Handbook of Photovoltaic Science and Engineering

Figure 9.6
Contour plots of efficiency versus subcell band gaps for a series-connected
two-terminal two-junction tandem cell. Adapted from Kurtz S, Faine P and Olson J,
J. Appl. Phys.
68
, 1890 (1980) [7]. Panel (a) is calculated for the AM1.5 global spectrum, with an infinitely thick
top subcell. Panel (b) is calculated for the same spectrum, but for the top subcell thickness that
optimizes the tandem-cell efficiency at each combination of top- and bottom-cell band gap; the
dashed contours show this optimal thickness. In the region of the graph above the thickness
= ∞
contour, the tandem current is limited by the top cell. Panel (c) shows efficiencies and optimal
top-cell thicknesses calculated as in (b) but for the AM1.5 direct spectrum

---

372
HIGH-EFFICIENCY III-V MULTIJUNCTION SOLAR CELLS
18
16
14
0.92
0.91
0.90
Tandem 
FF
4
5 6 7 8 9
1
2
3
4 5
Top-cell thickness
[µ
m]
1
Top-cell thickness
[µ
m]
18
16
14
12
4
5 6 7 8 9
2
3
4 5
22
20
18
16
14
12
10
Subcell 
J
SC
[mA/cm
2
]
Subcell 
J
SC
[mA/cm
2
]
Subcell 
J
SC
[mA/cm
2
]
2.1
2.0
1.9
1.8
1.7
Top-cell band gap
[eV]
AM1.5 global
AM1.5 direct
AM1.5 global
Top subcell
Bottom subcell
Top subcell
Bottom subcell
Top subcell
Bottom subcell
(a)
(b)
(c)
(d)
Figure 9.7
(a)
J
SCt
and
J
SCb
for an infinitely thick top subcell as a function of top-subcell band gap
E
gt
for a bottom-subcell band gap
E
gb
=
1
.
42 eV. (b)
J
SCt
and
J
SCb
as a function of top-subcell thickness for
the AM1.5 global spectrum, with
E
gb
=
1
.
42 eV and
E
gt
=
1
.
85 eV. The subcells are current matched at
a base thickness of 0.7
µ
m. (c) The corresponding tandem-cell fill factor. (d)
J
SCt
and
J
SCb
as a function
of top-subcell thickness as in (b) but for the AM1.5 direct spectrum. The current-matching thickness is
significantly greater than that for the global spectrum
on the top-subcell band gap. As noted above, lowering the top-subcell band gap while
holding the bottom-subcell band gap constant increases the top-subcell
J
SC
at the expense
of the bottom-subcell
J
SC
. Figure 9.7(a) illustrates this for the case at hand by showing
J
SCt
and
J
SCb
as a function of
E
gt
for
E
gb
=
1
.
42 eV. The
J
SC
for the series-connected
combination of these two cells will be the lesser of
J
SCt
and
J
SCb
. The figure shows
that this quantity is a maximum at the current-matched band gap
E
gt
=
1
.
95 eV, and
falls off rapidly as
E
gt
decreases below 1.95 eV. This falloff in
J
SC
due to the bottom
subcell limiting the photocurrent at low
E
gt
is responsible for the corresponding drop-off
in the tandem-cell efficiency shown in Figure 9.6(a). This dependence of tandem
J
SC
and
efficiency on
E
gt
would suggest that a GaInP/GaAs cell would not have a useful high
efficiency. Fortunately, as will be discussed in the next section, this rapid drop-off of
efficiency can be greatly alleviated by thinning the top subcell.