DESIGN  AND  OPERATING  PRINCIPLES  OF   I I I -­‐V  SOLAR  CELLS  

 

 

 

 

 

 

 

 

ANTHONY  MELECO  

CAPSTONE  ADVISER:  DR .   IAN  SELLERS  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

TABLE  OF  CONTENTS  

Abstract  ..........................................................................................................................................................................................  3  

Introduction  .................................................................................................................................................................................  3  

Procedure  ......................................................................................................................................................................................  4  

Photomask  ................................................................................................................................................................................  4  

Modeling  ....................................................................................................................................................................................  5  

IV  curve  .................................................................................................................................................................................  5  

Internal  and  external  quantum  efficiency  .............................................................................................................  6  

Calculations  ..................................................................................................................................................................................  7  

Results  .............................................................................................................................................................................................  8  

Photomask  results  ................................................................................................................................................................  8  

Modeling  results  ....................................................................................................................................................................  9  

Data  fitting  ...........................................................................................................................................................................  9  

Modeling  changes  in  cell  structure  ........................................................................................................................  10  

Conclusion  ..................................................................................................................................................................................  12  

References  ..................................................................................................................................................................................  13  

Appendix  .....................................................................................................................................................................................  14  

Solar  cell  operation  ............................................................................................................................................................  14  

Introduction  .....................................................................................................................................................................  14  

Band  gap  ............................................................................................................................................................................  14  

P-­‐N  junction  .....................................................................................................................................................................  15  

Efficiency  considerations  ................................................................................................................................................  16  

Mask  design  .....................................................................................................................................................................  16  

General  structure  design  ............................................................................................................................................  17  

 

 

 

 

 

 

 

 

ABSTRACT  

For  this  project,  single-­‐junction1  III-­‐V2  photovoltaic  cells3  were  examined.    This  involved  understanding  the  basics  of  general  photovoltaic  cell  operation4  as  well  as  the  structure  needed  to  make  such  a  device  possible.  One  of  the  components  of  the  cell  of  particular  interest  was  the  photomask5,  which  would  then  be  used  by  Dr.  Ian  Sellers’  research  group  to  process  their  own  photovoltaic  cells.    Looking  into  design  and  efficiency  of  solar  cells  was  also  a  large  component  of  this  project.      Overall  solar  cell  efficiency6  is  influenced  by  several  factors.    These  factors  concern  themselves  not  only  with  the  material  involved  in  the  growth  of  a  cell,  but  also  the  way  it  has  been  grown.    Additionally,  the  electrode  design  on  the  top  of  the  cell  is  also  important  to  the  overall  efficiency.      These  design  choices  lead  directly  into  mathematical  modeling  for  understanding  on  a  further  level.    There  are  several  ways  to  do  this,  and  a  couple  different  areas  of  the  cell  to  be  modeled  were  considered.    However,  because  of  time  constraints,  only  one  model  was  finished.    This  model  has  been  developed  to  take  advantage  of  any  single  junction  solar  cells  regardless  of  design  choices  and  lets  the  research  group  conduct  various  efficiency  tests  to  see  just  how  an  assortment  of  choices  can  lead  into  highly  efficient  cells.    Mathematica7  was  used  to  do  all  of  the  modeling  for  this  part  of  the  project,  and,  the  data  for  each  of  the  cells  I  pulled  key  design  choices  from  were  obtained  from  Dr.  Sellers.    The  model  did  produce  mixed  results,  but  can  still  be  used  in  the  future  with  a  little  more  work.    

INTRODUCTION  

Solar  cell  design  has  been  a  subject  of  study  since  the  first  practical  devices  were  fabricated  in  the  1950s.    Of  course,  the  cost  of  solar  cells  back  then  made  it  not  worth  the  time  and  money  needed  to  research  these  devices.  The  oil  crisis  in  the  1970s  is  what  first  turned  the  world  to  wanting  alternative  forms  of  energy.    Since  then,  although  the  crisis  was  short  lived,  research  had  begun  to  take  off.    By  the  1980s,  silicon  cells  had  reached  the  20%  efficient  milestone8.    Today,  solar  cell  technology  is  recognized  as  a  viable  means  for  alternative  energy,  but  is  facing  its  own  crisis  against  other  cheaper  and  more  efficient  forms  of  energy.    To  combat  this,  there  are  new  and  emerging  solar  cell  technologies  that  are  currently  being  researched.    In  addition,  we  are  approaching  the  theoretical  efficiency  limit  of  single  junction  cell  technology  and  continuing  to  drive  down  fabrication  cost.    This  is  where  the  project  fits  in.    By  creating  the  photomask  for  the  solar  cell,  Dr.  Sellers’  research  group  can  fabricate  and  study  their  own  cells  and,  with  the  model  in  the  future  amongst  other  methods,  can  create  new  ways  to  increase  efficiency  and  drive  down  cost.  

                                                                                                                         1  Single  junction  -­‐  Solar  cells  that  use  just  one  P-­‐N  junction.    Considered  further  in  [P-­‐N  junction]  2  III-­‐V  –  Refers  to  group  III  and  V  elements  of  the  periodic  table  that  that  makes  up  a  solar  cell  3  Photovoltaic  cell  –  An  electrical  device,  also  called  a  solar  cell,  which  converts  the  energy  of  light  directly  into  electricity  by  the  photovoltaic  effect  4  General  photovoltaic  cell  operation  –  A  brief  introduction  to  solar  cell  operation  is  briefly  discussed  in  [Solar  cell  operation]  5  Photomask  –  An  opaque  plate  with  holes  or  transparencies  that  allow  light  to  shine  through  in  a  defined  pattern.    Also  referred  to  as  a  photolithographic  mask  6  Solar  cell  efficiency  –  Generally  computed  as  power  out  divided  by  power  in  7  Mathematica  –  A  computational  software  program  used  in  scientific,  engineering,  and  mathematical  fields  and  other  areas  of  technical  computing  8  Efficiency  milestones  –  For  comparison,  today’s  single  junction  efficiency  is  fast  approaching  the  theorized  limit  of  33.5%  by  reaching  into  the  upper  20%  

PROCEDURE  

PHOTOMASK  

The  design  of  the  photomask  involved  a  very  straightforward  approach.    Researching  the  design  of  the  electrode  patterns9  and  then  enacting  such  research  was  the  basic  idea  involved  here.    Investigation  into  the  design  of  the  electrode  patterns  started  with  understanding  just  what  is  important  for  an  efficient  electrode  pattern10.    This  research  was  aided  by  a  previous  design  of  III-­‐V  electrode  pattern  [Error!  Reference  source  not  found.]  provided  by  Dr.  Sellers.    

 

FIGURE  1:    THE  PREVIOUS  ELECTRODE  DESIGN  

Realization  of  the  photomask  was  achieved  using  L-­‐Edit11.    In  addition  to  the  main  electrode  pattern,  other  patterns  needed  to  be  created  within  the  photomask.    While  an  electrode  pattern  such  as  [Error!  Reference  source  not  found.]  defines  the  top  of  a  typical  cell,  a  second  pattern  is  eeded  to  define  the  size  and  shape  of  the  cell.    This  can  also  be  seen  in  [Error!  Reference  source  not  found.]  and  is  referred  to  here  as  the  mesa12.    It  is  larger  than  the  1mm2  mask  by  10  micrometers  on  each  side.    Moreover,  other  cell  sizes  are  desired  for  a  couple  reasons.    1mm2  sized  cells  are  not  the  typical  size  for  the  type  of  high  efficiency  cells  the  research  group  is  developing.    Usually  this  is  a  1cm2  cell.    Furthermore,  taking  comparison  measurements  between  different  cell  sizes  is  important  for  determining  material  quality.  Finally,  a  few  additional  patterns  were  included  so  further  measurements,  such  as  resistance  of  the  electrode  contacts  could  be  taken.    All  of  these  can  be  seen  in  the  photomask  [Error!  Reference  source  not  found.]  below.  

                                                                                                                         9  Electrode  pattern  –  To  avoid  confusion,  I  use  pattern  here  to  refer  to  the  various  objects  on  the  left  side  of  the  overall  photomask  [Error!  Reference  source  not  found.].  10  Efficiency  of  an  electrode  pattern  –  Design  considerations  for  the  efficiency  of  the  electrode  pattern  is  10  Efficiency  of  an  electrode  pattern  –  Design  considerations  for  the  efficiency  of  the  electrode  pattern  is  discussed  in  [Mask  design]  11  L-­‐Edit  –  A  photomask  design  program  from  Tanner  research  12  Mesa  –  This  is  an  additional  overlaying  pattern  that  covers  the  first  pattern  and  serves  to  define  the  size  and  shape  of  the  cell.    Where  the  first  pattern  represents  what  can  be  seen  on  the  top  of  the  cell,  the  mesa  represents  a  shield  of  sorts  for  everything  under  it  therefore  defining  the  cell’s  size  and  shape.    All  of  the  mesas  are  pictured  on  the  right  side  of  [Error!  Reference  source  not  found.]  13  IV  curve  –  A  graph  that  plots  the  current  (I)  against  the  voltage  (V)  of  a  solar  cell  

           

   

   

   

   

       

   

   

10um 10um

1mm 1mm

   

           

   

   

   

   

       

   

   

10um 10um

1mm 1mm

   

 

FIGURE  2:    THE  ENTIRE  PHOTOMASK  

MODELING  

IV  CURVE  

The  IV  curve13  is  one  of  the  ways  to  model  part  of  a  solar  cell’s  design.    This  curve  is  important  as  it  can  tell  us  a  few  significant  parameters  about  a  particular  cell.    These  parameters  are  the  turn  on  voltage14  and  the  contact  resistance  of  the  cell.    This  curve  is  governed  by  [Equation  1]15  and  can  be  seen  by  [Figure  3]  on  the  next  page.  

EQUATION  1:    THE  IV  CURVE  

 

                                                                                                                         13  IV  curve  –  A  graph  that  plots  the  current  (I)  against  the  voltage  (V)  of  a  solar  cell  14  Turn  on  voltage  -­‐  The  voltage  required  to  allow  current  flow  15  IL,  the  light  generated  current  (minority  carrier  flow  current);  IO,  the  dark  saturation  current  (majority  carrier  flow  current),  n,  the  ideality  factor,  q,  charge  of  an  electron,  k,  Boltzmann’s  constant,  Rs  and  Rsh,  series  resistance  of  contacts  and  shunt  resistance  of  contacts  respectively.  

 

FIGURE  3:    THE  IV  CURVE  

[Equation  1]  also  is  an  example  of  an  implicit  function16.    The  procedure  for  modeling  this  was  unfortunately  not  easy.    The  fact  that  it  is  an  implicit  function  means  that  an  iterative  method17  should  work  well.    Unfortunately,  attempting  such  a  method  resulted  in  a  function  that  broke  down  and  started  diverging  rather  quickly.    It  was  decided  due  to  time  that  extracting  the  series  resistance18  and  shunt  resistance19  of  a  cell  was  not  as  important  as  another  modeling  method  that  extracts  different  information  about  a  cell  and  is  a  standard  for  measuring  efficiency.  

INTERNAL  AND  EXTERNAL  QUANTUM  EFFICIENCY  

Internal  and  external  quantum  efficiency  curves  show  the  energy  conversion  rate  of  a  solar  cell  at  different  wavelengths.    Internal  quantum  efficiency  shows  this  conversion  rate  after  the  losses  of  reflectivity20  and  transmission21  have  been  determined  while  external  quantum  efficiency  demonstrates  the  conversion  rate  with  those  losses22.    These  efficiency  curves  were  modeled  using  similar  equations,  with  the  only  difference  being  the  reflectivity  and  transmission  as  a  factor.    Regardless,  they  both  take  on  the  form  of  [Error!  Reference  source  not  found.]  that  can  be  seen  n  the  next  page.    [Error!  Reference  source  not  found.]  is  essentially  a  superposition  of  the  currents  generated  in  the  three  regions  of  the  cell  divided  by  the  total  input  power  either  incident  on  the  cell  or  already  absorbed  for  EQE  and  IQE  respectively.      

                                                                                                                         16  Implicit  function  –  A  function  f(x)  that  is  defined  implicitly  by  a  relation  between  its  argument  and  its  value  17  Iterative  method  –  A  mathematical  procedure  that  generates  a  sequence  of  improving  approximate  solutions  for  a  class  of  problems  18  Series  resistance  –  A  resistance  that  results  from  the  resistance  of  the  contacts  and  affects  a  cell’s  performance  at  high  voltages  19  Shunt  resistance  –  A  resistance  that  results  from  poor  quality  of  the  material  and  affects  a  cell’s  performance  at  low  voltages  20  Reflectivity  -­‐  Refer  to  the  fraction  of  incident  electromagnetic  power  that  is  reflected  at  an  interface  21  Transmission  –  Property  of  a  substance  to  determine  the  passage  of  light,  with  some  or  none  of  the  incident  light  being  absorbed  in  the  process  22  Because  of  this  fact,  IQE  curves  always  have  a  higher  efficiency  than  EQE  curves  

 

EQUATION  2:  QUANTUM  EFFICIENCY  

 

This  will  therefore  generate  a  curve  that  shows  us  the  percentage  of  energy  conversion  at  any  given  wavelength.    Embedded  in  the  currents  generated  in  each  of  the  regions  are  different  parameters  and,  when  fitted  to  data,  can  be  used  to  tell  us  different  things  about  a  particular  cell.  

CALCULATIONS  

Quantum  efficiency  was  modeled  using  the  currents  in  the  different  regions.    These  currents  all  take  on  similar  forms  and  an  example  can  be  seen  in  [Equation  3].  

EQUATION  3:  CURRENT  GENERATED  IN  THE  N  REGION  

 

The  important  parameters  of  the  cell  are  used  to  tailor  fit  this  curve  to  any  type  of  single  junction  photovoltaic  cell.    These  parameters  include  factors  not  dependent  on  wavelength  such  as  q23,  xp24  wp25,  sn26,  ln27,  dn28  as  well  as  some  parameters  that  are,  such  as  intensity29  and  α30.    As  an  approximation,  for  R31,  a  single  constant  value  was  used,  but  it  too  does  depend  on  wavelength.    Modeling  this  as  a  function  of  wavelength,  λ,  we  obtained  the  current  generated  by  the  N  region  at  any  given  wavelength.    And,  modeling  the  other  two  similar  current  equations,  we  obtained  the  other  regions’  current  generation  as  well.    This  can  be  seen  in  [Figure  4]  on  the  next  page.    By  looking  at  [Figure  4],  one  can  determine  a  few  things.    First,  the  cell  structure  can  easily  be  seen.    Noticing  the  different  in  generation  between  the  N  layer  and  the  P  layer  tells  us  that  the  N  region  is  much  thicker  than  the  P  region32.    One  can  also  see  that  the  space  charge  region33  is  not  very  large                                                                                                                            23  q  –  The  electric  charge  carried  by  a  single  electron  24  xp  –The  size  of  the  P  region  25  wp  –  Depletion  width  of  the  P  region  26  sn  –  Surface  recombination  velocity  in  the  N  region.    Affects  of  the  rate  of  recombination  at  the  surface.    Recombination  is  discussed  further  in  [General  structure  design]  27  ln  –  Average  diffusion  length  of  an  electron  28  dn  –  Diffusion  coefficient  of  an  electron  29  intensity  –  Refers  the  light  incident  on  the  cell  at  any  given  wavelength  30  absorption  –  Denoted,  α,  and  refers  to  the  absorption  of  light  of  a  cell  at  any  given  wavelength  31  R  –  Reflectivity  of  a  cell  at  any  given  wavelength  32  Layer  generation  –  While  it  may  seem  backwards  at  first,  solar  cells  are  minority  carrier  diffusion  driven  and  so  this  is  actually  correct.    More  on  this  can  be  found  in  the  appendix  something  33  Space  charge  region  –  Another  term  for  depletion  width  

as  it  does  not  generate  much  current.    This  tells  us  that  doping  of  this  particular  cell  is  not  too  high  since  the  space  charge  region’s  size  is  directly  proportional  to  the  doping  concentration.  

 

FIGURE  4:    INTERNAL  QUANTUM  EFFICIENCY  

Finally,  one  can  easily  determine  the  band  gap34  to  be  about  870  nm  as  that  is  where  the  QE  graph  ends.  

RESULTS  

PHOTOMASK  RESULTS  

The  photomask  [Figure  2]  has  already  been  used  to  fabricate  cells  by  Dr.  Sellers’  research  group.    The  first  of  these  fabricated  cells  have  been  the  results  of  the  1mm2  electrode  pattern.    This  can  be  seen  on  the  following  page  in  [Figure  5]  with  green  to  show  the  second  mask  for  clarity.    Additionally,  some  optical  microscope  images  of  the  fabricated  cells  can  be  seen  on  the  next  page  as  well  in  [Figure  6]  with  the  left  cell  showing  the  1mm2  electrode  pattern  applied  to  a  cell,  but  without  the  second  mask  applied  and  the  right  cell  showing  the  1mm2  electrode  pattern  again  already  applied  to  a  cell,  but  also  the  second  mask  applied,  which  can  be  seen  by  examining  the  edges  of  the  cell.    

                                                                                                                         34  Band  gap  –  Discussed  in  [Band  gap]  

 

FIGURE  5:  1MM^2  ELECTRODE  PATTERN  WITH  SECOND  MASK  ON  TOP  

 

 

FIGURE  6:    1MM^2  ELECTRODE  PATTERN  (LEFT)  AND  1MM^2  ELECTRODE  PATTERN  WITH  THE  OVERLAYING  SECOND  MASK  APPLIED  (RIGHT)  

MODELING  RESULTS  

DATA  FITTING  

The  model  used  in  this  project  to  produce  valid  quantum  efficiency  curves  for  different  data  did  have  mixed  results.    These  results  can  be  seen  explictly  in  [Figure  7]  on  the  next  page.  

 

 

FIGURE  7:    DATA  FITTING  OF  EXTERNAL  QUANTUM  EFFICIENCY  

The  optical  absorption  used  in  this  project  is  the  reason  for  the  inability  to  fit  the  data  properly.    This  is  believed  to  be  the  case  and  not  something  else  for  example,  because  of  what  is  happening  in  the  upper  regime  of  the  wavelength.    The  model  used  here  has  a  different  band  gap  than  the  cell’s  data  shows.    This  means  that  the  absorption  for  the  model  is  different  to  the  absorption  of  the  data.    The  absorption  used  in  the  model  was  the  result  of  experiment  on  pure  Gallium  Arsenide35  while  the  cell  being  modeled  was  not  structured  using  pure  Gallium  Arsenide.    The  material  itself  has  been  doped,  which  affects  absorption.    Additionally,  other  factors  may  contribute  to  the  altering  of  the  cell’s  absorption.    To  correct  this,  a  transmission  measurement  is  required  to  determine  the  real  absorption  happening  within  the  material.      

MODELING  CHANGES  IN  CELL  STRUCTURE  

The  model  is  able  to  predict  what  changes  cell  structure  and  quality  will  have  on  efficiency36.    This  is  shown  explicitly  on  the  next  page  in  [Figure  8]  by  using  the  same  cell  structure  as  the  model  in  [Figure  4].    Since  the  P  region’s  contribution  was  rather  large,  increasing  the  surface  recombination  velocity  decreases  the  internal  quantum  efficiency  quite  a  bit.    The  numbers  used  here  are  actually  realistic  recombination  velocity  numbers,  with  the  original  blue  line  representing  the  introduction  of  a  highly  doped  window  layer37  to  reduce  such  effects.  

                                                                                                                         35  A  common  III-­‐V  material  used  due  to  its  ideal  properties  for  solar  cells  36  Other  considerations  in  solar  cell  efficiency  design  are  discussed  further  in  [General  structure  design]  37  Window  layer  –  The  top  layer  in  the  solar  cell  that  serves  to  act  as  a  “window”  so  to  speak  in  that  it  allows  the  transmittance  of  light.    It  is  sometimes  highly  doped  to  act  as  a  passivation  layer,  which  reduces  the  effects  of  surface  recombination  

 

FIGURE  8:    SHOWING  THE  EFFECTS  OF  SURFACE  RECOMBINATION  VELOCITY  ON  OVERALL  IQE  

 

FIGURE  9:  THE  EFFECTS  OF  DECREASING  THE  DIFFUSION  LENGTH  OF  THE  HOLES  ON  OVERALL  IQE  

 

[Figure  9]  conversely  shows  the  reduction  in  contribution  of  the  model’s  N  region  structure  by  reducing  the  length  that  the  charged  carriers38,  in  this  case  the  holes,  can  travel.    By  reducing  the  distance  of  travel,  carriers  become  less  likely,  or  are  even  unlikely  entirely,  to  travel  and  be  collected  by  the  surface.    As  such,  the  contribution  of  that  region  will  decrease  as  seen.    The  numbers  used  here  were  mostly  for  effect  only  and  are  in  no  way  typical  values  for  the  diffusion  length  of  holes.  

CONCLUSION  

This  project  involved  creation  of  both  a  photomask  for  cell  fabrication  and  a  model  to  measure  created  cells’  efficiency.    The  different  electrode  designs  on  the  photomask  were  based  off  a  typical  III-­‐V  design  given  to  me  by  Dr.  Sellers.    The  photomask  is  now  currently  in  use  by  Dr.  Sellers  research  group  to  fabricate  cells.    The  model  was  obtained  from  the  derived  superposition  of  currents  within  the  solar  cell’s  different  regions.    This  model  depended  on  various  parameters  and  with  the  use  of  fitting,  can  be  used  to  extract  such  parameters.    However,  the  absorption  used  for  the  model  cannot  be  used  generically  as  I  did.    One  must  use  the  absorption  specific  to  that  cell  (or  at  least  a  better  approximation  than  pure  material)  if  a  good  result  is  desired.    Regardless,  the  model,  as  it  is  now,  can  predict  changes  in  cell  structure  and  quality  of  any  single  junction  cell  by  altering  the  parameters  that  determine  the  overall  quantum  efficiency  of  the  cell.  

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                           38  Charged  carriers  –  A  particle  free  to  move  in  the  material  that  carries  an  electric  charge.    Discussed  further  in  appendix  something  

REFERENCES  

http://en.wikipedia.org/    

Nelson,  Jenny.    The  Physics  of  Solar  Cells.    London:  Imperial  college  Press,  2003.  

http://pveducation.org/  

http://www.volker-­‐quaschning.de/articles/pv-­‐basics/index.php    

   

APPENDIX  

SOLAR  CELL  OPERATION  

INTRODUCTION  

The  sun  blankets  the  earth  in  solar  energy  every  single  day.    The  life  on  this  planet  would  not  be  possible  without  it.    Some  living  beings,  such  as  animals,  rely  indirectly  on  the  sun  for  life.    Others,  such  as  plants  harness  the  sun’s  energy  directly.    Solar  cells  can  directly  harness  the  sun’s  energy  as  well.    On  the  simplest  level,  Solar  cell  operation  works  by  absorbing  light,  and  the  accompanying  energy,  and  then  being  able  to  use  that  energy  to  do  useful  electrical  work.    The  processes  that  make  this  happen  are  discussed  in  the  following  sections.      

BAND  GAP  

Light  incident  on  the  cell  is  absorbed  by  all  semiconductors  and,  just  how  much  energy  it  takes  to  free  an  electron  depends  on  that  particular  semiconductors  band  gap.  

 

FIGURE  10:    THE  BAND  GAP  

[Figure  10]  shows  a  separation  between  the  valence  band39  and  conduction  band40  of  a  generic  semiconductor.    This  separation  involves  a  potential  difference41  that  is  typically  overcome  by  absorption  of  light.    In  general,  all  the  light  with  energy  above  the  band  gap  is  absorbed  while  light  with  energy  below  the  band  gap  is  not.    Promotion42  of  an  electron  into  the  conduction  band  from  

                                                                                                                         39  Valence  band  -­‐  The  highest  range  of  electron  energies  in  which  electrons  are  normally  present  40  Conduction  band  –  The  range  of  electron  energies  that  are  high  enough  to  free  an  electron  from  binding  with  its  atom  to  move  freely  within  the  material  of  the  structure  41  Potential  difference  –  Referring  here  to  the  electric  potential,  V.    Also  called  voltage.  42  Promotion  –  This  process  is  also  referred  to  as  generation  

the  valence  band  also  creates  what  is  called  a  hole43.    [Figure  10]  represents  the  electron  with  a  red  sphere  and  a  hole  by  a  blue  sphere.    The  electron  and  hole  are  collectively  referred  to  as  charged  carriers.  

P-­‐N  JUNCTION  

In  the  discussion  of  solar  cells,  it  is  vital  to  introduce  the  P-­‐N  junction.    The  P-­‐N  junction  is  the  region  of  cell  that  is  the  direct  result  of  bringing  two  differently  doped44  regions,  a  P  doped45  region  and  an  N  doped46  region,  into  contact  with  each  other.    

 

FIGURE  11:  THE  PN  JUNCTION  (LEFT);  THE  IV  CURVE  (RIGHT)  

The  result  is  that  the  extra  holes  from  the  P  doped  side  and  the  extra  electrons  from  the  N  doped  side  diffuse  across  the  boundary.    This  continues  to  happen  until  a  fixed  ion  region  results  from  the  diffusion.    This  fixed  ion  region  has  an  associated  built-­‐in  electric  field  (and  therefore  a  potential),  which  prevents  further  diffusion  of  the  holes  and  electrons  of  these  two  regions.    This  process  can  be  seen  in  explicitly  on  the  left  side  of  [Figure  11].    To  continue  diffusion  of  the  electrons  and  holes,  the  potential  difference  must  be  decreased.    This  can  be  accomplished  by  reducing  the  electric  field  by  applying  a  bias  to  the  P-­‐N  junction.    This  can  be  seen  on  the  right  side  of  [Figure  11].    By  increasing  the  voltage,  and  therefore  reducing  the  potential  of  the  space  charge  region,  we  eventually  see  the  current  increase  as  diffusion  can  once  again  happen.    This  current  flow  is  called  majority  carrier  current  flow  because  it  is  the  majority  carriers  that  cause  the  current  to  arise.    This  is  also  the  basis  of  a  diode47  as  well  as  a  solar  cell  operating  in  the  dark.      

 

 

                                                                                                                         43  Hole  –  The  absence  of  an  electron  that  can  be  thought  of  as  a  positive  particle  44  Doping  –  The  act  of  purposefully  introducing  impurities  into  a  semiconductor  to  increase  conduction  45  P  doping  –  Adding  atoms  with  a  missing  valence  electron  or  adding  atoms  with  added  holes.    Boron  is  an  example  46  N  doping  –  Adding  atoms  with  an  extra  valence  electron.    Phosphorous  is  an  example  47  Diode  -­‐  A  semiconductor  device  with  two  terminals,  typically  allowing  the  flow  of  current  in  one  direction  only  

 

FIGURE  12:    THE  IV  CURVE  REPRESENTING  THE  EFFECT  OF  ILLUMINATION  ON  A  CELL  

Under  illumination,  however,  electrons  and  holes  are  generated  from  the  absorption  of  light  all  over  the  cell.    If  this  happens  in  the  N  region,  the  holes  generated  will  not  be  the  majority  in  that  region  and  thus,  will  flow  back  to  the  P  side.    Conversely,  if  it  happens  in  the  P  region,  the  electrons  generated  will  flow  back  to  the  N  side.48    This  type  of  flow  is  called  a  minority  carrier  flow  and  it  is  opposite  to  the  majority  carrier  flow.    The  result  of  this  is  seen  above  in  [Figure  12].    The  cell  will  appear  to  generate  negative  current,  but  this  is  merely  convention  since  the  minority  carrier  flow  is  opposite  to  the  majority  flow.    In  addition,  one  can  see  the  maximum  amount  of  power  possible  by  a  typical  solar  cell  by  studying  the  point  where  the  current  and  voltage  are  at  their  respective  maximum.  

EFFICIENCY  CONSIDERATIONS  

MASK  DESIGN  

The  electrode  designs  seen  in  the  photomask  in  [Figure  2]  are  extremely  important  for  solar  cell  efficiency.    [Figure  13]  on  the  next  page,  is  a  close  up  of  the  1cm2  cell.    The  electrode  pattern  is  designed  in  such  a  way  to  optimize  absorption  and  the  flow  of  charged  carriers.    The  long  electrodes  that  reach  down  to  the  bottom  of  the  cell  are  called  fingers.    These  let  the  contacts  extract  as  many  of  the  carriers  as  possible  from  all  over  the  cell  while  also  not  interfering  too  much  with  the  absorption  by  being  very  thin.    Additionally,  they  are  wide  enough  to  reduce  the  resistance  as  much  as  possible.    The  structure  on  the  top  of  the  cell  is  as  large  as  possible  to  reduce  resistance  further  as  the  carriers  from  all  over  the  cell  flow  from  the  fingers  to  the  load.    In  addition,  the  electrode  pattern  has  been  designed  to  be  a  10%  contact  to  surface  area  ratio.    This  has  been  researched  to  be  an  optimum  balance  between  flow  of  carriers  and  absorption.    The  other  electrode  patterns  on  the  photomask  have  also  taken  these  design  considerations  into  account.        

                                                                                                                         48  Space  charge  region  –  Additionally,  if  it  happens  in  the  space  charge  region,  the  holes  and  electrons  are  swept  away  in  either  direction  since  no  carriers  can  exist  in  this  region  

 

FIGURE  13:  THE  1CM^2  ELECTRODE  DESIGN  

GENERAL  STRUCTURE  DESIGN  

Investigation  into  [Modeling  changes  in  cell  structure]  discussed  this  briefly,  but  other  considerations  in  design  are  important.    In  general,  for  good  solar  cell  design,  there  needs  to  be  an  optimum  band  gap.    An  optimum  band  gap  is  one  that  trades  off  the  potential  difference  with  the  amount  of  light  that  can  actually  be  absorbed.    Since  a  combination  of  both  are  needed  to  generate  power,  both  are  important  to  have.    Additionally,  strong  optical  absorption  is  required.    This  is  directly  proportional  to  material  quality  as  well  as  the  contact  design  on  top  of  the  cell.    In  the  same  vein,  reflectivity  of  light  must  be  low.    One  way  in  which  this  can  be  accomplished  is  by  using  anti  reflection  coatings.    Moreover,  carrier  collection  should  be  efficient.    This  requires  long  diffusion  lengths,  high  mobility  of  the  carriers  and  low  recombination49  rates.    There  are  different  strategies  to  make  this  happen,  and  some  of  them  have  their  own  tradeoffs  to  be  considered50.    And  as  discussed  above  in  [Mask  design],  the  electrode  design  should  make  use  of  low  resistance  contacts.    Of  course,  in  addition  to  all  of  this,  in  manufacturing  is  of  the  utmost  importance  that  the  semiconductor  be  built  with  care  so  as  not  to  cause  defects  in  the  material,  which  can  cause  their  own  problems  such  as  what  was  discussed  with  shunt  resistance  in  [IV  curve].  

                                                                                                                         49  Recombination  –  Essentially  the  opposite  of  generation  in  that  an  electron  that  has  been  generated  relaxes  back  into  the  valence  band  before  it  has  been  collected  50  Recombination  rates  –  Surface  recombination  is  discussed  further  in  [Modeling  changes  in  cell  structure],  but  in  general,  increasing  doping  to  increase  conduction,  also  increases  surface  recombination.