Abstract Due to the tunable optical absorption threshold and several intriguing physical properties, multiple-quantum-well (MQW) structures have been playing a crucial role in achieving ultra-high efficiency in tandem photovoltaic cells and various optoelectronic technologies. However, devices incorporating such nano-structures suffer from poor perpendicular carrier transport, which hinders device performance. On the other hand, designing MQWs is challenging. Simultaneously optimizing the structural parameters and constituent materials suggests a high design complexity with a large parameter space. In this report, on the basis of the quantitative analysis on the degradation of carrier transport, we propose a general design guideline for MQWs by which the structures and constituent materials can both be optimized targeting at a particular absorption threshold. We firstly demonstrate our design flow by optimizing an InGaP/InGaP strain-balanced (SB) MQW at 1.91 eV to replace In0.49Ga0.51P bulk serving as the top cell of dual-MQW triple-junction solar cells. Secondly, we apply the design concept to a conventional InGaAs/GaAsP SBMQW targeting at 1.23 eV, which is significant for not only high-efficiency single-junction photovoltaics but also current-matched tandem cells. The results illustrate the possibility of further improving current devices in terms of their constituent materials for QWs. Our design optimization method is considered to be applicable to any device based on QW structures.

中文翻译：

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用于实现高效光伏的应变平衡量子阱的通用设计指南

摘要 由于可调谐的光吸收阈值和一些有趣的物理特性，多量子阱 (MQW) 结构在串联光伏电池和各种光电技术中实现超高效率方面发挥着至关重要的作用。然而，包含这种纳米结构的器件的垂直载流子传输很差，这阻碍了器件的性能。另一方面，设计 MQW 具有挑战性。同时优化结构参数和组成材料意味着设计复杂度高，参数空间大。在本报告中，在对载流子传输退化的定量分析的基础上，我们提出了 MQW 的通用设计指南，通过该指南，可以针对特定的吸收阈值优化结构和组成材料。我们首先通过优化 1.91 eV 的 InGaP/InGaP 应变平衡 (SB) MQW 来替代 In0.49Ga0.51P 块体作为双 MQW 三结太阳能电池的顶部电池来展示我们的设计流程。其次，我们将设计概念应用于目标为 1.23 eV 的传统 InGaAs/GaAsP SBMQW，这不仅对高效单结光伏器件而且对电流匹配的串联电池都具有重要意义。结果说明了在 QW 的组成材料方面进一步改进当前器件的可能性。我们的设计优化方法被认为适用于任何基于 QW 结构的器件。我们首先通过优化 1.91 eV 的 InGaP/InGaP 应变平衡 (SB) MQW 来替代 In0.49Ga0.51P 块体作为双 MQW 三结太阳能电池的顶部电池来展示我们的设计流程。其次，我们将设计概念应用于目标为 1.23 eV 的传统 InGaAs/GaAsP SBMQW，这不仅对高效单结光伏器件而且对电流匹配的串联电池都具有重要意义。结果说明了在 QW 的组成材料方面进一步改进当前器件的可能性。我们的设计优化方法被认为适用于任何基于 QW 结构的器件。我们首先通过优化 1.91 eV 的 InGaP/InGaP 应变平衡 (SB) MQW 来替代 In0.49Ga0.51P 块体作为双 MQW 三结太阳能电池的顶部电池来展示我们的设计流程。其次，我们将设计概念应用于目标为 1.23 eV 的传统 InGaAs/GaAsP SBMQW，这不仅对高效单结光伏器件而且对电流匹配的串联电池都具有重要意义。结果说明了在 QW 的组成材料方面进一步改进当前器件的可能性。我们的设计优化方法被认为适用于任何基于 QW 结构的器件。我们将该设计概念应用于目标为 1.23 eV 的传统 InGaAs/GaAsP SBMQW，这不仅对高效单结光伏器件而且对电流匹配的串联电池都具有重要意义。结果说明了在 QW 的组成材料方面进一步改进当前器件的可能性。我们的设计优化方法被认为适用于任何基于 QW 结构的器件。我们将该设计概念应用于目标为 1.23 eV 的传统 InGaAs/GaAsP SBMQW，这不仅对高效单结光伏器件而且对电流匹配的串联电池都具有重要意义。结果说明了在 QW 的组成材料方面进一步改进当前器件的可能性。我们的设计优化方法被认为适用于任何基于 QW 结构的器件。