Seli ya Sola ya GaAs ya Muunganisho wa Tatu — Muundo na Faida

Jibu la haraka: Seli ya sola ya GaAs ya muunganiko wa tatu huweka tabaka tatu za photovoltaic zilizopangwa, kila moja ikilengwa kunyonya bendi tofauti ya wigo wa jua, juu ya substrate ya gallium arsenide. Kwa sababu kila muunganiko hubadilisha tu fotoni zilizolingana nao, na mwanga usiotumika hupita hadi tabaka la chini, mrundikano hubadilisha sehemu kubwa zaidi ya wigo kuliko seli ya silicon ya muunganiko mmoja. Hii ndiyo sababu seli za GaAs za muunganiko wa tatu huzidi ufanisi wa 30% chini ya mkusanyiko, dhidi ya takriban 22% hadi 24% kwa silicon ya kawaida. Hasara ni gharama: epitaksi ya GaAs juu ya germanium au substrate za GaAs ni ghali mara nyingi zaidi kwa wati kuliko silicon, hivyo teknolojia hii imezuiliwa kwa photovoltaic za kukusanya na vyombo vya anga, ambapo nguvu kwa kila kilo ni muhimu zaidi kuliko gharama kwa wati. Safu za anga huzitumia kwa sababu uzito na eneo lililofungwa ni vikwazo vikuu.

Utengenezaji wa Moduli za PV · na Jerry, Ooitech

Utangulizi

Kadiri usafiri wa anga wa kibiashara unavyoendelea kukua, vyombo vya angani vinahitaji nishati ya umeme zaidi na zaidi. Fotovoltaiki za angani hutumika kama chanzo kikuu cha nishati kwa vyombo vingi vya angani, hivyo uchaguzi wa teknolojia ya seli ya sola huathiri moja kwa moja kama misheni itafanikiwa, jinsi inavyokuwa na gharama nafuu, na jinsi inavyobaki na ushindani sokoni.

Kwa sasa, kuna mielekeo mitatu mikuu ya teknolojia: gallium arsenide (GaAs), heterojunction ya aina ya p (HJT), na seli za tandem za p-type HJT/perovskite. Tukiangalia mwelekeo wa teknolojia na uwezo wake wa muda mrefu, na kuchunguza faida na hasara za msingi za kila njia, GaAs bado inaongoza. Licha ya changamoto za gharama, utendaji wake wa hali ya juu usio na kifani, uaminifu uliothibitishwa katika mazingira magumu, na nafasi wazi na kubwa ya kupunguza gharama hufanya GaAs kuwa chaguo bora kwa misheni za kibiashara za angani zenye thamani na uaminifu wa juu leo na katika miaka 3-5 ijayo.

Faida za Seli za GaAs zenye Miunganisho Mitatu

Ufanisi wa juu

Pengo la bendi la GaAs (1.42 eV) liko katika kiwango bora kinadharia. Zaidi ya hayo, seli zenye miunganisho mingi hurundika tabaka za GaInP, GaAs, na Ge ambazo hufyonza fotoni za nishati ya juu, kati, na chini mtawalia, jambo ambalo hupanua sana wigo wanaoweza kutumia. Seli za hivi punde za GaAs zenye miunganisho mitatu kwa fotovoltaiki za angani sasa zinafikia ufanisi wa ubadilishaji wa nishati zaidi ya 30%.

Uaminifu wa juu

Ukinzani mkubwa wa mionzi na uthabiti bora wa halijoto ya juu hufanya seli hizi kufaa kikamilifu kwa mahitaji ya msingi ya misheni za hali ya juu na za maisha marefu. Uwezo wa utendaji unatosha kufidia gharama ya juu.

Teknolojia iliyoiva yenye rekodi ndefu ya matumizi angani

Mwaka 1965, satelaiti ya Venera 3 ya Umoja wa Kisovieti wa zamani ilikuwa ya kwanza kutumia seli za GaAs. Mwaka 1995, satelaiti ya kwanza ya mawasiliano ya kibiashara MEASAT ilitumia single-junction GaAs kama kitengo chake kikuu cha nguvu, na muundo wa safu ya sola ulijenga hifadhidata kamili inayothibitisha kwamba seli za GaAs zinaweza kukidhi mahitaji ya nguvu ya mzunguko kamili wa maisha ya chombo cha anga. Kuanzia wakati huo, seli za GaAs hatua kwa hatua zilibadilisha seli za zamani kama kitengo cha msingi cha kuzalisha nguvu kwenye chombo cha anga, zikibadilika hatua kwa hatua kutoka miundo ya single-junction hadi multi-junction.

Kwa Nini Iliundwa kama Muundo wa Three-Junction?

Nyenzo yoyote ya semiconductor inaweza tu kunyonya kwa ufanisi fotoni zenye nishati kubwa kuliko bandgap yake. Fotoni zenye nishati ndogo sana haziwezi kutumika, wakati fotoni zenye nishati nyingi sana hupoteza ziada kama joto (upotezaji wa thermalization). Bandgap ya seli ya single-junction haiwezi kuendana kikamilifu na wigo wa jua. Chukua seli ya silicon ya single-junction kama mfano: 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 sababu seli za silicon za single-junction zina kikomo cha ufanisi, na kikomo cha kinadharia cha karibu 29.7%.

Seli ya three-junction inagawanya kazi katika seli ndogo tatu, ikikata wigo wa jua katika sehemu tatu ili kila seli ndogo ifanye kazi katika bendi inayofaa zaidi. Hii inapunguza kwa kiasi kikubwa upotezaji wa thermalization na upotezaji wa kutokulingana kwa wigo. Kinadharia, seli za multi-junction zinaweza kufikia ufanisi wa 50%, juu sana kuliko kile muundo wa single-junction unaweza kutoa.

Muundo wa Seli ya Triple-Junction GaAs

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

Seli ya juu

Kawaida AlGaInP / GaInP, yenye bandgap karibu 1.8-1.9 eV. Hasa inanyonya fotoni za urefu mfupi wa mawimbi (ultraviolet, mwanga wa bluu). Seli ya juu inachukua fotoni zenye nishati nyingi na kupunguza upotezaji wa thermalization.

Seli ya kati

Kawaida InGaAs au GaAs, yenye bandgap karibu 1.42 eV. Hasa inanyonya fotoni za urefu wa kati na mrefu wa mawimbi (kijani, njano, mwanga mwekundu). Seli ya kati inashughulikia urefu wa kati hadi mrefu wa mawimbi na inachangia zaidi ya photocurrent.

Seli ya chini

Kawaida Ge, yenye bandgap karibu 0.67 eV. Hasa inanyonya fotoni za urefu mrefu wa mawimbi (infrared karibu). Seli ya chini inakamata mwanga wa infrared unaopenya sana.

Sasa hebu tupitie kile kila safu inafanya.

① Safu ya Kugusa

Ikiwa juu kabisa ya safu ya Cap ya nje, hii ni safu ya semiconductor ambayo elektrodi ya chuma inagusa moja kwa moja. Kwa kawaida huwa n⁺⁺-GaAs au n⁺⁺-GaInP iliyowekwa doping nyingi. Kazi yake kuu ni kupunguza upinzani wa mawasiliano—doping nyingi husaidia kuunda mawasiliano mazuri ya ohmic na elektrodi ya chuma na kupunguza upotevu wa umeme. Pia hulinda eneo tendaji, ikitenganisha elektrodi ya chuma na eneo tendaji dhaifu 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 kuzuia mwanga, ikikaa kati ya filamu ya kuzuia mwanga na safu ya mawasiliano. Kwa kawaida ni GaAs, ingawa miundo mingine hutumia oksidi za conductive za uwazi (TCO) kama ITO. Jukumu lake kuu ni kusaidia ukusanyaji wa mkondo kama "elektrodi msaidizi," ikifanya kazi na safu ya mawasiliano kukusanya na kutoa mkondo kwa upande—muhimu sana kwa miundo ya gridi ya mistari nyembamba. Unene wake na fahirisi ya refractive pia vinaweza kurekebishwa ili kushiriki katika muundo wa macho na kutoa athari msaidizi ya kuzuia mwanga.

③ Safu ya Dirisha

Iko juu ya emitter, kwa kawaida hutengenezwa kwa AlInP, AlGaInP, au AlGaAs. Jukumu lake kuu ni kupunguza muunganiko wa uso: asili ya nyenzo hii yenye pengo kubwa la bendi inamaanisha inachukua mwanga kidogo, na huunda muunganiko wa juu-chini unaosukuma vibeba chaji vilivyozalishwa na mwanga (elektroni) kuelekea ndani ya emitter, kupunguza upotevu wa muunganiko kwenye kasoro za uso. Pia hufanya kazi kama "mwavuli," ikilinda eneo la muunganiko dhidi ya uharibifu wakati wa michakato ya baadaye kama uvukizaji wa elektrodi.

④ Emitter

Iko chini ya safu ya dirisha na juu ya base, ikiunda muunganiko wa PN na base. Kwa kawaida ni GaInP ya aina ya N au GaAs. Jukumu lake kuu ni kufanya kazi kama "elektrodi chanya," kukusanya elektroni zilizozalishwa na mwanga na kuzipeleka kwenye mzunguko wa nje. Pia husawazisha unyonyaji wa mwanga dhidi ya ukusanyaji—kwa kurekebisha kwa uangalifu unene na mkusanyiko wa doping, ina unene wa kutosha kunyonya mwanga wa urefu mfupi wa wimbi lakini si nene kiasi kwamba vibeba chaji viunganike wakati wa usambazaji.

⑤ Base

Iko chini ya emitter na juu ya safu ya BSF, hii ni sehemu kuu ya muunganiko wa PN. Kwa kawaida ni GaInP ya aina ya p au AlGaInP. Kama eneo kuu la kunyonya mwanga, ni "mnyama wa kazi" wa seli ya juu, ikinyonya mwanga mwingi wa urefu mfupi wa wimbi (bluu na urujuanimno), ikizalisha jozi za elektroni-shimo zilizozalishwa na mwanga, na kusafirisha kwa ufanisi shimo zilizozalishwa na mwanga kwenye safu ya BSF ya nyuma au elektrodi.

⑥ Safu ya BSF (Sehemu ya Nyuma ya Uso)

Iko chini ya msingi na juu ya makutano ya handaki, ikitengeneza makutano ya juu-chini na msingi upande wa nyuma. Nyenzo kwa kawaida ni p-AlGaInP yenye pengo pana la bendi, AlGaAs, na kadhalika. Jukumu lake kuu ni kukandamiza muunganisho wa tena wa wabebaji wa kinyume: safu ya BSF huunda "kizuizi" nyuma ya msingi kinachozuia mashimo yanayozalishwa na mwanga kusanywe tena yanaposambaa kuelekea 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) kinachokuzwa kutoka kwa nyenzo zinazobadilishana fahirisi za juu na chini za mwonekano, kama AlAs/AlGaAs au AlInP/AlGaInP. Kazi yake kuu ni kurudisha mwanga wa urefu wa wastani hadi mrefu ambao seli za juu na kati hazijameza na unakaribia kutoroka, kuruhusu mzunguko wa pili wa ufyonzaji unaoinua jumla ya mkondo na ufanisi.

⑧ Makutano ya Handaki

Iko kati ya seli ndogo, imetengenezwa kwa tabaka nyembamba zenye doping nyingi (kama n++GaAs / p++GaAs). Kama "handaki ya kwantum," huruhusu wabebaji wanaozalishwa na mwanga kupita kwa ufanisi huku ikibakiza kila seli ndogo ikiwa huru kielektroniki.

Muundo wa seli ya kati unafanana na wa seli ya juu, isipokuwa nyenzo ni tofauti, hivyo hatutarudia hapa. Hapa chini tutashughulikia kwa ufupi kile kilicho tofauti kuhusu seli ya chini.

⑨ Safu ya Bafa

Imewekwa kati ya seli ya chini na seli ya kati, inatatua tatizo la kutolingana kwa kimiani. Wakati nyenzo ya seli ya chini (kama InGaAs) hailingani na kimiani ya nyenzo ya juu (kama GaAs), safu ya bafa hutumia muundo wa "kupangwa kwa madaraja" au "kimiani kinachobadilika" ili kuachilia mkazo hatua kwa hatua na "kunasa" hitilafu za uzi, kuzizuia zisiingie katika eneo tendaji 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. Kwa kawaida ni substrate ya Ge ya aina ya p. Kazi yake kuu ni kufyonza mwanga wa infrared wa urefu mrefu wa mawimbi, ikitumika kama mhimili wa kuzalisha wabebaji wanaozalishwa na mwanga katika seli ya chini.

Maelezo Machache

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

Marejeo:

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

• Seli ya sola ya InGaP/InGaAs/Ge ya muunganiko wa tatu yenye muundo wa kuzuia mwanga wa mikro-nano na mbinu yake ya utengenezaji - 2018-0425

• Mbinu ya seli ya sola ya muunganiko wa tatu na seli ya sola ya muunganiko wa tatu - 2020-11-13

Maoni ya Ooitech

Ooitech inaamini: seli za GaAs za muunganiko wa tatu, kwa kugawanya wigo wa jua katika seli ndogo tatu, hutoa ufanisi wa juu na uaminifu uliothibitishwa unaozifanya kuwa chaguo kuu kwa misheni za sasa za nishati ya anga zenye thamani kubwa.

Inayohusiana: Perovskite angani: gharama ya mizunguko 100 ya mshtuko wa joto ni mwenzake wa perovskite kwa ukurasa huu: mazingira sawa ya obiti, kifyonzaji tofauti.

Inayohusiana: Kioo cha kifuniko cha jua cha anga za juu: kwa nini seriamu, na jinsi ya kukisoma inakaa moja kwa moja mbele ya mrundikano wa seli ulioelezwa hapo.

Usomaji zaidi na data ya usuli

Nyenzo za marejeleo za umma kuhusu mada hii, zilizochapishwa na mashirika yanayosimamia ramani ya teknolojia na data ya soko ya sekta hii:

• VDMA — Ramani ya Kimataifa ya Teknolojia kwa Photovoltaic (ITRPV)
• Fraunhofer ISE — Ripoti ya Photovoltaics
• pv magazine — habari za sekta ya PV duniani na maelezo ya kiufundi