Photovoltaic energy systems are a promising technology for reducing the need of fossil fuels. To date, the highest efficiencies have been reached with multijunction solar cells fabricated from III–V semiconductor compounds. These devices utilize the solar spectrum effectively by dividing it into separate semiconductor layers with specified band gap energies. Compared to single-junction solar cells, the multijunction structure produces less optical and thermal losses. The world-record efficiency has been reached with a multijunction solar cell illuminated with concentrated sunlight. When sunlight is concentrated with optical elements, such as lenses and mirrors, the area of the solar cell can be significantly reduced, which results in considerable material and cost savings. When the intensity of the incident sunlight is multiplied according to the concentration factor, the amount of current produced in a solar cell increases.
When the increased current flows through the semiconductor layers and through the metal contacts of the solar cell into the external load, power losses are produced. One way to compensate the power losses is by optimizing the front contact grid design. In general, the balance must be found between the resistive losses and the shadowing effect associated with the front contact. This thesis work was focused on the optimization of the linear front contact design through literature and experimental research. In the experiments, III-V semiconductor solar cells were fabricated with different contact finger spacings varying from 20 µm to 125 µm. The solar cell structures were grown by molecular beam epitaxy, and photolithographic processing in the cleanroom environment was used to prepare the solar cell devices. The fabrication of the solar cell devices was successful and reliable characterization was possible. The electrical characterization of the solar cells was focused on the top cell of a multijunction solar cell since it acts as a lateral current-spreading layer, and therefore, it can be assumed that the front contact has the most effect on the electrical behaviour of the top cell. The current-voltage behaviour of the solar cells was measured under one-sun and concentrated conditions, which showed predicted behaviour. The highest measured efficiency had the value of 13.48% with the contact finger spacing of 75 µm under the concentration level of 200×. Moreover, the electrical behaviour of the solar cells was significantly affected by increasing the concentration level from 200× to 1000× which showed the domination of resistive losses over the shadowing with the wider contact finger spacings. When the concentration factor was increased to 1000, it was observed that the optimal finger spacing giving the highest efficiency was reduced to 40 µm.
For the further optimization of the properties of the front contact, a simulation model based on Mathworks Simulink-tool was developed allowing the simulations of the current-voltage behaviour of the solar cells under varying concentrated conditions. Based on the simulated results, it was shown that the good conductivity of metal becomes significant when the dimensions of the contact fingers are reduced. Therefore, the further investigation of silver-based front contacts should be considered. The dimensions of the front contact in the simulations were chosen based on the limitations set by the photolithographic fabrication technique.
Based on the study conducted in this thesis work, optimized finger spacing, and the design of the front contact grid was experimentally achieved for the solar cells in concentrator use. Furthermore, these results are essential in the research on the multijunction solar cells reaching ultra-high efficiencies over 50%.Aurinkoenergian yhä tehokkaampi hyödyntäminen on välttämätöntä fossiilisten polttoaineiden korvaamisella uusiutuvilla energialähteillä. Tällä hetkellä tehokkaimmat ja korkeimman hyötysuhteen omaavat aurinkokennot valmistetaan III–V puolijohdemateriaaleista moniliitosrakenteella. Näiden aurinkokennojen toiminnan periaatteena on jakaa auringon spektri eri puolijohdekerroksille, mikä mahdollistaa aurinkokennon korkeamman hyötysuhteen sekä vähentää optisia ja termisiä häviöitä. Maailmanennätys hyötysuhde on saavutettu keskitettyä auringonvaloa hyödyntävällä III–V moniliitosaurinkokennolla. Kun auringonvaloa keskitetään edullisten optisten elementtien, kuten peilien ja linssien avulla, voidaan valmistaa hyvin pieniä aurinkokennokomponentteja, mikä laskee materiaalikustannuksia. Auringonvalon keskittäminen moninkertaistaa aurinkokennolle osuvan valon intensiteetin, mikä kasvattaa merkittävästi aurinkokennon tuottamaa sähkövirtaa.
Sähkövirran kasvu aiheuttaa aurinkokennossa tehohäviöitä, kun suurempi sähkövirta kulkee puolijohdekerroksista metallikontaktien kautta ulkoiseen kuormaan. Etukontaktia optimoimalla voidaan merkittävästi vähentää syntyviä tehohäviöitä. Etukontaktin kuviointi suunnitellaan siten, että virran kerääminen tapahtuu mahdollisimman tehokkaasti aurinkokennon etupinnalta. Samalla etukontaktin aiheuttama varjostusefekti tulee minimoida. Tyypillinen etukontakti muodostaa lineaarisen sormikuvion. Tässä diplomityössä perehdyttiin etukontaktin optimointiin kirjallisuusselvityksen sekä kokeellisen tutkimuksen avulla. Kokeellisessa osassa valmistettiin aurinkokennoja erilaisilla etukontaktin sormikuvioilla, joissa sormien välitys vaihteli 20 µm:sta ja 125 µm:iin. Tutkitut aurinkokennorakenteet kasvatettiin molekyylisuihkuepitaksialla ja aurinkokennokomponentit prosessoitiin fotolitografia-menetelmällä puhdastilaolosuhteissa. Valmistettujen aurinkokennojen karakterisoinnissa keskityttiin moniliitosaurinkokennon päällimmäisen alikennoon, sillä se toimii virranlevityskerroksena, jolloin etukontaktin vaikutus näkyy kaikista selkeimmin sen sähköisissä ominaisuuksissa. Aurinkokennojen virta-jännite-käyttäytyminen mitattiin yhden auringon sekä keskitetyn auringonvalon olosuhteissa, joista korkein saavutettu hyötysuhde oli 13,48%, kun konsentraatiokerroin oli 200 ja kontaktisormien välitys 75 µm. Samalla havaittiin, että aurinkokennojen sähköisiin ominaisuuksiin vaikutti merkittävästi konsentraatiokertoimen kasvattaminen erityisesti suuremmilla kontaktisormien välityksillä, minkä pääteltiin johtuvan merkittävistä tehohäviöistä verrattuna varjostusefektiin. Kun konsentraatio kasvatettiin 1000 aurinkoon, korkeimman hyötysuhteen tuotti kontaktisormien välitys 40 µm.
Etukontaktin optimointia tutkittiin myös MathWorks Simulink-ohjelmistoon perustuvalla simulaatiomallilla, jonka avulla pystyttiin laskemaan aurinkokennon sähköisiä ominaisuuksia keskitetyn auringonvalon olosuhteissa erilaisilla etukontaktien ominaisuuksilla. Simulaatiomallin tuottamien tulosten perusteella todettiin, että kontaktisormiin käytettävän metallin sähkön johtavuudella on sitä suurempi merkitys, mitä kapeampia ja matalampia kontaktisormia käytetään. Näin ollen hopea on varteenotettava metalli kontaktisormien valmistuksessa. Simuloitujen kontaktisormien mitat valittiin valmistusmenetelmien rajoitteiden mukaisesti.
Tämän diplomityön kokeellisessa tutkimuksessa onnistuttiin optimoimaan etukontaktin kuviointi kontaktisormien välitystä muuttamalla keskitetyn auringonvalon aurinkokennoihin. Saatujen tulosten perusteella voidaan valmistaa yhä tehokkaampia moniliitosaurinkokennoja ja tavoitella jopa yli 50% hyötysuhdetta
