Источник: energy.gov
ФОН
В высокоэффективных многопереходных устройствах используются несколько запрещенных зон или переходов, которые настроены для поглощения определенной области солнечного спектра и создания солнечных элементов с рекордной эффективностью более 45%. Максимальная теоретическая эффективность, которой может достичь однополосный солнечный элемент при неконцентрированном солнечном свете, составляет около 33,5%, главным образом из-за широкого распределения испускаемых солнечной энергией фотонов. Эта ограничивающая эффективность, известная как предел Шокли-Кейссера, возникает из-за того, что напряжение холостого хода (Voc) солнечного элемента ограничено запрещенной зоной поглощающего материала и что фотоны с энергиями ниже запрещенной зоны не поглощаются. Фотоны с энергией, превышающей запрещенную зону, поглощаются, но энергия, превышающая запрещенную зону, теряется в виде тепла.
Многофункциональные устройства используют верхнюю ячейку с высокой шириной запрещенной зоны, чтобы поглощать фотоны с высокой энергией, в то же время пропуская фотоны с более низкой энергией. Материал с немного более низкой шириной запрещенной зоны затем помещается ниже соединения с высокой шириной запрещенной зоны, чтобы поглощать фотоны с немного меньшей энергией (более длинные волны). Типичные многопереходные ячейки используют два или более поглощающих переходов, и теоретическая максимальная эффективность увеличивается с увеличением количества переходов. В ранних исследованиях многопереходных устройств использовались свойства полупроводников, состоящих из элементов в столбцах III и V Периодической таблицы, таких как фосфат индия-галлия (GaInP), арсенид индия-галлия (GaInAs) и арсенид галлия (GaAs). Трехпереходные устройства, использующие полупроводники III-V, достигли эффективности более 45% при использовании концентрированного солнечного света. Эту архитектуру также можно перенести на другие технологии солнечных элементов, и в настоящее время исследуются многопереходные элементы, изготовленные из CIGS, CdSe, кремния, органических молекул и других материалов.
В прошлом многопереходные устройства в основном использовались в космосе, где особое внимание уделяется производству легкой энергии, что позволяет использовать эту относительно дорогостоящую солнечную технологию. Для наземных применений высокие затраты на эти полупроводниковые подложки (например, по сравнению с кремнием) могут быть компенсированы с помощью концентрирующей оптики, а в современных системах используются линзы Френеля. Концентрирующая оптика увеличивает количество света, падающего на солнечный элемент, что приводит к увеличению выработки энергии. Использование концентрирующей оптики требует использования двухосевой системы отслеживания солнца, которая должна быть включена в стоимость системы.
НАУЧНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ
Хотя многопереходные элементы III-V имеют более высокую эффективность, чем конкурирующие технологии, такие солнечные элементы значительно дороже из-за современных технологий и материалов изготовления. Поэтому активные исследовательские усилия направлены на снижение стоимости электричества, генерируемого этими солнечными элементами, с помощью таких подходов, как разработка новых материалов подложки, поглощающих материалов и технологий изготовления; повышение эффективности; и расширение концепции мультиперехода на другие фотоэлектрические технологии. Кроме того, из-за стоимости таких солнечных элементов разработка надежных недорогих решений для отслеживания и концентрации также являются активными областями исследований в поддержку снижения затрат для фотоэлектрических систем, использующих многопереходные элементы.
Узнайте больше о призерах и проектах с использованием высокоэффективных ячеек III-V ниже.
Государственный университет Огайо: Колумбус Кампус (фотоэлектрические исследования и разработки)
Университет штата Аризона (Исследования и разработки в области фотовольтаики)
Университет штата Орегон (Исследования и разработки в области фотогальваники: небольшие инновационные проекты в области солнечной энергии)
Школа горного дела и технологий Южной Дакоты (Исследования и разработки в области фотовольтаики: небольшие инновационные проекты в области солнечной энергии)
Аризонский государственный университет (Исследования и разработки в области фотогальваники: небольшие инновационные проекты в области солнечной энергии)
nLiten Energy (Исследования и разработки в области фотогальваники: небольшие инновационные проекты в области солнечной энергии)
Калифорнийский университет в Беркли (проекты Photovoltaics II следующего поколения)
Калифорнийский технологический институт (проекты Photovoltaics II следующего поколения)
Университет штата Северная Каролина (Основополагающая программа повышения эффективности сотовой связи)
Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (основополагающая программа повышения эффективности работы ячеек)
Государственный университет Огайо (Основополагающая программа для повышения эффективности клеток)
Хьюстонский университет (фотовольтаика следующего поколения 3 проекта)
Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (фотогальваника следующего поколения 3 проекта)
ВЫГОДЫ
Преимущества многопереходных солнечных элементов III-V включают в себя:
Согласование спектра: Высокоэффективные элементы (> 45%) могут быть изготовлены путем сопоставления участков солнечного спектра с конкретными слоями поглотителя, имеющими определенные запрещенные зоны.
Кристаллическая структура. Различные комбинации полупроводников III-V имеют схожие кристаллические структуры и идеальные свойства для солнечных элементов, включая большие длины диффузии экситонов, подвижность носителей и совместимые спектры поглощения.
ПРОИЗВОДСТВО
Традиционные многопереходные клетки III-V собраны в эпитаксиальный монолитный стек с субэлементами, соединенными последовательно через туннельные переходы. Построение многопереходной ячейки в монолитном стеке приводит к материальным ограничениям, и изготовление таких устройств облегчается, если отдельные слои субэлементов имеют совместимые положения атомной решетки и согласованы по решетке. Это преимущество согласования по решетке заключается в том, что Ge, который соответствует решетке для некоторых сплавов III-V, традиционно используется в качестве подложки и узкой запрещенной ячейки в МДж. Ограничения соответствия решетки можно преодолеть с помощью дополнительной сложности, используя связывание пластин или метаморфические буферные слои.
Слой туннельного перехода построен из интерфейса высоколегированных слоев p ++ и n ++. Взаимодействие этих слоев приводит к пространственно узкой области пространственного заряда, которая позволяет току протекать между подэлементами. Слои с высокой запрещенной зоной, известные как оконные слои и поля задней поверхности, могут быть добавлены для пассивации поверхностных состояний на границе раздела между субячейкой и туннельным переходом, которые, если оставить их не пассивированными, могут захватывать носители и ускорять рекомбинацию.
Если субэлементы соединены последовательно, то субэлемент, который проводит наименьший ток, ограничивает максимальный ток, который может протекать через устройство. Поэтому значительные усилия прилагаются к настройке тока субэлементов. Люминесцентная связь между подэлементами может ослабить некоторые из текущих требований дизайна.
Многопереходные солнечные элементы III-V могут быть изготовлены с использованием методов молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE), но изготовление в больших реакторах металл-органическое химическое осаждение из газовой фазы (MOCVD) типично для промышленного производства устройств GaInP / GaInAs / Ge. Слои могут быть выращены из триметилгаллия (Ga (CH3) 3), триметилиндия (InC3H9), арсина (AsH3) и фосфина (PH3) в газообразном водороде-носителе и с использованием легирующих примесей, таких как селенид водорода (H2Se), силан (SiH6), и диэтилцинк ((C2H5) 2Zn). Использование концентрирующей оптики позволяет отдельным ячейкам быть достаточно маленькими - порой такими же маленькими, как размер кончика карандаша. Таким образом, эти методы позволяют выращивать сотни солнечных элементов в отдельных партиях. Проводятся исследования для дальнейшего уменьшения размера ячеек и увеличения количества ячеек, которые можно выращивать из одной пластины, что поможет снизить стоимость на ячейку.
