Trippelövergångs-GaAs-solcell — struktur och vinster

Snabbt svar: En triple-junction GaAs-solcell staplar tre fotovoltaiska övergångar, var och en avstämd för att absorbera ett annat band av solspektrumet, på ett galliumarsenidsubstrat. Eftersom varje övergång endast omvandlar de fotoner den är matchad för, och det oanvända ljuset passerar genom till lagret under, omvandlar stapeln långt mer av spektrumet än en enkelövergångs-kiselcell. Detta är varför triple-junction GaAs-celler överskrider 30 % verkningsgrad under koncentration, mot ungefär 22 % till 24 % för vanlig kisel. Avvägningen är kostnad: GaAs-epitaxi på germanium- eller GaAs-substrat är storleksordningar dyrare per watt än kisel, så tekniken är begränsad till koncentratorfotovoltaik och rymdfarkoster, där effekt per kilogram betyder mer än kostnad per watt. Rymdmatriser använder dem eftersom massa och packad yta är de begränsande faktorerna.

PV-modultillverkning · av Jerry, Ooitech

Introduktion

I takt med att kommersiella rymdfärder växer, behöver rymdfarkoster allt mer elektrisk kraft. Rymdfotovoltaik fungerar som huvudkraftkälla för de flesta rymdfarkoster, så valet av solcellsteknik formar direkt om ett uppdrag lyckas, hur kostnadseffektivt det är, och hur konkurrenskraftigt det förblir på marknaden.

Just nu finns det tre huvudsakliga teknikinriktningar: galliumarsenid (GaAs), p-typ heterojunction (HJT), och p-typ HJT/perovskit tandemceller. När man ser på vart tekniken är på väg och dess långsiktiga potential, och gräver i kärnför- och nackdelarna med varje väg, kommer GaAs fortfarande ut på topp. Trots kostnadsutmaningarna gör dess oöverträffade allround-prestanda, beprövade tillförlitlighet i extrema miljöer, och tydliga, stora utrymme för kostnadsminskning GaAs till det bästa valet för högvärdiga, högtillförlitliga kommersiella rymduppdrag både idag och under de kommande 3-5 åren.

Fördelarna med trippelkopplade GaAs-celler

Hög effektivitet

GaAs-bandgapet (1,42 eV) ligger precis i det teoretiskt optimala intervallet. Dessutom staplar multikopplade celler GaInP-, GaAs- och Ge-lager som absorberar hög-, medel- respektive lågenergifotoner, vilket kraftigt breddar spektrumet de kan använda. De senaste trippelkopplade GaAs-cellerna för rymdfotovoltaik når nu effektkonverteringseffektiviteter över 30 %.

Hög tillförlitlighet

Stark strålningsresistens och utmärkt högtemperaturstabilitet gör dessa celler till en perfekt passform för kärnbehoven hos högvärdiga, långlivade uppdrag. Prestandafördelen är tillräcklig för att kompensera för den högre kostnaden.

Mogen teknik med lång meritlista i omloppsbana

Redan 1965 blev den forna sovjetunionens Venera 3-satellit den första att använda GaAs-celler. 1995 använde den första kommersiella kommunikationssatelliten MEASAT enkelskikts-GaAs som sin huvudsakliga kraftenhet, och solpanelens design byggde upp en komplett databas som bevisade att GaAs-celler kunde möta en rymdfarkosts hela livscykelbehov av kraft. Från och med då ersatte GaAs-celler gradvis äldre celler som den grundläggande kraftgenererande enheten på rymdfarkoster, och utvecklades steg för steg från enkelskikts- till flerskiktsdesign.

Varför designa den som en trestegsstruktur?

Alla halvledarmaterial kan bara effektivt absorbera fotoner med energi större än dess bandgap. Fotoner med för lite energi kan inte användas, medan fotoner med för mycket energi förlorar överskottet som värme (termaliseringsförlust). En enkelskiktscells bandgap kan inte perfekt matcha solspektrumet. Ta en enkelskikts kiselcell som exempel: den kan absorbera fotoner i intervallet 0,3-1,1 μm (300 nm-1100 nm), och arbetar huvudsakligen i bandet 0,38 μm-0,7 μm. Det är därför enkelskikts kiselceller har en begränsad effektivitetstak, med en teoretisk gräns på cirka 29,7 %.

En trestegscell delar upp arbetet mellan tre delceller, och skär solspektrumet i tre segment så att varje delcell arbetar i sitt bäst lämpade band. Detta minskar kraftigt både termaliseringsförluster och spektrala missanpassningsförluster. I teorin kan flerskiktsceller närma sig 50 % effektivitet, mycket högre än vad en enkelskiktsstruktur kan leverera.

Strukturen hos en trippel-GaAs-cell

Trippel-GaAs-cellen är uppdelad i tre delar: toppcellen, mittcellen och bottencellen. Varje del använder olika huvudmaterial (basregion) och spelar en olika roll.

Toppcell

Vanligtvis AlGaInP / GaInP, med ett bandgap runt 1,8-1,9 eV. Den absorberar huvudsakligen kortvågiga fotoner (ultraviolett, blått ljus). Toppcellen tar upp högenergifotoner och minskar termaliseringsförluster.

Mittcell

Vanligtvis InGaAs eller GaAs, med ett bandgap runt 1,42 eV. Den absorberar huvudsakligen medel- och långvågiga fotoner (grönt, gult, rött ljus). Mittcellen hanterar medel- till långa våglängder och bidrar med största delen av fotoströmmen.

Bottencell

Vanligtvis Ge, med ett bandgap runt 0,67 eV. Den absorberar huvudsakligen långvågiga fotoner (nära infrarött). Bottencellen fångar upp det mycket penetrerande infraröda ljuset.

Nu går vi igenom vad varje lager gör.

① Kontaktlager

Sittande direkt ovanför det yttersta Caplagret, detta är halvledarlagret som metallelektroden direkt vidrör. Det är vanligtvis kraftigt dopat n⁺⁺-GaAs eller n⁺⁺-GaInP. Dess huvuduppgift är att sänka kontakresistansen—kraftig dopning hjälper det att bilda en god ohmsk kontakt med metallelektroden och minskar elektriska förluster. Det skyddar också det aktiva området, isolerar metallelektroden från det känsliga aktiva området nedanför (fönsterlager, emitter, etc.) för att förhindra processkador.

② Caplager

Beläget ovanför fönsterlagret och under antireflexbeläggningen, sittande mellan antireflexfilmen och kontaktlagret. Det är vanligtvis GaAs, även om vissa konstruktioner använder transparenta ledande oxider (TCO) såsom ITO. Dess huvudroll är att assistera strömuppsamling som en "hjälpelektrod," samarbeta med kontaktlagret för att samla och leda ut ström lateralt—särskilt användbart för finkorniga rutnätsdesigner. Dess tjocklek och brytningsindex kan också justeras för att delta i optisk design och ge en extra antireflexeffekt.

③ Fönsterlager

Beläget ovanför emittern, vanligtvis tillverkat av AlInP, AlGaInP eller AlGaAs. Dess huvudroll är att minska ytrekombination: materialets breda bandgap innebär att det absorberar lite ljus, och det bildar en hög-låg-övergång som trycker fotogenererade bärare (elektroner) mot emitterns inre, vilket minskar rekombinationsförluster vid ytdefekter. Det fungerar också som ett "paraply," som skyddar övergångsområdet från skador under senare processer såsom elektrodavdunstning.

④ Emitter

Beläget under fönsterlagret och ovanför basen, bildar en PN-övergång med basen. Det är vanligtvis N-typ GaInP eller GaAs. Dess huvudroll är att fungera som "positiv elektrod," samla fotogenererade elektroner och leda dem till den externa kretsen. Det balanserar också ljusabsorption mot uppsamling—genom noggrann justering av tjocklek och dopningskoncentration är det tillräckligt tjockt för att absorbera kortvågigt ljus men inte så tjockt att bärare rekombinerar under diffusion.

⑤ Bas

Beläget under emittern och ovanför BSF-lagret, detta är huvudkroppen av PN-övergången. Det är vanligtvis p-typ GaInP eller AlGaInP. Som det huvudsakliga ljusabsorberande området är det "arbetshästen" i den övre cellen, absorberar det mesta av det kortvågiga ljuset (blått och ultraviolett), genererar fotogenererade elektron-hål-par och transporterar effektivt de fotogenererade hålen till det bakre BSF-lagret eller elektroden.

⑥ BSF-lager (Bakre ytfält)

Beläget under basen och ovanför tunnelövergången, bildar en hög-låg-övergång med basen på baksidan. Materialet är vanligtvis en bredbandsgap p-AlGaInP, AlGaAs och liknande. Dess huvudsakliga roll är att undertrycka omvänd rekombination av laddningsbärare: BSF-skiktet skapar en "barriär" på basens baksida som hindrar fotogenererade hål från att rekombineras när de diffunderar mot bakre elektroden, vilket ökar spänning och verkningsgrad.

⑦ Reflektor

Beläget mellan toppcellen och mellancellen, eller mellan mellancellen och bottencellen. Det är en distribuerad Bragg-reflektor (DBR) odlad från alternerande material med hög och låg brytningsindex, såsom AlAs/AlGaAs eller AlInP/AlGaInP. Dess huvudsakliga uppgift är att reflektera tillbaka det medel- till långvågiga ljus som topp- och mellancellerna inte har absorberat och som är på väg att lämna, vilket möjliggör en andra absorptionspassage som höjer den totala strömmen och verkningsgraden.

⑧ Tunnelövergång

Beläget mellan delcellerna, gjord av kraftigt dopade tunna skikt (såsom n++GaAs / p++GaAs). Liknar en "kvanttunnel," den låter fotogenererade laddningsbärare passera effektivt samtidigt som varje delcell hålls elektriskt oberoende.

Mellancellens struktur liknar toppcellens, bara med andra material, så vi upprepar det inte här. Nedan beskriver vi kort vad som skiljer bottencellen.

⑨ Buffertskikt

Inklämd mellan bottencellen och mellancellen, löser det gittermissanpassningsproblemet. När bottencellens material (såsom InGaAs) inte matchar gitterkonstanten hos det övre materialet (såsom GaAs), använder buffertskiktet en "graderad" eller "metamorf gitterstruktur" för att gradvis släppa på spänningen och "fånga upp" tråddislokationer, hålla dem borta från bottencellens aktiva region och därmed förbättra cellens prestanda.

⑩ Bottencellens bas

Beläget på den "tjocka" sidan av bottencellens PN-övergång. Det är vanligtvis ett p-typ Ge-substrat. Dess huvudsakliga funktion är att absorbera långvågigt infrarött ljus, och fungerar som arbetshästen för att generera fotogenererade laddningsbärare i bottencellen.

Några anmärkningar

I P/N-typbeteckningarna indikerar N++/P++ och liknande markeringar lätt respektive tung dopning. Den trippelkopplade GaAs-cellstrukturen som illustreras i denna artikel utelämnar elektrodstrukturen, antireflexskiktets struktur och liknande detaljer för enkelhetens skull.

Referenser:

• Trippelkopplad solcell med reflektor och dess tillverkningsmetod - 2022-0804

• InGaP/InGaAs/Ge trippelkopplad solcell med en mikro-nano antireflexstruktur och dess tillverkningsmetod - 2018-0425

• En metod för en trippelkopplad solcell och trippelkopplad solcell - 2020-11-13

Ooitechs syn

Ooitech anser: trippelkopplade GaAs-celler, genom att dela upp solspektrat över tre delceller, levererar den höga verkningsgraden och beprövade tillförlitligheten som gör dem till det ledande valet för dagens högt värderade rymdenergiuppdrag.