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内蒙古大学本科学年论文 本科学年论文 基于准费米能级变化对细致平 衡极限效率的影响 学院、系 物理科学与技术学院物理系 专业名称 物理基地 2014年9月1日 Detailed Balance Efficiency Limits with Quasi-Fermi Level Variations Abstract A central assumption in detailed balance efficiency limit calculations has been that the light generated carriers are collected by drift transport processes and have an infinite mobility, giving rise to constant quasi-Fermi levels (QFL’s) across the solar cell. However, recent experimental and theoretical results for quantum well (QW) devices indicate that the QFL’s need not be constant across the device. It is shown in this paper that transport mechanisms which cause a variation in the difference between the electron and hole QFL’s give an increase in the limiting efficiency compared to previous detailed balance calculations. Further, QW solar cells which employ hot carrier transport across a well will have an efficiency limit in excess of a tandem solar cell while using the same number of semiconductor materials. Index Terms— Detailed balance, hot carriers, quantum well solar cells, quasi-Fermi levels. 基于准费米能级变化对细致平衡效率极限的影响 摘要 在细致平衡模型中一个重要假设就是光生载流子在漂移输运过程中被全部收集，并且有无限大迁移率.提高了太阳能电池中准费米能级的连续性.然而，最近量子阱太阳能电池相关联的实验与理论结果表明准费米能级在电池内部是不连续的.本文表明，和之前的结论相比，引起电子和空穴变化的输运机制限制了极限效率.进一步来说，考虑应用了热载流子输入穿过一个量子阱的太阳能电池的效率将会大于同样材料半导体电池的极限效率. 关键词：细致平衡 热载流子 量子阱太阳能电池 准费米能级 引言： 对于太阳能电池的设计仿真和实验等光伏课题来说，太阳能电池的理论极限效率是一个重要的参数，细致平衡方法是决定理论效率最常用的方法.它第一次被肖克来和薛定谔所应用.这种方法经历了几次修正，在新增的物理机制里更加精确，并且反过来在新的机制中证实了原来的猜想. 当单层异质结和双层串联的太阳能电池接近它们的理论极限之后，能够克服细致平衡极限的太阳能.电池结构正在研究中.Barnham和Duggan提出了一个建议，那就是用量子阱太阳能电池提供了一个提高单节极限效率的方法.以前的细致平衡模型表明提高单节极限效率是不可能的，这些结论认为准费米能级是充满整个结构的.然而，如果不把细致平衡考虑在占统治地位的输运机制内，以阱为模型表明准费米能级不总是连续的。相反地，为了进一步了解太阳能电池的结构和以输运为代表的物理机制对效率的影响，建立细致平衡是有必要的. 2.标准细致平衡 细致平衡建立遵循一个原则，那就是光生电流是由于光子吸收率和由于辐射复合产生的光子发射率的不同.装置内电压等于电子和空穴在准费米能级接触点的分布.准费米能级的接触点也决定了电子和空穴的复合率.因此，净电流和产生的电量可以用电压和带隙能量的函数表示出来.方程如下： （1） （2）