Izvor: energija.gov
POZADINA
Multijunkcijski uređaji visoke učinkovitosti koriste višestruke pojaseve ili spojeve, koji su podešeni tako da apsorbiraju određeno područje solarnog spektra za stvaranje solarnih ćelija koje imaju rekordnu učinkovitost preko 45%. Maksimalna teorijska učinkovitost koju solarna ćelija s jednim pojasom može postići nekoncentriranom sunčevom svjetlošću iznosi oko 33,5%, prvenstveno zbog široke distribucije fotona koji se emitira iz sunca. Ta ograničavajuća učinkovitost, 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. Akuniraju se fotoni koji imaju energije veće od pojasa, ali energija veća od pojasa gubi se kao toplina.
Višenamjenski uređaji koriste gornju ćeliju visoke pojaseve za apsorpciju visokoenergetskih fotona, dok dopuštaju prolazak fotonima niže energije. Materijal s nešto nižim pojasevima tada se postavlja ispod spoja visokog pojasa kako bi apsorbirao fotone s nešto manje energije (veće valne duljine). Tipične multijuncijske stanice koriste dva ili više spojeva koji apsorbiraju, a teorijska maksimalna učinkovitost raste s brojem spojnica. Rana istraživanja multijunkcijskih uređaja utjecala su na svojstva poluvodiča koja su sadržana u elementima iz III i V stupca periodičke tablice, kao što su galij-indijum-fosfat (GaInP), arselid galijevog indija (GaInAs) i galijev arsenid (GaAs). Uređaji s tri spoja koji koriste III-V poluvodiče postigli su učinkovitost veću od 45% koristeći koncentriranu sunčevu svjetlost. Ova se arhitektura može prenijeti i na druge tehnologije solarnih ćelija, a multijunkcijske stanice izrađene od CIGS, CdSe, silicija, organskih molekula i drugih materijala se istražuju.
U prošlosti su se višenamjenski uređaji prije svega koristili u svemiru, gdje postoji premija postavljena na lagano stvaranje energije, što omogućava upotrebu ove relativno skupe solarne tehnologije. Za zemaljske primjene, visoki troškovi ovih poluvodičkih supstrata (u usporedbi s silikonom, na primjer) mogu se nadoknaditi korištenjem optike za koncentriranje, pri čemu trenutni sustavi prvenstveno koriste Fresnelove leće. Optika koncentriranja povećava količinu svjetlosti koja pada na solarnu ćeliju, što dovodi do veće proizvodnje energije. Korištenje optike za koncentriranje zahtijeva upotrebu dvoosnog praćenja sunca, što se mora uzeti u obzir u cijenu sustava.
UPUTE ISTRAŽIVANJA
Iako su višenamjenske III-V stanice veće učinkovitosti od konkurentskih tehnologija, takve su solarne ćelije znatno skuplje zbog trenutnih tehnika izrade i materijala. Stoga su aktivni istraživački napori usmjereni na smanjenje troškova električne energije koju generiraju ove solarne ćelije kroz pristupe poput razvoja novih materijala za podlogu, materijala apsorptora i tehnika izrade; povećanje učinkovitosti; i proširivanje koncepta multijukcije na ostale 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 djelotvorne III-V stanice u nastavku.
Državno sveučilište Ohio: Columbus Campus (Istraživanje i razvoj fotonaponske industrije)
Državno sveučilište Arizona (istraživanje i razvoj fotovoltaike)
Sveučilište u Oregonu (Istraživanje i razvoj fotonaponskih elemenata: Mali inovativni projekti u solarnom prostoru)
Rudarsko-tehnološka škola South Dakota (Istraživanje i razvoj fotonaponske industrije: Mali inovativni projekti u solarnom prostoru)
Državno sveučilište Arizona (Fotovoltaička istraživanja i razvoj: mali inovativni projekti u solarnom prostoru)
nLiten Energy (Fotovoltaička istraživanja i razvoj: mali inovativni projekti u solarnom prostoru)
Sveučilište u Kaliforniji, Berkeley (Photovoltaics II Projekti nove generacije)
Kalifornijski tehnološki institut (fotonaponski projekti druge generacije II)
Državno sveučilište Sjeverne Karoline (Temeljni program za unapređenje stanične učinkovitosti)
Nacionalni laboratorij za obnovljivu energiju (Temeljni program za unapređenje efikasnosti stanica)
Državno sveučilište Ohio (Temeljni program za unapređenje efikasnosti stanica)
Sveučilište u Houstonu (fotonaponska tehnologija 3 generacije)
Nacionalni laboratorij za obnovljive izvore energije (Projekti fotonaponskih tehnologija 3 generacije)
PREDNOSTI
Prednosti višenamenskih III-V solarnih ćelija uključuju:
Usklađivanje spektra: ćelije visoke učinkovitosti (> 45%) mogu se proizvesti spajanjem dijelova sunčevog spektra sa specifičnim slojevima apsorbera koji imaju određene zavoje.
Kristalna struktura: Različite kombinacije III-V poluvodiča imaju slične kristalne strukture i idealna svojstva za solarne ćelije, uključujući duge difuzione difuzione eksotonije, mobilnost nosača i kompatibilne apsorpcijske spektre.
PROIZVODNJA
Tradicionalne multi-spojne III-V stanice sastavljene su u epitaksijalnom monolitnom snopu s potkoncem povezanim u nizu kroz spojeve tunela. Konstruiranje višenamjenske ćelije u monolitnom snopu rezultira materijalnim ograničenjima, a izrada takvih uređaja olakšava se ako pojedinačni slojevi potkoljenica imaju kompatibilne položaje atomske rešetke i podudaraju se rešetkom. Ova prednost slaganja rešetke je razlog zašto se Ge, koji je rešetki povezan s nekim III-V legurama, tradicionalno koristi kao supstrat i uska traka u MJ-ima. Ograničenja podudaranja rešetke mogu se prevladati dodatnom složenošću pomoću vezanja vafelja ili metamorfnih slojeva međuspremnika.
Sloj tunela-spojnice izgrađen je sučeljem visoko dopiranih slojeva p ++ i n ++. Interakcija ovih slojeva rezultira u prostorno uskom području naelektrisanja u prostoru, koje omogućava struji da teče između podstanica. Slojevi visokog opsega, poznati kao prozonski slojevi i polja na stražnjoj površini, mogu se dodati pasivizirati površinska stanja na sučelju između podcelice i spoja tunela, koja ako se ne dodaju pasivi, mogu zarobiti nosače i ubrzati rekombinaciju.
Ako su potkelije povezane serijski, podcelica koja provodi najmanju struju ograničava maksimalnu struju koja može proticati kroz uređaj. Stoga se ulaže znatan napor u podešavanju struje podćelija. Luminiscentno spajanje između podstanica može opustiti neke od trenutno odgovarajućih dizajnerskih zahtjeva.
Multijunkcijske III-V solarne ćelije mogu se proizvesti tehnikama epitaksije s molekularnim snopom (MBE), ali izrada u velikim metalno-organskim reaktorima kemijskog isparavanja (MOCVD) tipična je za komercijalnu proizvodnju GaInP / GaInAs / Ge uređaja. Slojevi se mogu uzgajati iz trimetil-galija (Ga (CH3) 3), trimetilindija (InC3H9), arzina (AsH3) i fosfina (PH3) u vodiku koji nosi vodik i upotrebom dodataka poput vodikovog selenida (H2Se), silana (SiH6), i dietil-cinka ((C2H5) 2Zn). Korištenje optike za koncentriranje omogućava da pojedine stanice budu prilično male - ponekad jednako male kao i vrh olovke. Stoga ove tehnike omogućuju uzgoj stotina solarnih ćelija u jednim serijama. Istraživanja se provode kako bi se dodatno smanjila veličina stanica i povećao broj stanica koje se mogu uzgajati iz jedne rezine, što će pomoći smanjenju troškova po ćeliji.