Trippelkopplade GaAs-solceller: En detaljerad titt på den dominerande rymdfotovoltaiska strukturen

Introduktion

I takt med att kommersiella rymdfärder fortsätter att växa, behöver rymdfarkoster mer och mer elektrisk kraft. Rymdfotovoltaik fungerar som den huvudsakliga strömkällan för de flesta rymdfarkoster, så valet av solcellsteknik påverkar 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. Om man tittar på vart tekniken är på väg och dess långsiktiga potential, och gräver i de centrala för- och nackdelarna med varje väg, kommer GaAs fortfarande ut som vinnare. Trots kostnadsutmaningarna gör GaAs oöverträffade allroundprestanda, beprövade tillförlitlighet i extrema miljöer och tydliga, stora utrymme för kostnadsminskning det till det bästa valet för högvärdiga, högtillförlitliga kommersiella rymduppdrag både idag och under de kommande 3-5 åren.

Fördelarna med trippelkopplade GaAs-celler

Hög verkningsgrad

GaAs-bandgapet (1,42 eV) ligger precis inom det teoretiskt optimala intervallet. Dessutom staplar flerkopplade celler GaInP-, GaAs- och Ge-skikt som absorberar hög-, mellan- respektive lågenergifotoner, vilket kraftigt breddar det spektrum de kan använda. De senaste trippelkopplade GaAs-cellerna för rymdfotovoltaik når nu verkningsgrader över 30%.

Hög tillförlitlighet

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

Mogen teknik med lång beprövad erfarenhet 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 kraftkälla, och solpanelens design byggde upp en komplett databas som bevisade att GaAs-celler kunde möta en rymdfarkosts hela livscykelbehov av energi. 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 flerskiktskonstruktioner.

Varför utforma den som en treskiktsstruktur?

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 solspektrat. 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. Därför har enkelskikts kiselceller en begränsad verkningsgradstak, med en teoretisk gräns på cirka 29,7%.

En treskiktscell delar upp arbetet mellan tre delceller, och skär solspektrat 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 nå nästan 50% verkningsgrad, mycket högre än vad en enkelskiktsstruktur kan leverera.

Strukturen hos en treskikts GaAs-cell

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

Mellancell

Vanligtvis InGaAs eller GaAs, med ett bandgap runt 1,42 eV. Den absorberar huvudsakligen medel- och långvågiga fotoner (grönt, gult, rött ljus). Mellancellen 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.

Låt oss nu gå igenom vad varje lager gör.

① Kontaktskikt

Sitter precis ovanför det yttersta kapskiktet, detta är halvledarskiktet som metallelektroden direkt vidrör. Det är vanligtvis kraftigt dopat n⁺⁺-GaAs eller n⁺⁺-GaInP. Dess huvudsakliga uppgift är att sänka kontaktresistansen—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 (fönsterskikt, emitter, etc.) för att förhindra processkador.

② Kapskikt

Beläget ovanför fönsterskiktet och under antireflexbeläggningen, mellan antireflexfilmen och kontaktskiktet. Det är vanligtvis GaAs, även om vissa konstruktioner använder transparenta ledande oxider (TCO) som ITO. Dess huvudsakliga roll är att underlätta strömuppsamling som en "hjälpelektrod", i samarbete med kontaktskiktet för att samla in och leda ut ström lateralt—särskilt användbart för finlinjiga rutnätskonstruktioner. Dess tjocklek och brytningsindex kan också justeras för att delta i optisk design och ge en extra antireflexeffekt.

③ Fönsterskikt

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

④ Emitter

Beläget under fönsterskiktet och ovanför basen, bildar en PN-övergång med basen. Det är vanligtvis N-typ GaInP eller GaAs. Dess huvudsakliga roll är att fungera som "positiv elektrod", samla in fotogenererade elektroner och leda dem till den externa kretsen. Det balanserar också ljusabsorption mot insamling—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-skiktet, 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-skiktet eller elektroden.

⑥ BSF-skikt (Bakre Ytfält)

Belägen 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 laddningsbärarrekombination: BSF-skiktet skapar en "barriär" på baksidan av basen som hindrar fotogenererade hål från att rekombineras när de diffunderar mot bakelektroden, vilket ökar spänning och verkningsgrad.

⑦ Reflektor

Belägen mellan den övre cellen och den mellersta cellen, eller mellan den mellersta cellen och den nedre cellen. Det är en distribuerad Bragg-reflektor (DBR) odlad från växlande hög- och lågbrytningsindexmaterial, såsom AlAs/AlGaAs eller AlInP/AlGaInP. Dess huvudsakliga uppgift är att reflektera tillbaka det medel- till långvågiga ljus som de övre och mellersta cellerna inte har absorberat och som är på väg att lämna cellen, vilket möjliggör en andra absorptionspassage som ökar den totala strömmen och verkningsgraden.

⑧ Tunnelövergång

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

Den mellersta cellens struktur liknar den övre cellens, bara med andra material, så vi upprepar det inte här. Nedan beskriver vi kort vad som skiljer den nedre cellen.

⑨ Buffertskikt

Inklämd mellan den nedre cellen och den mellersta cellen, löser den problemet med gitteranpassning. När materialet i den nedre cellen (t.ex. InGaAs) inte matchar gitterkonstanten hos det övre materialet (t.ex. GaAs), använder buffertskiktet en "graderad" eller "metamorf gitter"-struktur för att gradvis avlasta spänning och "fånga upp" tråddislokationer, så att de hålls borta från den nedre cellens aktiva region och därmed förbättrar cellens prestanda.

⑩ Nedre cellens bas

Belägen på den "tjocka" sidan av den nedre cellens PN-övergång. Den är vanligtvis ett p-typ Ge-substrat. Dess huvudsakliga funktion är att absorbera långvågigt infrarött ljus och fungera som arbetshäst för att generera fotogenererade laddningsbärare i den nedre cellen.

Några anmärkningar

I P/N-typsbeteckningarna indikerar N++/P++ och liknande markeringar lätt respektive tung dopning. Den trippelkopplade GaAs-cellstrukturen som illustreras i denna artikel utelämnar elektrodstruktur, antireflektionsskiktstruktur 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-antireflektionsstruktur 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 solspektrat över tre delceller, levererar den höga verkningsgraden och beprövade tillförlitligheten som gör dem till det ledande valet för dagens högvärdiga rymdenergiuppdrag.