Seli za Jua za GaAs za Triple-Junction: Muonekano wa Kina wa Muundo Mkuu wa Photovoltaic wa Anga

Utangulizi

Kadiri usafiri wa anga wa kibiashara unavyoendelea kukua, vyombo vya angani vinahitaji nishati zaidi na zaidi ya umeme. Photovoltaic za angani hutumika kama chanzo kikuu cha nishati kwa vyombo vingi vya angani, kwa hivyo uchaguzi wa teknolojia ya seli ya jua huathiri moja kwa moja kama misheni itafanikiwa, gharama yake ni kiasi gani, na jinsi inavyobaki kuwa na ushindani sokoni.

Hivi sasa, kuna mwelekeo kuu tatu wa teknolojia: gallium arsenide (GaAs), heterojunction ya p-type (HJT), na seli za tandem za p-type HJT/perovskite. Kuangalia mahali teknolojia inakoelekea na uwezo wake wa muda mrefu, na kuchunguza faida na hasara kuu za kila njia, GaAs bado inakuja juu. Licha ya changamoto za gharama, utendaji wake usio na kifani kwa jumla, kuegemea kuthibitishwa katika mazingira makali, na nafasi wazi na kubwa ya kupunguza gharama hufanya GaAs kuwa chaguo bora kwa misheni za anga za kibiashara za thamani ya juu na kuegemea juu leo na katika miaka 3-5 ijayo.

Faida za Seli za GaAs Zenye Viungo Vitatu

Ufanisi wa juu

Bandgap ya GaAs (1.42 eV) iko katika kiwango bora cha kinadharia. Zaidi ya hayo, seli za viungo vingi hupanga tabaka za GaInP, GaAs, na Ge ambazo huchukua fotoni za nishati ya juu, ya kati, na ya chini mtawalia, ambayo hupanua sana wigo wa matumizi yao. Seli za kisasa za GaAs zenye viungo vitatu kwa photovoltaic za angani sasa zinafikia ufanisi wa ubadilishaji wa nishati zaidi ya 30%.

Kuegemea juu

Upinzani mkubwa wa mionzi na utulivu bora wa joto la juu hufanya seli hizi kufaa kikamilifu kwa mahitaji ya msingi ya misheni za hali ya juu na za muda mrefu. Faida ya utendaji inatosha kufidia gharama ya juu.

Teknolojia iliyokomaa yenye rekodi ndefu ya matumizi katika obiti

Mnamo 1965, satelaiti ya zamani ya Umoja wa Kisovieti Venera 3 ikawa ya kwanza kutumia seli za GaAs. Mnamo 1995, satelaiti ya kwanza ya kibiashara ya mawasiliano MEASAT ilitumia GaAs ya kiunganishi kimoja kama kitengo kikuu cha nishati, na muundo wa safu ya jua ulijenga hifadhidata kamili ikithibitisha kwamba seli za GaAs zinaweza kukidhi mahitaji ya nishati ya mzunguko mzima wa maisha ya chombo cha angani. Tangu hapo, seli za GaAs zilibadilisha hatua kwa hatua seli za zamani kama kitengo cha msingi cha kuzalisha nishati kwenye chombo cha angani, zikibadilika hatua kwa hatua kutoka muundo wa kiunganishi kimoja hadi wa viunganishi vingi.

Kwa Nini Kuunda Muundo wa Viunganishi Vitatu?

Nyenzo yoyote ya semiconductor inaweza tu kunyonya fotoni zenye nishati kubwa kuliko bandgap yake. Fotoni zenye nishati ndogo sana haziwezi kutumika, wakati fotoni zenye nishati nyingi hupoteza ziada kama joto (hasara ya thermalization). Bandgap ya seli ya kiunganishi kimoja haiwezi kuendana kikamilifu na wigo wa jua. Chukua mfano wa seli ya silicon ya kiunganishi kimoja: inaweza kunyonya fotoni katika safu ya 0.3-1.1 μm (300 nm-1100 nm), ikifanya kazi hasa katika bendi ya 0.38 μm-0.7 μm. Ndiyo maana seli za silicon za kiunganishi kimoja zina kikomo cha ufanisi, na kikomo cha kinadharia karibu 29.7%.

Seli ya viunganishi vitatu inagawanya kazi kati ya seli tatu ndogo, ikikata wigo wa jua katika sehemu tatu ili kila seli ndogo ifanye kazi katika bendi inayofaa zaidi. Hii inapunguza kwa kiasi kikubwa hasara za thermalization na hasara za kutofautiana kwa wigo. Kwa nadharia, seli za viunganishi vingi zinaweza kufikia ufanisi wa 50%, zaidi sana kuliko muundo wa kiunganishi kimoja unavyoweza kutoa.

Muundo wa Seli ya GaAs ya Viunganishi Vitatu

Seli ya GaAs ya viunganishi vitatu imegawanywa katika sehemu tatu: seli ya juu, seli ya kati, na seli ya chini. Kila sehemu hutumia nyenzo tofauti (eneo la msingi) na ina jukumu tofauti.

Seli ya juu

Kawaida AlGaInP / GaInP, na bandgap karibu 1.8-1.9 eV. Inanyonya hasa fotoni za wavelength fupi (ultraviolet, mwanga wa bluu). Seli ya juu huchukua fotoni zenye nishati nyingi na kupunguza hasara za thermalization.

Seli ya kati

Kawaida InGaAs au GaAs, na bandgap karibu 1.42 eV. Inanyonya hasa fotoni za wavelength ya kati na ndefu (mwanga wa kijani, njano, nyekundu). Seli ya kati hushughulikia wavelengths za kati hadi ndefu na huchangia sehemu kubwa ya photocurrent.

Seli ya chini

Kawaida Ge, na bandgap karibu 0.67 eV. Inanyonya hasa fotoni za wavelength ndefu (infrared karibu). Seli ya chini huchukua mwanga wa infrared unaopenya sana.

Sasa hebu tupitie kile kila safu inachofanya.

① Safu ya Mawasiliano

Iko moja kwa moja juu ya safu ya nje ya Cap, hii ni safu ya semiconductor ambayo elektrodi ya chuma inagusa moja kwa moja. Kwa kawaida ni n⁺⁺-GaAs au n⁺⁺-GaInP iliyochanganywa kwa kiwango kikubwa. Kazi yake kuu ni kupunguza upinzani wa mawasiliano—uchanganyaji mzito husaidia kuunda mawasiliano mazuri ya ohmic na elektrodi ya chuma na kupunguza hasara za umeme. Pia inalinda eneo la kazi, ikitenga elektrodi ya chuma kutoka eneo la kazi nyeti lililo chini (safu ya dirisha, emitter, n.k.) ili kuzuia uharibifu wa mchakato.

② Safu ya Cap

Iko juu ya safu ya dirisha na chini ya mipako ya kupambana na kuakisi, ikiwa kati ya filamu ya kupambana na kuakisi na safu ya mawasiliano. Kwa kawaida ni GaAs, ingawa baadhi ya miundo hutumia oksidi za upitishaji uwazi (TCO) kama vile ITO. Kazi yake kuu ni kusaidia ukusanyaji wa sasa kama "elektrodi ya msaidizi," ikifanya kazi na safu ya mawasiliano kukusanya na kuongoza sasa kwa upande—hasa muhimu kwa miundo ya gridi ya mistari laini. Unene wake na fahirisi ya kuakisi pia inaweza kubadilishwa kushiriki katika muundo wa macho na kutoa athari ya ziada ya kupambana na kuakisi.

③ Safu ya Dirisha

Iko juu ya emitter, kwa kawaida imetengenezwa kwa AlInP, AlGaInP, au AlGaAs. Kazi yake kuu ni kupunguza mchanganyiko wa uso: asili ya upana wa pengo la nishati ya nyenzo inamaanisha inachukua mwanga kidogo, na inaunda kiungo cha juu-chini kinachosukuma wabebaji wa picha (elektroni) kuelekea ndani ya emitter, kupunguza hasara za mchanganyiko kwenye kasoro za uso. Pia hufanya kama "mwavuli," kulinda eneo la kiungo kutokana na uharibifu wakati wa michakato ya baadaye kama vile uvukizaji wa elektrodi.

④ Emitter

Iko chini ya safu ya dirisha na juu ya base, ikiunda kiungo cha PN na base. Kwa kawaida ni N-type GaInP au GaAs. Kazi yake kuu ni kufanya kama "elektrodi chanya," kukusanya elektroni za picha na kuziongoza kwenye mzunguko wa nje. Pia inasawazisha ufyonzaji wa mwanga dhidi ya ukusanyaji—kupitia urekebishaji makini wa unene na mkusanyiko wa uchanganyaji, ni nene ya kutosha kufyonza mwanga wa wimbi fupi lakini si nene sana kwamba wabebaji wanaungana tena wakati wa usambaaji.

⑤ Base

Iko chini ya emitter na juu ya safu ya BSF, hii ni sehemu kuu ya kiungo cha PN. Kwa kawaida ni p-type GaInP au AlGaInP. Kama eneo kuu la ufyonzaji wa mwanga, ni "mchapa kazi" wa seli ya juu, ikifyonza sehemu kubwa ya mwanga wa wimbi fupi (bluu na ultraviolet), ikizalisha jozi za elektroni-shimo za picha, na kusafirisha kwa ufanisi mashimo ya picha kwenda safu ya nyuma ya BSF au elektrodi.

⑥ Safu ya BSF (Sehemu ya Nyuma ya Shamba)

Iko chini ya msingi na juu ya makutano ya handaki, na kutengeneza makutano ya juu-chini na msingi upande wa nyuma. Nyenzo kawaida ni p-AlGaInP, AlGaAs, na kadhalika. Jukumu lake kuu ni kukandamiza uunganishaji wa wabebaji wa nyuma: safu ya BSF huunda "kizuizi" nyuma ya msingi ambacho huzuia mashimo yanayotokana na mwanga kusinyaa wanapoelekea kwenye elektrodi ya nyuma, hivyo kuongeza voltage na ufanisi.

⑦ Kiakisi

Iko kati ya seli ya juu na seli ya kati, au kati ya seli ya kati na seli ya chini. Ni Kiakisi cha Bragg Kilichosambazwa (DBR) kilichokuzwa kutoka kwa nyenzo zinazopishana za fahirisi ya juu na ya chini, kama vile AlAs/AlGaAs au AlInP/AlGaInP. Kazi yake kuu ni kurudisha nyuma mwanga wa urefu wa kati hadi mrefu ambao seli za juu na za kati hazijachukua na unaokaribia kutoka, kuruhusu kupita kwa pili kwa kunyonya ambako kunainua jumla ya mkondo na ufanisi.

⑧ Makutano ya Handaki

Iko kati ya seli ndogo, imetengenezwa kwa tabaka nyembamba zilizowekwa doping nyingi (kama vile n++GaAs / p++GaAs). Kama "handaki ya quantum," inaruhusu wabebaji wanaotokana na mwanga kupita kwa ufanisi huku ikihifadhi kila seli ndogo kuwa huru kwa umeme.

Muundo wa seli ya kati ni sawa na wa seli ya juu, ila nyenzo ni tofauti, kwa hiyo hatutarudia hapa. Chini tunaelezea kwa ufupi tofauti za seli ya chini.

⑨ Safu ya Buffer

Imewekwa kati ya seli ya chini na seli ya kati, inasuluhisha tatizo la kutolingana kwa kimiani. Wakati nyenzo ya seli ya chini (kama vile InGaAs) hailingani na kimiani ya nyenzo ya juu (kama vile GaAs), safu ya buffer hutumia muundo wa "graded" au "metamorphic lattice" ili kupunguza mkazo hatua kwa hatua na "kukatiza" dislocations zinazopita, kuziweka nje ya eneo amilifu la seli ya chini na hivyo kuboresha utendaji wa seli.

⑩ Msingi wa Seli ya Chini

Iko upande wa "nene" wa makutano ya PN ya seli ya chini. Kawaida ni substrate ya p-type Ge. Kazi yake kuu ni kunyonya mwanga wa infrared wa urefu mrefu, ikitumika kama mfanyakazi mkuu wa kuzalisha wabebaji wanaotokana na mwanga katika seli ya chini.

Maelezo Machache

Katika lebo za aina ya P/N, alama kama N++/P++ zinaonyesha doping nyepesi dhidi ya nzito. Muundo wa seli ya GaAs ya makutano matatu ulioonyeshwa katika makala hii unaacha muundo wa elektrodi, muundo wa safu ya kuzuia kuakisi, na maelezo kama hayo kwa urahisi.

Marejeo:

• Seli ya jua ya makutano matatu yenye kiakisi na mbinu yake ya utengenezaji - 2022-0804

• Kipengele cha jua cha InGaP/InGaAs/Ge chenye viungo vitatu na muundo wa kuzuia kuakisi wa nano na mbinu yake ya utengenezaji - 2018-0425

• Mbinu ya kipengele cha jua chenye viungo vitatu na kipengele cha jua chenye viungo vitatu - 2020-11-13

Maoni ya Ooitech

Ooitech inaamini: seli za GaAs zenye viungo vitatu, kwa kugawanya wigo wa jua katika seli tatu ndogo, hutoa ufanisi wa juu na kuegemea kuthibitika ambavyo hufanya ziwe chaguo kuu kwa misheni za nguvu za anga za juu za leo.