Ogniwo słoneczne GaAs z potrójnym złączem — struktura i korzyści

Krótka odpowiedź: Ogniwo słoneczne GaAs z trzema złączami łączy trzy złącza fotowoltaiczne, z których każde jest dostrojone do absorpcji innego pasma widma słonecznego, na podłożu z arsenku galu. Ponieważ każde złącze przekształca tylko fotony, do których jest dopasowane, a niewykorzystane światło przechodzi do warstwy poniżej, stos przekształca znacznie większą część widma niż jednorazłączowe ogniwo krzemowe. Dlatego ogniwa GaAs z trzema złączami przekraczają 30% wydajności przy koncentracji, w porównaniu z około 22% do 24% dla głównego nurtu krzemu. Kompromisem jest koszt: epitaksja GaAs na podłożach germanowych lub GaAs jest o rzędy wielkości droższa za wat niż krzem, więc technologia ta jest ograniczona do fotowoltaiki koncentratorowej i statków kosmicznych, gdzie moc na kilogram ma większe znaczenie niż koszt za wat. Macierze kosmiczne wykorzystują je, ponieważ masa i złożona powierzchnia są ograniczeniami decydującymi.

Produkcja modułów PV · autor: Jerry, Ooitech

Wprowadzenie

W miarę ciągłego rozwoju komercyjnych lotów kosmicznych statki kosmiczne potrzebują coraz więcej energii elektrycznej. Fotowoltaika kosmiczna służy jako główne źródło zasilania dla większości statków kosmicznych, więc wybór technologii ogniw słonecznych bezpośrednio kształtuje, czy misja zakończy się sukcesem, jak opłacalna jest oraz jak konkurencyjna pozostaje na rynku.

Obecnie istnieją trzy główne kierunki technologiczne: arsenek galu (GaAs), heterozłącze typu p (HJT) oraz ogniwa tandemowe HJT/perovskite typu p. Patrząc na kierunek rozwoju technologii i jej długoterminowy potencjał oraz analizując główne 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 wyraźny, znaczny potencjał redukcji kosztów czynią GaAs najlepszym wyborem dla wysokowartościowych, wysoce niezawodnych komercyjnych misji kosmicznych zarówno dziś, jak i w ciągu najbliższych 3-5 lat.

Zalety ogniw trójzłączowych GaAs

Wysoka wydajność

Przerwa energetyczna GaAs (1,42 eV) znajduje się dokładnie w teoretycznie optymalnym zakresie. Ponadto ogniwa wielozłączowe łączą warstwy GaInP, GaAs i Ge, które absorbują odpowiednio fotony o wysokiej, średniej i niskiej energii, co znacznie poszerza wykorzystywane widmo. Najnowsze trójzłączowe ogniwa GaAs do fotowoltaiki kosmicznej osiągają obecnie sprawność konwersji energii powyżej 30%.

Wysoka niezawodność

Silna odporność na promieniowanie i doskonała stabilność w wysokich temperaturach sprawiają, że ogniwa te idealnie odpowiadają podstawowym potrzebom zaawansowanych, długotrwałych misji. Przewaga wydajności wystarcza, aby zrekompensować wyższy koszt.

Dojrzała technologia z długą historią na orbicie

W 1965 roku radziecki satelita Venera 3 jako pierwszy wykorzystał ogniwa GaAs. W 1995 roku pierwszy komercyjny satelita telekomunikacyjny MEASAT użył pojedynczego złącza GaAs jako głównej jednostki zasilającej, a projekt paneli słonecznych stworzył kompletną bazę danych potwierdzającą, że ogniwa GaAs mogą zaspokoić zapotrzebowanie statku kosmicznego na energię w całym cyklu życia. Od tego czasu ogniwa GaAs stopniowo zastępowały starsze ogniwa jako podstawową jednostkę wytwarzającą energię na statkach kosmicznych, ewoluując krok po kroku od konstrukcji pojedynczego złącza do wielozłączowych.

Dlaczego projektuje się 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, natomiast fotony o zbyt dużej energii tracą nadmiar w postaci ciepła (strata termalizacyjna). Przerwa energetyczna ogniwa pojedynczego złącza nie może idealnie dopasować się do widma słonecznego. Weźmy jako przykład ogniwo krzemowe z pojedynczym złączem: 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 z pojedynczym złączem mają ograniczony pułap wydajności, z teoretycznym limitem około 29,7%.

Ogniwo trójzłączowe rozdziela pracę na trzy podogniwa, dzieląc widmo słoneczne na trzy segmenty, tak aby każde podogniwo pracowało w najlepiej dopasowanym paśmie. Znacznie zmniejsza to zarówno straty termalizacyjne, jak i straty wynikające z niedopasowania widmowego. Teoretycznie ogniwa wielozłączowe mogą osiągnąć wydajność blisko 50%, znacznie wyższą niż może zapewnić struktura pojedynczego złącza.

Struktura trójzłączowego ogniwa GaAs

Trójzłączowe ogniwo GaAs dzieli się na trzy części: ogniwo górne, ogniwo środkowe i ogniwo dolne. Każda część wykorzystuje inne materiały główne (obszar bazowy) i pełni inną rolę.

Ogniwo górne

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

Ogniwo środkowe

Zwykle InGaAs lub GaAs, z przerwą energetyczną około 1,42 eV. Absorbuje głównie fotony o średniej i długiej długości fali (światło zielone, żółte, czerwone). Ogniwo środkowe obsługuje średnie i długie długości fal i wnosi największy wkład w fotoprąd.

Ogniwo dolne

Zwykle Ge, z przerwą energetyczną około 0,67 eV. Absorbuje głównie fotony o długiej długości fali (bliska podczerwień). Ogniwo dolne wychwytuje silnie przenikające światło podczerwone.

Przejdźmy teraz przez to, co robi każda warstwa.

① Warstwa kontaktowa

Znajduje się bezpośrednio nad najbardziej zewnętrzną warstwą Cap – jest to warstwa półprzewodnika, z którą bezpośrednio styka się elektroda metalowa. Zazwyczaj jest to silnie domieszkowany n⁺⁺-GaAs lub n⁺⁺-GaInP. Jej głównym zadaniem jest obniżenie rezystancji kontaktu – silne domieszkowanie pomaga wytworzyć dobry kontakt omowy z elektrodą metalową i zmniejsza straty elektryczne. Chroni również obszar aktywny, izolując elektrodę metalową od delikatnego obszaru aktywnego poniżej (warstwa okna, emiter itp.), aby zapobiec uszkodzeniom procesowym.

② Warstwa Cap

Znajduje się nad warstwą okna i pod powłoką antyrefleksyjną, pomiędzy filmem antyrefleksyjnym a warstwą kontaktową. Zazwyczaj jest to GaAs, choć w niektórych konstrukcjach stosuje się przezroczyste tlenki przewodzące (TCO), takie jak ITO. Jej główną rolą jest wspomaganie zbierania prądu jako „elektroda pomocnicza”, współpracując z warstwą kontaktową w celu zbierania i odprowadzania prądu w kierunku poprzecznym – szczególnie przydatna w konstrukcjach z cienkoliniową siatką. Jej grubość i współczynnik załamania można również dostroić, aby brała udział w projektowaniu optycznym i zapewniała pomocniczy efekt antyrefleksyjny.

③ Warstwa okna

Znajduje się nad emiterem, zazwyczaj wykonana z AlInP, AlGaInP lub AlGaAs. Jej główną rolą jest zmniejszenie rekombinacji powierzchniowej: szeroka przerwa energetyczna materiału oznacza, że pochłania niewiele światła, a tworzy złącze wysokoniskie, które kieruje nośniki fotogenerowane (elektrony) w głąb emitera, zmniejszając straty rekombinacyjne na defektach powierzchniowych. Działa również jako „parasol”, chroniąc obszar złącza przed uszkodzeniami podczas późniejszych procesów, takich jak naparowywanie elektrod.

④ Emiter

Znajduje się pod warstwą okna i nad bazą, tworząc złącze PN z bazą. Zazwyczaj 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 z kolekcją – poprzez staranne dostrojenie grubości i koncentracji domieszkowania jest wystarczająco gruby, aby absorbować światło krótkofalowe, ale nie tak gruby, aby nośniki rekombinowały podczas dyfuzji.

⑤ Baza

Znajduje się pod emiterem i nad warstwą BSF – jest to główny korpus złącza PN. Zazwyczaj jest to GaInP lub AlGaInP typu p. Jako główny obszar pochłaniania światła jest „koniem roboczym” 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 (tylne pole powierzchniowe)

Znajduje się poniżej bazy i powyżej złącza tunelowego, tworząc złącze wysokoniskie z bazą po stronie tylnej. Materiałem jest zwykle szerokopasmowy p-AlGaInP, AlGaAs i tym podobne. Jego główną rolą jest tłumienie odwrotnej rekombinacji nośników: warstwa BSF tworzy "barierę" na tyle bazy, która zatrzymuje fotogenerowane dziury przed rekombinacją podczas ich dyfuzji w kierunku tylnej elektrody, zwiększając w ten sposób napięcie i wydajność.

⑦ Reflektor

Znajduje się między ogniwem górnym a środkowym lub między ogniwem środkowym a dolnym. Jest to rozproszony reflektor Bragga (DBR) hodowany naprzemiennie z materiałów o wysokim i niskim współczynniku załamania, takich jak AlAs/AlGaAs lub AlInP/AlGaInP. Jego głównym zadaniem jest odbicie światła o średniej i długiej długości fali, które nie zostało pochłonięte przez ogniwa górne i środkowe i ma uciec, umożliwiając drugi przebieg absorpcji, co podnosi całkowity prąd i wydajność.

⑧ Złącze tunelowe

Znajduje się między podogniwami, wykonane z silnie domieszkowanych cienkich warstw (takich jak n++GaAs / p++GaAs). Jak "tunel kwantowy" pozwala fotogenerowanym nośnikom przepływać wydajnie, jednocześnie utrzymując każde podogniwo elektrycznie niezależnym.

Struktura ogniwa środkowego jest podobna do struktury ogniwa górnego, tylko z innymi materiałami, więc nie będziemy jej tutaj powtarzać. Poniżej krótko omówimy, czym różni się ogniwo dolne.

⑨ Warstwa buforowa

Umieszczona między ogniwem dolnym a środkowym, rozwiązuje problem niedopasowania sieci krystalicznej. Gdy materiał ogniwa dolnego (taki jak InGaAs) nie pasuje do stałej sieci materiału górnego (takiego jak GaAs), warstwa buforowa wykorzystuje strukturę "gradowaną" lub "metamorficzną sieć" do stopniowego uwalniania naprężeń i "przechwytywania" dyslokacji przechodzących, trzymając je z dala od obszaru aktywnego ogniwa dolnego, poprawiając w ten sposób wydajność ogniwa.

⑩ Baza ogniwa dolnego

Znajduje się po "grubej" stronie złącza PN ogniwa dolnego. Jest to zwykle podłoże p-Ge. Jego główną funkcją jest absorpcja długofalowego światła podczerwonego, służąc jako koń roboczy do generowania fotogenerowanych nośników w ogniwie dolnym.

Kilka uwag

W oznaczeniach typu P/N, N++/P++ i podobne oznaczenia wskazują na lekkie versus ciężkie domieszkowanie. Przedstawiona w tym artykule struktura trójzłączowego ogniwa GaAs pomija strukturę elektrod, strukturę warstwy antyrefleksyjnej i podobne szczegóły dla uproszczenia.

Bibliografia:

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

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

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

Opinia Ooitech

Ooitech uważa: ogniwa trójzłączowe GaAs, dzieląc widmo słoneczne na trzy podogniwa, zapewniają wysoką wydajność i sprawdzoną niezawodność, dzięki czemu są wiodącym wyborem dla dzisiejszych wysokowartościowych misji zasilania kosmicznego.