Ukrainian Journal of Physical Optics


2024 Volume 25, Issue 1


ISSN 1609-1833 (Print)

HOT CARRIER PHOTOCURRENT AS AN INTRINSIC LOSS IN A SINGLE JUNCTION SOLAR CELL

1,2J. Gradauskas, 1,2O. Masalskyi, 2S. Asmontas, 2A. Suziedelis, 2A. Rodin and 1,2I. Zharchenko

1Vilnius Gediminas Technical University, Sauletekio Avenue 11, 10223 Vilnius, Lithuania, vilniustech@vilniustech.lt
2State Research Institute Center for Physical Sciences and Technology, Sauletekio Avenue 3, 10257 Vilnius, Lithuania, office@ftmc.lt

ABSTRACT

In photovoltaics, hot carriers are mainly considered as a workforce for efficient hot carrier solar cells or as a reason of unfavorable heating of classical solar cells. Here we present experimental evidence of the hot carrier photocurrent, i.e., the current induced across a p-n junction by the hot carriers before their thermalisation. Competition between two photocurrents, the hot carrier and the generation-caused, is highlighted through excitation intensity, wavelength, sample temperature and bias voltage. The adverse impact of the hot carrier effect on the successful operation of a single junction solar cell is demonstrated, suggesting the need to discuss it as a novel form of intrinsic loss mechanism.

Keywords: solar cell, p-n junction, photocurrent, hot carriers

UDC: 535.2, 537.3, 621.3

    1. The National Renewable Energy Laboratory. (n.d.). Best Research-Cell Efficiency Chart. Nrel.Gov. Retrieved October 10, 2023. https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html.
    2. Shockley, W., & Queisser, H. J. (1961). Detailed balance limit of efficiency of pn junction solar cells detailed balance limit of efficiency of pn junction solar cells*. J. Appl. Phys. Addit. Inf. J. Appl. Phys. J. Homepage, 32. doi:10.1063/1.1736034
    3. Hirst, L. C., & Ekins‐Daukes, N. J. (2011). Fundamental losses in solar cells. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 19(3), 286-293. doi:10.1002/pip.1024
    4. Zhang, Y., Jia, X., Liu, S., Zhang, B., Lin, K., Zhang, J., & Conibeer, G. (2021). A review on thermalization mechanisms and prospect absorber materials for the hot carrier solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells, 225, 111073. doi:10.1016/j.solmat.2021.111073
    5. Conibeer, G. (2007). Third-generation photovoltaics. Materials Today, 10(11), 42-50. doi:10.1016/S1369-7021(07)70278-X
    6. De Vos, A. (1980). Detailed balance limit of the efficiency of tandem solar cells. Journal of physics D: Applied Physics, 13(5), 839. doi:10.1088/0022-3727/13/5/018
    7. Kurtz, S., & Geisz, J. (2010). Multijunction solar cells for conversion of concentrated sunlight to electricity. Optics express, 18(101), A73-A78. doi:10.1364/OE.18.000A73
    8. Asahi, S., Teranishi, H., Kusaki, K., Kaizu, T., & Kita, T. (2017). Two-step photon up-conversion solar cells. Nature Communications, 8(1), 14962. doi:10.1038/ncomms14962
    9. Badescu, V., De Vos, A., Badescu, A. M., & Szymanska, A. (2007). Improved model for solar cells with down-conversion and down-shifting of high-energy photons. Journal of Physics D: Applied Physics, 40(2), 341. doi:10.1088/0022-3727/40/2/009
    10. Saeed, S., De Jong, E. M. L. D., Dohnalova, K., & Gregorkiewicz, T. (2014). Efficient optical extraction of hot-carrier energy. Nature Communications, 5(1), 4665. doi:10.1038/ncomms5665
    11. Kolodinski, S., Werner, J. H., Wittchen, T., & Queisser, H. J. (1993). Quantum efficiencies exceeding unity due to impact ionization in silicon solar cells. Applied Physics Letters, 63(17), 2405-2407. doi:10.1063/1.110489
    12. Würfel, P. (1997). Solar energy conversion with hot electrons from impact ionisation. Solar Energy Materials and Solar Cells, 46(1), 43-52. doi:10.1016/S0927-0248(96)00092-X
    13. Fast, J., Aeberhard, U., Bremner, S. P., & Linke, H. (2021). Hot-carrier optoelectronic devices based on semiconductor nanowires. Applied Physics Reviews, 8(2). doi:10.1063/5.0038263
    14. Kempa, K., Naughton, M. J., Ren, Z. F., Herczynski, A., Kirkpatrick, T., Rybczynski, J., & Gao, Y. (2009). Hot electron effect in nanoscopically thin photovoltaic junctions. Applied Physics Letters, 95(23). doi:10.1063/1.3267144
    15. Shayan, S., Matloub, S., & Rostami, A. (2021). Efficiency enhancement in a single bandgap silicon solar cell considering hot-carrier extraction using selective energy contacts. Optics Express, 29(4), 5068-5080. doi:10.1364/OE.416932
    16. Esgandari, M., Barzinjy, A. A., Rostami, A., Rostami, G., & Dolatyari, M. (2022). Solar cells efficiency enhancement using multilevel selective energy contacts (SECs). Optical and Quantum Electronics, 54, 1-9. doi:10.1007/s11082-021-03493-8
    17. Ross, R. T., & Nozik, A. J. (1982). Efficiency of hot‐carrier solar energy converters. Journal of Applied Physics, 53(5), 3813-3818. doi:10.1063/1.331124
    18. Umeno, M., Sugito, Y., Jimbo, T., Hattori, H., & Amemiya, Y. (1978). Hot photo-carrier and hot electron effects in pn junctions. Solid-State Electronics, 21(1), 191-195. doi:10.1016/0038-1101(78)90137-5
    19. Encinas-Sanz, F., & Guerra, J. M. (2003). Laser-induced hot carrier photovoltaic effects in semiconductor junctions. Progress in Quantum Electronics, 27(4), 267-294. doi:10.1016/S0079-6727(03)00002-8
    20. Asmontas, S. P., Gradauskas, J., Seliuta, D., & Sirmulis, E. (2001, June). Photoelectrical properties of nonuniform semiconductor under infrared laser radiation. In Nonresonant Laser-Matter Interaction (NLMI-10) (Vol. 4423, pp. 18-27). SPIE. doi:10.1117/12.431223
    21. Ašmontas, S., Gradauskas, J., Sužiedėlis, A., Šilėnas, A., Širmulis, E., Švedas, V., Vaicikauskas, V. & Žalys, O. (2018). Hot carrier impact on photovoltage formation in solar cells. Applied Physics Letters, 113(7). doi:10.1063/1.5043155
    22. Gradauskas, J., Ašmontas, S., Sužiedėlis, A., Šilėnas, A., Vaičikauskas, V., Čerškus, A., Širmulis, E., Žalys 2 & Masalskyi, O. (2020). Influence of hot carrier and thermal components on photovoltage formation across the p-n junction. Applied Sciences, 10(21), 7483. doi:10.3390/app10217483
    23. Szuszkiewicz, W. (1996). IR absorption due to free carriers in GaAs. EMIS DATAREVIEWS SERIES, 16, 235-243.
    24. Dargys, A., & Kundrotas, J. (1994). Handbook on physical properties of Ge, Si, GaAs and InP. Vilnius: Science and Encyclopedia Publishers, 1994.
    25. Asmontas, S. P., Gradauskas, J., Seliuta, D., Silenas, A., Sirmulis, E., & Marmur, I. Y. (1997, April). Photoelectrical properties of nonuniform GaAs structures under infrared laser illumination. In Nonresonant Laser-Matter Interaction (NLMI-9) (Vol. 3093, pp. 35-40). SPIE. doi:10.1117/12.271703
    26. Krishnamurthy, S., Yu, Z. G., Gonzalez, L. P., & Guha, S. (2011). Temperature-and wavelength-dependent two-photon and free-carrier absorption in GaAs, InP, GaInAs, and InAsP. Journal of Applied Physics, 109(3). doi:10.1063/1.3533775

    У цій роботі чисельно досліджені світлі та темні оптичні солітони, які виникають із моделі дисперсійної конкатенації. В моделі закладено закон Керра для нелінійного показника заломлення з використанням схем розкладання Лапласа-Адоміана. В роботі представлено результати моделювання, поверхнями та двомірними графіками. Показано, що похибка є нескінченно малою.У фотовольтаїці, гарячі носії головним чином розглядаються як робоча сила для ефективних сонячних батарей на основі ефекту гарячих носіїв або як причина небажаного нагріву класичних сонячних батарей. У цій роботі ми представляємо експериментальне підтвердження фотоструму гарячих носіїв, тобто струму, який індукований гарячими носіями через p-n перехід перед їх термалізацією. Конкуренція між двома фотострумами, струмом гарячих носіїв та генераційним струмом, висвітлюється через їх залежність від інтенсивності збудження, довжини хвилі, температури зразка та напруги. Демонструється негативний вплив ефекту гарячих носіїв на успішну роботу сонячної батареї з одним переходом, що вказує на необхідність обговорення його як нового виду внутрішніх втрат.

    Ключові слова: сонячний елемент, p-n перехід, фотострум, гарячі носії

Free download this article 

© Ukrainian Journal of Physical Optics ©