Vir: energy.gov
OZADJE
Multijunkcijske naprave z visoko učinkovitostjo uporabljajo več pasov ali stičišč, ki so nastavljene tako, da absorbirajo določeno območje sončnega spektra in tako ustvarijo sončne celice z rekordno učinkovitostjo več kot 45%. Največja teoretična učinkovitost sončne celice z enim pasom, ki jo doseže z nekoncentrirano sončno svetlobo, je približno 33,5%, predvsem zaradi široke porazdelitve fotonov, ki jih oddajajo sonci. Ta omejevalna učinkovitost, znana kot Shockley-Queisserjeva meja, izhaja iz dejstva, da je napetost v odprtem krogu (Voc) sončne celice omejena s pasovnim pasom absorpcijskega materiala in da se fotoni z energijo pod pasovnim pasom ne absorbirajo. Fotoni, ki imajo energije večje od pasu, se absorbirajo, vendar je energija, večja od pasu, izgubljena kot toplota.
Multijunkcijske naprave uporabljajo zgornjo celico z visoko pasovno razdaljo, da absorbirajo visokoenergijske fotone, hkrati pa omogočajo prehod fotonov z nižjo energijo. Gradivo z nekoliko nižjim pasom se nato namesti pod stičišče visoko pasu, da absorbira fotone z nekoliko manj energije (daljše valovne dolžine). Običajne multijunkcijske celice uporabljajo dva ali več absorpcijskih stičišč, teoretična največja učinkovitost pa se poveča s številom stičišč. Zgodnje raziskave večnamenskih naprav so vplivale na lastnosti polprevodnikov, sestavljenih iz elementov III in V stolpcev periodične tabele, kot so galijev indijev fosfat (GaInP), arselid galijevega indija (GaInAs) in galijev arsenid (GaAs). Tri-stikalne naprave, ki uporabljajo polprevodnike III-V, so s koncentrirano sončno svetlobo dosegle učinkovitost večjo od 45%. Ta arhitektura se lahko prenese tudi na druge tehnologije sončnih celic, zato se preiskujejo večnastavne celice iz CIGS, CdSe, silicija, organskih molekul in drugih materialov.
V preteklosti so se večnamenske naprave uporabljale predvsem v vesolju, kjer je premija namenjena lahki proizvodnji električne energije, kar omogoča uporabo te sorazmerno drage sončne tehnologije. Pri zemeljskih aplikacijah se lahko visoki stroški teh polprevodniških podlag (v primerjavi s silicijem na primer) izravnajo z uporabo koncentrične optike, pri sedanjih sistemih pa se uporabljajo predvsem Fresnelove leče. Optika koncentriranja poveča količino svetlobe, ki pade na sončno celico, kar vodi do večje proizvodnje energije. Uporaba koncentrične optike zahteva uporabo dvoosnega sledenja soncu, ki ga je treba upoštevati v stroških sistema.
NAVODILA ZA RAZISKAVE
Čeprav imajo večnamenske celice III-V večje izkoristke kot konkurenčne tehnologije, so takšne sončne celice bistveno dražje zaradi trenutnih tehnik izdelave in materialov. Zato so aktivna raziskovalna prizadevanja usmerjena v zniževanje stroškov električne energije, ki jih ustvarjajo te sončne celice, s pomočjo pristopov, kot so razvoj novih materialov za podlago, absorbcijskih materialov in tehnik izdelave; povečanje učinkovitosti; in razširitev koncepta večnamenjenja na druge PV tehnologije. Poleg tega so zaradi stroškov takšnih sončnih celic razvoj zanesljivih nizkocenovnih rešitev za sledenje in koncentracijo tudi dejavno področje raziskav za podporo zmanjšanju stroškov za PV-sisteme, ki uporabljajo večnastavne celice.
Preberite več o nagrajenih in projektih, ki vključujejo visoko učinkovite III-V celice spodaj.
Državna univerza Ohio: Columbus Campus (raziskovanje in razvoj fotovoltaike)
Državna univerza Arizona (raziskovanje in razvoj fotovoltaike)
University of Oregon (Fotovoltaično raziskovanje in razvoj: Mali inovativni projekti v sončni energiji)
Rudarska in tehnološka šola South Dakota (raziskovanje in razvoj fotovoltaike: Mali inovativni projekti v sončni energiji)
Državna univerza Arizona (raziskovanje in razvoj fotovoltaike: Mali inovativni projekti v sončni energiji)
nLiten Energy (fotovoltaične raziskave in razvoj: majhni inovativni projekti v sončni energiji)
University of California, Berkeley (Projekti fotovoltaike II nove generacije)
Kalifornijski tehnološki inštitut (Projekti fotovoltaike II nove generacije)
Državna univerza Severna Karolina (Temeljni program za izboljšanje učinkovitosti celic)
Nacionalni laboratorij za obnovljivo energijo (Temeljni program za izboljšanje učinkovitosti celic)
Državna univerza Ohio (Temeljni program za izboljšanje učinkovitosti celic)
Univerza v Houstonu (fotonapetostni projekti 3 generacije)
Nacionalni laboratorij za obnovljivo energijo (projekti 3 fotovoltaike naslednje generacije)
PREDNOSTI
Prednosti večnamenskih III-V sončnih celic vključujejo:
Ujemanje spektra: celice z visoko učinkovitostjo (> 45%) lahko izdelamo z ujemanjem odsekov sončnega spektra s specifičnimi absorpcijskimi plastmi, ki imajo določene pasove.
Kristalna zgradba: različne kombinacije III-V polprevodnikov imajo podobne kristalne strukture in idealne lastnosti za sončne celice, vključno z dolgimi difuzijskimi dolžinami ekscitona, mobilnostjo nosilca in združljivimi absorpcijskimi spektri.
PROIZVODNJA
Tradicionalne večnastavne celice III-V so sestavljene v epitaksialnem monolitnem paketu s podcelicami, ki so medsebojno povezane preko tunelov. Konstrukcija večnamenske celice v monolitnem snopu povzroči materialne omejitve, izdelava takšnih naprav pa je olajšana, če imajo posamezne plasti podcelic kompatibilne položaje atomske rešetke in se ujemajo z rešetkami. Ta prednost uskladitve rešetk je razlog, da se Ge, ki je rešetka ujema z nekaterimi III-V zlitinami, tradicionalno uporablja kot substrat in ozko pasovno celico v MJ. Omejitve ujemanja rešetk lahko presežemo z dodatno zapletenostjo z uporabo vezav rezin ali metamorfnih zaščitnih slojev.
Plast tunela-stika je zgrajena z vmesnikom visoko dopiranih p ++ in n ++ plasti. Medsebojno delovanje teh plasti povzroči prostorsko ozko območje naboja v prostoru, ki omogoča, da teče tok med podcelicami. Za pasiviranje površinskih stanj na vmesniku med podcelico in tunelskim stičiščem se lahko dodajo visoke pasovne plasti, znane kot okenske plasti in polja na zadnji površini, ki lahko, če ostanejo nerazširjene, lahko zaskočijo nosilce in pospešijo rekombinacijo.
Če so podcelice povezane zaporedno, podcelica, ki vodi najmanjši tok, omejuje največji tok, ki lahko teče skozi napravo. Zato je veliko truda vloženo v nastavitev toka podcelic. Luminiscenčna sklopka med podcelicami lahko sprosti nekatere trenutno ustrezne oblikovne zahteve.
Večnamenske sončne celice III-V je mogoče izdelati s tehnikami epitaksije z molekularnimi žarki (MBE), vendar je izdelava v velikih kovinsko-organskih reaktorjih s kemičnim nanašanjem (MOCVD) značilna za komercialno proizvodnjo naprav GaInP / GaInAs / Ge. Plasti se lahko gojijo iz trimetilgalija (Ga (CH3) 3), trimetilindija (InC3H9), arzina (AsH3) in fosfina (PH3) v vodikovem nosilnem plinu in z uporabo polnil, kot so vodikov selenid (H2Se), silan (SiH6), in dietil cinka ((C2H5) 2Zn). Uporaba optike za koncentriranje omogoča, da so posamezne celice precej majhne, včasih majhne kot velikost konice svinčnika. Zato te tehnike omogočajo gojenje sto sončnih celic v posameznih serijah. Raziskave so še namenjene zmanjšanju velikosti celic in povečanju števila celic, ki jih je mogoče gojiti iz ene same rezine, kar bo pripomoglo k zmanjšanju stroškov na celico.
