Izvor: energy.gov
Pozadina
Multijunkcijski uređaji visoke efikasnosti koriste više pojaseva ili spojeva koji su podešeni tako da apsorbuju određeno područje solarnog spektra za stvaranje solarnih ćelija koje imaju rekordnu efikasnost veću od 45%. Maksimalna teorijska efikasnost koju jednopojasna solarna ćelija može postići s koncentriranom sunčevom svjetlošću je oko 33,5%, prvenstveno zbog široke raspodjele fotona koji se emitiraju iz sunca. Ta ograničavajuća efikasnost, poznata kao Shockley-Queisserova granica, proizlazi iz činjenice da je napon otvorenog kruga (Voc) solarne ćelije ograničen propusnim opsegom apsorbirajućeg materijala i da se fotoni s energijama ispod pojasa ne apsorbiraju. Apsorbiraju se fotoni koji imaju energije veće od pojasa, ali energija veća od pojasa gubi se kao toplina.
Višenamenski uređaji koriste gornju ćeliju visokog opsega za apsorpciju visokoenergetskih fotona, istovremeno dopuštajući da fotoni niže energije prolaze. Materijal s nešto nižim pojasevima tada se postavlja ispod spojnice visokog pojasa kako bi apsorbirao fotone s nešto manje energije (veće talasne dužine). Tipične ćelije multijukcije koriste dva ili više upijajućih spojeva, a teorijska maksimalna efikasnost raste s brojem spajanja. Rana istraživanja multijunkcijskih uređaja iskoristila su svojstva poluvodiča koja se sastoje od elemenata u III i V stupcima periodičke tablice, kao što su galijum indijum fosfat (GaInP), arselid galijum indijum (GaInAs) i galijev arsenid (GaAs). Uređaji s tri spoja koji koriste III-V poluvodiče dostigli su efikasnost veću od 45% koristeći koncentriranu sunčevu svjetlost. Ova se arhitektura može prenijeti i na druge tehnologije solarnih ćelija, a multijunkcijske ćelije napravljene od CIGS, CdSe, silicijuma, organskih molekula i drugih materijala se istražuju.
U prošlosti su se multijunkcijski uređaji prije svega koristili u svemiru, gdje postoji premija postavljena na laganu proizvodnju energije, što omogućava upotrebu ove relativno skupe solarne tehnologije. Za zemaljske primjene, visoki troškovi ovih poluvodičkih supstrata (u usporedbi sa silikonom, na primjer) mogu se nadoknaditi korištenjem optike za koncentriranje, pri čemu trenutni sustavi prvenstveno koriste Fresnelove leće. Optika koncentriranja povećava količinu svjetlosti koja se pojavljuje na solarnoj ćeliji, što dovodi do veće proizvodnje energije. Korištenje optike za koncentriranje zahtijeva korištenje dvoosnog praćenja sunca, što se mora uzeti u obzir u cijenu sustava.
UPUTE ISTRAŽIVANJA
Iako su višenamenske III-V ćelije veće efikasnosti od konkurentskih tehnologija, ovakve solarne ćelije znatno su skuplje zbog trenutnih tehnika izrade i materijala. Stoga su aktivni istraživački napori usmjereni na smanjenje troškova električne energije proizvedene ovim solarnim ćelijama kroz pristupe poput razvoja novih materijala za podlogu, materijala apsorptora i tehnika izrade; povećanje efikasnosti; i proširenje multijunkcijskog koncepta na druge PV tehnologije. Nadalje, zbog troškova takvih solarnih ćelija, razvijanje pouzdanih jeftinih rješenja za praćenje i koncentraciju su također aktivna područja istraživanja u svrhu smanjenja troškova za PV sustave koji koriste višenamjenske ćelije.
Saznajte više o nagrađenima i projektima koji uključuju visoko efikasne III-V ćelije u nastavku.
Državni univerzitet Ohio: Columbus Campus (istraživanje i razvoj fotovoltaike)
Državno sveučilište Arizona (istraživanje i razvoj fotovoltaike)
University of Oregon (Fotovoltaička istraživanja i razvoj: mali inovativni projekti u solarnom prostoru)
Rudarsko-tehnološka škola Južne Dakote (Istraživanje i razvoj fotonaponskih struja: Mali inovativni projekti u solarnom prostoru)
Državno sveučilište Arizona (istraživanje i razvoj fotonaponskih elemenata: Mali inovativni projekti u solarnom prostoru)
nLiten Energy (Fotovoltaička istraživanja i razvoj: mali inovativni projekti u solarnom prostoru)
University of California, Berkeley (Projekti fotonaponskih tehnologija II generacije II)
Kalifornijski tehnološki institut (fotonaponski projekti II generacije II)
Državni univerzitet Sjeverne Karoline (Temeljni program za unapređenje efikasnosti ćelija)
Nacionalna laboratorija za obnovljivu energiju (Temeljni program za unapređenje efikasnosti ćelija)
Državni univerzitet Ohio (Temeljni program za unapređenje efikasnosti ćelija)
Sveučilište u Houstonu (fotonaponska tehnologija 3 generacije)
Nacionalna laboratorija za obnovljive izvore energije (Projekti fotonaponskih tehnologija 3 generacije)
PREDNOSTI
Prednosti višenamenskih III-V solarnih ćelija uključuju:
Usklađivanje spektra: ćelije visoke efikasnosti (> 45%) mogu se proizvesti spajanjem sekcija solarnog spektra sa specifičnim slojevima apsorbera koji imaju određene pojaseve.
Kristalna struktura: Različite kombinacije III-V poluvodiča imaju slične kristalne strukture i idealna svojstva za solarne ćelije, uključujući duge difuzione difuzione egzitone, pokretnost nosača i kompatibilne apsorpcijske spektre.
PROIZVODNJA
Tradicionalne višenamenske III-V ćelije sastavljene su u epitaksijalnom monolitnom snopu sa potkalorijama koje su povezane u seriju kroz tunele. Konstruiranje višenamjenske ćelije u monolitnom snopu rezultira materijalnim ograničenjima, a izrada takvih uređaja je olakšana ako pojedini slojevi potcelica imaju kompatibilne položaje atomske rešetke i podudaraju se sa rešetkama. Ova prednost povezivanja rešetki je razlog zašto se Ge, koji je rešetki usklađen s nekim III-V legurama, tradicionalno koristi kao supstrat i uska pojasa u MJ-ima. Ograničenja podudaranja rešetke mogu se svladati dodatnom složenošću pomoću vezanja vafelja ili metamorfnih slojeva međuspremnika.
Sloj tunela-spojnice izgrađen je interfejsom visoko dopiranih slojeva p ++ i n ++. Interakcija ovih slojeva rezultira u prostorno uskom području naelektrisanja u prostoru, što omogućava struji da struji između podćelija. Slojevi visokog opsega, poznati kao prozorni slojevi i polja na stražnjoj površini, mogu se dodati pasivizirati površinska stanja na sučelju između potke ćelije i spoja tunela, koja ako se ne dodaju pasivi, mogu zarobiti nosače i ubrzati rekombinaciju.
Ako su potkelije povezane serijski, podćelija koja provodi najmanju struju ograničava maksimalnu struju koja može proticati kroz uređaj. Stoga se ulaže znatan napor u podešavanju struje podćelija. Luminescentno spajanje između subcelija može opustiti neke od trenutno odgovarajućih dizajnerskih zahtjeva.
Višenamenske III-V solarne ćelije mogu se proizvesti tehnikama epitaksije s molekularnim snopom (MBE), ali izrada u velikim metalno-organskim reakcijama taloženja hemijskim isparavanjima (MOCVD) tipična je za komercijalnu proizvodnju GaInP / GaInAs / Ge uređaja. Slojevi se mogu uzgajati iz trimetilgalijuma (Ga (CH3) 3), trimetilidijuma (InC3H9), arsina (AsH3) i fosfina (PH3) u gasu koji nosi vodonik i upotrebom dodataka kao što su vodoni selenid (H2Se), silan (SiH6), i dietil cinka ((C2H5) 2Zn). Korištenje optike za koncentriranje omogućava da pojedine ćelije budu prilično male - ponekad jednako male veličine olovke. Zbog toga ove tehnike omogućavaju uzgoj stotina solarnih ćelija u jednim serijama. Istraživanja se provode kako bi se dodatno smanjila veličina ćelija i povećao broj ćelija koje se mogu uzgajati iz jedne rezine, što će pomoći smanjenju troškova po ćeliji.
