral splitting and quantum semiconductor structures

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Triple junction cell

GaInP GaAs Ge

AlInP GaInP

GaInP

AlGaInP

GaInP

GaAs

GaAs

GaAs

GaInP

GRID

n+

n

n

n

p

p

n

p

p

Ge substrate p doped

TOP CELL

GaAs GaAs n++

p++ TUNNEL JUNCTION

MIDDLE CELL

CONTACTING LAYER

GaAs GaAs n++

p++ TUNNEL JUNCTION

(Al)GaAs n

Ge n BOTTOM CELL

Highest efficiency for a 3 junction tandem: 40.7 % under concentration(Spectrolab, Dec 2006)

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Quantum well structures in solar cells

• Additional low energy photons absorbed in QWs in active region

• Charge carriers escape from QWs ‐ less energy lost by thermalisation than in homojunction

• Voc intermediate between values expected for QW and barrier material. Higher efficiency possible.

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Single Junction Quantum Well Solar Cell

June 2009 world record:28.3% at 535 suns

1µm

>1µm

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Route 2: Slowed cooling

generation equilibriation cooling recombination

3/2 kT h 3/2 kT a

• Use quantum nanostructures or molecular systems to harvest photogenerated charges before cooling?

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Hot carrier solar cells

Photogenerated electrons scatter with each other but not with lattice⇒ Fermi Dirac distribution at temperature TH (>Ta) and μH

Electrons extracted isoentropicallythrough narrow bandwidth contact

EoutEgμout = qV

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.5 1 1.5 2

Band gap / eVEf

ficie

ncy

1 sun

full concentration

Efficiency of hot carrier solar cell:

Maximum efficiency same as thermodynamic limit

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Route 3: Utilising high and low energy photons by up‐ and down‐conversion

• Up‐conversion: low energy photons converted into high energy photon (~ Eg)and absorbed by device. E.g. rare earth doped ceramics

• Down‐conversion: high energy photons generate multiple lower energy photons (~ Eg)

Solar cellInsulator

up-converter

mirrorE~Eg

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Multiple electrons per photon

c.b.

v.b.

k k

E c0

0

E

E g

k + k 0

• Generate multiple electrons per photon by impact ionisation (or Auger generation)

• Observed experimentally in Si and Ge, and now in PbSequantum dots 

• Analysis equivalent to hot electron solar cell with μH = 00

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.5 1 1.5 2

Band gap / eV

Effic

ienc

y

Auger full

Auger 1 sun

Ellingson et al, SPIE, 2006

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Outline

1. Future directions for PV

2. Using cheaper photovoltaic materials

3. Limiting efficiency of solar cells

4. Routes to more work per photon

5. More efficient light harvesting

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

More More photogenerationphotogeneration per unit volumeper unit volumeb s

b s

Anti-reflection coatings

X b s

Concentration

b s

Light trapping

b s

Reabsorbing luminescence

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Concentration

• Parabolic concentrators, Fresnel lenses

• Need for direct sunlight

• Use with high efficiency (III‐V) photovoltaic materials

• Use with optical fibre technology?

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50

Band Gap (eV)

Effic

ienc

y

1 sun

1000 suns

Parabolic concentrator

Fresnel lens

SolarSystems

FISE, Ioffe Inst.

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Light trapping

• Light trapping structures: increase optical path length, reduce reflection

• Aim to reduce silicon cell thickness from ~300 μm to ~10 μm

More in Prof Bagnall’s lecture …

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Better light harvesting with optical design: planar structures

• Device structures ~ wavelength of light

• Interference critically important

• Design device structures to maximise absorption in active layer and at donor‐acceptor interface

• Can afford to lose absorption at short λ to gain at long λ

e.g., Pettersson et al, J.Appl.Phys. 86, 487 (1999)

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Type 1 Type 2 Type 3

Light trapping in grating structures

• Larger absorption enhancements available with 1D or 2D grating structures.

• Rigorous Coupled Wave Analysis to predict absorptance of patterned device

• Soft embossing to imprint grating on polymer

Felix Braun

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Luminescent concentrator

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Luminescent concentrator

• Luminescent dyes or quantum dots dispersed in refractive material

• Cheaper than imaging concentrators

• Harvests diffuse light

• Able to concentrate photon energies near band gap of cell

+-

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Stacked luminescent concentrators 

• Stacked luminescent concentrators to split the solar spectrum

• Selective band gap cells for higher efficiency (more work per photon)

• Research at Imperial on use of II‐VI quantum dots as luminescent species, (A. J. Chatten et al.)

Small band gap cell

Intermediate band gap cell

Large band gap cell

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Summary

• The cost per Watt of PV electricity can be increased by:

• Reducing the cost of PV material

– By use of inorganic thin film materials

– E.g. by use of molecular PV materials

• Increasing the amount of work per photon

– with multijunction “tandem” structures or other (quantum) heterostructures

– Exploiting hot carrier effects or multiple electrons per photon 

• Reducing the amount of PV material per photon harvested 

– Concentration of light (including luminescent concentrators)

– Light trapping

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Key challenges

VoltageC

urre

nt d

ensi

ty J

Silicon

Voc limited by:interfacial recombinationinterfacial energy levels

Jsc limited by: absorption of red light,interface morphologycharge transport

Fill factor limited by: low mobilityseries resistanceshort-circuits

Best η 25%

Organic solar cellBest η ~6%

400 500 6 00 70 0 80 0 900 10 00 110 0 120 0 1 3000

1

Irrad

ianc

e /W

m-2nm

-1

W a v e le n g th / nm

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

Exploiting Plasmonic Effects in Solar Cells

Internal Scattering  Field EnhancementSurface Plasmon 

Polariton Propagation

Optics & Solar Energy : Nelson : Lec. 3

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0

200

400

600

800

Eg = 2.0 eV

Eg = 0.7 eV

Cur

rent

den

sity

/ A

m-2

Voltage / V

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00

100

200

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400

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600

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4

Voc

Jsc

Phot

ocur

rent

den

sity

/ A

m-2

Band gap / eV

Ope

n ci

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t Vol

tage

/ V

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

X = 1

Full concentration

Effic

ienc

y

Band gap / eV