Wprowadzenie

W miarę jak komercyjne loty kosmiczne stale rosną, statki kosmiczne potrzebują coraz więcej energii elektrycznej. Fotowoltaika kosmiczna stanowi główne źródło zasilania dla większości statków kosmicznych, więc wybór technologii ogniw słonecznych bezpośrednio wpływa na sukces misji, jej opłacalność i konkurencyjność na rynku.

Obecnie istnieją trzy główne kierunki technologiczne: arsenek galu (GaAs), heterozłącze typu p (HJT) oraz tandemowe ogniwa HJT typu p/perowskit. Patrząc na kierunek rozwoju technologii i jej długoterminowy potencjał oraz analizując kluczowe zalety i wady każdej ścieżki, GaAs wciąż wychodzi na prowadzenie. Pomimo wyzwań związanych z kosztami, jego niezrównana wszechstronna wydajność, sprawdzona niezawodność w ekstremalnych warunkach oraz wyraźna i znacząca przestrzeń do redukcji kosztów sprawiają, że GaAs jest najlepszym wyborem dla komercyjnych misji kosmicznych o wysokiej wartości i wysokiej niezawodności zarówno dziś, jak i w ciągu najbliższych 3-5 lat.

Zalety trójzłączowych ogniw GaAs

Wysoka wydajność

Pasmo wzbronione GaAs (1,42 eV) znajduje się w teoretycznie optymalnym zakresie. Ponadto ogniwa wielozłączowe układają warstwy GaInP, GaAs i Ge, które pochłaniają odpowiednio fotony o wysokiej, średniej i niskiej energii, co znacznie poszerza zakres widma, które mogą wykorzystać. Najnowsze trójzłączowe ogniwa GaAs do fotowoltaiki kosmicznej osiągają obecnie sprawność konwersji mocy powyżej 30%.

Wysoka niezawodność

Silna odporność na promieniowanie i doskonała stabilność w wysokich temperaturach sprawiają, że ogniwa te idealnie pasują do podstawowych potrzeb zaawansowanych, długotrwałych misji. Przewaga wydajnościowa jest wystarczająca, aby zrekompensować wyższy koszt.

Dojrzała technologia z długą historią na orbicie

W 1965 roku satelita Venera 3 byłego Związku Radzieckiego jako pierwszy zastosował ogniwa GaAs. W 1995 roku pierwszy komercyjny satelita komunikacyjny MEASAT wykorzystał pojedyncze złącze GaAs jako główne źródło zasilania, a konstrukcja paneli słonecznych stworzyła kompletną bazę danych potwierdzającą, że ogniwa GaAs mogą zaspokoić potrzeby energetyczne statku kosmicznego przez cały cykl życia. Od tego czasu ogniwa GaAs stopniowo zastępowały starsze ogniwa jako podstawowe jednostki wytwarzające energię na statkach kosmicznych, ewoluując krok po kroku od konstrukcji jednozłączowej do wielozłączowej.

Dlaczego zaprojektowano go jako strukturę trójzłączową?

Każdy materiał półprzewodnikowy może efektywnie absorbować tylko fotony o energii większej niż jego przerwa energetyczna. Fotony o zbyt małej energii nie mogą być wykorzystane, a fotony o zbyt dużej energii tracą nadmiar w postaci ciepła (straty termalizacji). Ogniwo jednozłączowe nie może idealnie dopasować swojej przerwy energetycznej do widma słonecznego. Weźmy na przykład ogniwo krzemowe jednozłączowe: może absorbować fotony w zakresie 0,3-1,1 μm (300 nm-1100 nm), pracując głównie w paśmie 0,38 μm-0,7 μm. Dlatego ogniwa krzemowe jednozłączowe mają ograniczoną maksymalną wydajność, z teoretycznym limitem około 29,7%.

Ogniwo trójzłączowe dzieli pracę na trzy podogniwa, dzieląc widmo słoneczne na trzy segmenty, tak aby każde podogniwo działało w swoim optymalnym paśmie. To znacznie zmniejsza zarówno straty termalizacji, jak i straty niedopasowania widmowego. Teoretycznie ogniwa wielozłączowe mogą osiągnąć wydajność bliską 50%, znacznie wyższą niż w przypadku konstrukcji jednozłączowej.

Struktura trójzłączowego ogniwa GaAs

Trójzłączowe ogniwo GaAs jest podzielone na trzy części: górne ogniwo, środkowe ogniwo i dolne ogniwo. Każda część wykorzystuje różne główne materiały (obszar bazy) i pełni inną rolę.

Górne ogniwo

Zazwyczaj AlGaInP / GaInP, z przerwą energetyczną około 1,8-1,9 eV. Absorbuje głównie fotony o krótkiej długości fali (ultrafiolet, światło niebieskie). Górne ogniwo pochłania fotony o wysokiej energii i zmniejsza straty termalizacji.

Środkowe ogniwo

Zazwyczaj InGaAs lub GaAs, z przerwą energetyczną około 1,42 eV. Absorbuje głównie fotony o średniej i długiej długości fali (światło zielone, żółte, czerwone). Środkowe ogniwo obsługuje średnie i długie fale i dostarcza większość fotoprądu.

Dolne ogniwo

Zazwyczaj Ge, z przerwą energetyczną około 0,67 eV. Absorbuje głównie fotony o długiej długości fali (bliska podczerwień). Dolne ogniwo wychwytuje silnie penetrujące światło podczerwone.

Teraz omówmy, co robi każda warstwa.

① Warstwa kontaktowa

Znajdująca się bezpośrednio nad zewnętrzną warstwą Cap, jest to warstwa półprzewodnikowa, której bezpośrednio dotyka elektroda metalowa. Zwykle jest silnie domieszkowana n⁺⁺-GaAs lub n⁺⁺-GaInP. Jej głównym zadaniem jest obniżenie rezystancji kontaktowej – silne domieszkowanie pomaga w utworzeniu dobrego kontaktu omowego z elektrodą metalową i zmniejsza straty elektryczne. Chroni również obszar aktywny, izolując elektrodę metalową od delikatnego obszaru aktywnego poniżej (warstwa okienna, emiter itp.), aby zapobiec uszkodzeniom procesowym.

② Warstwa Cap

Znajduje się nad warstwą okienną i pod powłoką antyrefleksyjną, pomiędzy warstwą antyrefleksyjną a warstwą kontaktową. Zwykle jest to GaAs, choć niektóre projekty wykorzystują przezroczyste tlenki przewodzące (TCO), takie jak ITO. Jej główną rolą jest wspomaganie zbierania prądu jako „elektroda pomocnicza”, współpracująca z warstwą kontaktową w celu zbierania i wyprowadzania prądu bocznie – szczególnie przydatna w projektach z drobną siatką. Jej grubość i współczynnik załamania mogą być również dostrojone, aby uczestniczyć w projektowaniu optycznym i zapewnić pomocniczy efekt antyrefleksyjny.

③ Warstwa Okienna

Znajduje się nad emiterem, zwykle wykonana z AlInP, AlGaInP lub AlGaAs. Jej główną rolą jest redukcja rekombinacji powierzchniowej: szerokopasmowy charakter materiału oznacza, że pochłania mało światła, a tworzy złącze wysokiego-niskiego poziomu, które wypycha fotogenerowane nośniki (elektrony) w głąb emitera, zmniejszając straty rekombinacyjne na defektach powierzchniowych. Działa również jak „parasol”, chroniąc obszar złącza przed uszkodzeniami podczas późniejszych procesów, takich jak naparowywanie elektrod.

④ Emiter

Znajduje się poniżej warstwy okiennej i powyżej bazy, tworząc złącze PN z bazą. Zwykle jest to GaInP lub GaAs typu N. Jego główną rolą jest działanie jako „elektroda dodatnia”, zbieranie fotogenerowanych elektronów i przewodzenie ich do obwodu zewnętrznego. Równoważy również absorpcję światła i zbieranie – poprzez staranne dostrojenie grubości i stężenia domieszkowania, jest wystarczająco gruby, aby pochłaniać światło krótkofalowe, ale nie tak gruby, aby nośniki rekombinowały podczas dyfuzji.

⑤ Baza

Znajduje się poniżej emitera i powyżej warstwy BSF, jest głównym ciałem złącza PN. Zwykle jest to GaInP lub AlGaInP typu p. Jako główny obszar pochłaniania światła, jest „roboczym koniem” górnego ogniwa, pochłaniając większość światła krótkofalowego (niebieskiego i ultrafioletowego), generując fotogenerowane pary elektron-dziura i efektywnie transportując fotogenerowane dziury do tylnej warstwy BSF lub elektrody.

⑥ Warstwa BSF (Pole Powierzchni Tylnej)

Znajduje się poniżej bazy i powyżej złącza tunelowego, tworząc złącze wysokiego i niskiego poziomu z bazą po tylnej stronie. Materiał to zazwyczaj szerokopasmowy p-AlGaInP, AlGaAs itp. Jego główną rolą jest tłumienie rekombinacji nośników wstecznych: warstwa BSF tworzy „barierę” z tyłu bazy, która zapobiega rekombinacji fotogenerowanych dziur podczas dyfuzji w kierunku tylnej elektrody, zwiększając tym samym napięcie i wydajność.

⑦ Reflektor

Znajduje się między górnym a środkowym ogniwem lub między środkowym a dolnym ogniwem. Jest to rozproszony reflektor Bragga (DBR) wykonany z naprzemiennych materiałów o wysokim i niskim współczynniku załamania, takich jak AlAs/AlGaAs lub AlInP/AlGaInP. Jego głównym zadaniem jest odbijanie z powrotem światła o średniej i długiej fali, które nie zostało pochłonięte przez górne i środkowe ogniwa i ma tendencję do ucieczki, umożliwiając drugie przejście absorpcji, co zwiększa całkowity prąd i wydajność.

⑧ Złącze tunelowe

Znajduje się między podogniwami, wykonane z silnie domieszkowanych cienkich warstw (np. n++GaAs / p++GaAs). Działa jak „tunel kwantowy”, umożliwiając wydajne przejście fotogenerowanych nośników przy jednoczesnym zachowaniu niezależności elektrycznej każdego podogniwa.

Struktura środkowego ogniwa jest podobna do struktury górnego ogniwa, tylko z innymi materiałami, więc nie będziemy jej tutaj powtarzać. Poniżej krótko omówimy, co różni się w dolnym ogniwie.

⑨ Warstwa buforowa

Umieszczona między dolnym a środkowym ogniwem, rozwiązuje problem niedopasowania sieci krystalicznej. Gdy materiał dolnego ogniwa (np. InGaAs) nie pasuje do stałej sieciowej materiału górnego (np. GaAs), warstwa buforowa wykorzystuje strukturę „gradientową” lub „metamorficzną”, aby stopniowo uwalniać naprężenia i „przechwytywać” dyslokacje przenikające, utrzymując je poza obszarem aktywnym dolnego ogniwa, poprawiając tym samym wydajność ogniwa.

⑩ Baza dolnego ogniwa

Znajduje się po „grubej” stronie złącza PN dolnego ogniwa. Jest to zazwyczaj podłoże p-Ge. Jego główną funkcją jest absorpcja długofalowego światła podczerwonego, służąc jako główne źródło fotogenerowanych nośników w dolnym ogniwie.

Kilka uwag

W oznaczeniach typu P/N, N++/P++ i podobne wskazują na lekkie lub silne domieszkowanie. Struktura trójzłączowego ogniwa GaAs przedstawiona w tym artykule pomija dla uproszczenia strukturę elektrod, strukturę warstwy antyrefleksyjnej itp.

Referencje:

• Trójzłączowe ogniwo słoneczne z reflektorem i sposób jego wytwarzania - 2022-0804

• Trójzłączowe ogniwo słoneczne InGaP/InGaAs/Ge z mikronano strukturą antyrefleksyjną i sposób jego wytwarzania - 2018-0425

• Sposób wytwarzania trójzłączowego ogniwa słonecznego oraz trójzłączowe ogniwo słoneczne - 2020-11-13

Opinia Ooitech

Ooitech wierzy: trójzłączowe ogniwa GaAs, poprzez podział widma słonecznego na trzy podogniwa, zapewniają wysoką wydajność i sprawdzoną niezawodność, co czyni je wiodącym wyborem dla dzisiejszych zaawansowanych misji kosmicznych.