Sursa: energie.gov
FUNDAL
Dispozitivele de multijuncție de înaltă eficiență utilizează mai multe benzi de bandă, sau joncțiuni, care sunt reglate pentru a absorbi o anumită regiune a spectrului solar pentru a crea celule solare cu eficiență record peste 45%. Eficiența teoretică maximă pe care o celulă solară cu o singură bandă o poate atinge cu lumina solară neconcentrată este de aproximativ 33,5%, în principal datorită distribuției largi a fotonilor cu emisie solară. Această eficiență limitantă, cunoscută sub numele de limitele Shockley-Queisser, rezultă din faptul că tensiunea în circuit deschis (Voc) a unei celule solare este limitată de banda de bandă a materialului absorbant și că fotonii cu energii sub banda de bandă nu sunt absorbiți. Fotonii care au energii mai mari decât bandgap-ul sunt absorbiți, dar energia mai mare decât banda de bandă se pierde sub formă de căldură.
Dispozitivele de multijuncție folosesc o celulă superioară cu bandă mare pentru a absorbi fotoni cu energie mare, permițând în același timp fotonii cu energie mai mică. Un material cu o bandă ușor mai mică este apoi plasat sub joncțiunea cu bandă mare pentru a absorbi fotoni cu o energie puțin mai mică (lungimi de undă mai lungi). Celulele tip multijuncție utilizează două sau mai multe joncțiuni absorbante, iar eficiența teoretică maximă crește odată cu numărul de joncțiuni. Cercetările timpurii în dispozitivele de multijuncție au pus în valoare proprietățile semiconductorilor cuprinse din elemente din coloanele III și V ale tabelului periodic, cum ar fi fosfat de indiu de galiu (GaInP), arsenidă de galiu (GaInAs) și arsenid de galiu (GaAs). Dispozitivele cu trei joncțiuni care folosesc semiconductori III-V au atins eficiențe mai mari de 45% folosind lumina solară concentrată. Această arhitectură poate fi transferată și la alte tehnologii de celule solare și sunt cercetate celule multijuncționale fabricate din CIGS, CdSe, siliciu, molecule organice și alte materiale.
În trecut, dispozitivele multijuncționale au fost utilizate în primul rând în spațiu, unde există un premium pus pe generarea de energie ușoară, ceea ce permite utilizarea acestei tehnologii solare relativ costisitoare. Pentru aplicațiile terestre, costurile ridicate ale acestor substraturi semiconductoare (în comparație cu siliciul, de exemplu) pot fi compensate prin utilizarea opticii concentratoare, sistemele actuale folosind în principal lentile Fresnel. Optica de concentrare crește cantitatea de lumină incidentă pe celula solară, conducând astfel la o mai mare producție de energie. Utilizarea opticii de concentrare necesită utilizarea de urmărire solară cu două axe, care trebuie luată în considerare în costul sistemului.
DIRECȚII DE CERCETARE
Deși celulele III-V multijuncționale au eficiențe mai mari decât tehnologiile concurente, astfel de celule solare sunt considerabil mai costisitoare din cauza tehnicilor și materialelor actuale de fabricație. Prin urmare, eforturile de cercetare active sunt îndreptate către reducerea costului energiei electrice generate de aceste celule solare prin abordări precum dezvoltarea de noi materiale de substrat, materiale absorbante și tehnici de fabricație; creșterea eficienței; și extinderea conceptului de multijuncție la alte tehnologii fotovoltaice. Mai mult, datorită costului acestor celule solare, dezvoltarea de soluții fiabile la costuri reduse de urmărire și concentrare sunt, de asemenea, zone active de cercetare pentru a sprijini reducerea costurilor pentru sistemele fotovoltaice care utilizează celule multijuncționale.
Aflați mai multe despre premiați și proiectele care implică celule III-V de înaltă eficiență.
Universitatea de Stat din Ohio: Columbus Campus (Cercetare și dezvoltare fotovoltaică)
Universitatea de Stat din Arizona (Cercetare și Dezvoltare Fotovoltaică)
Universitatea din Oregon (Cercetare și dezvoltare fotovoltaică: mici proiecte inovatoare în solar)
Școala de mină și tehnologie din Dakota de Sud (Cercetare și dezvoltare fotovoltaică: mici proiecte inovatoare în solar)
Universitatea de Stat din Arizona (Cercetare și dezvoltare fotovoltaică: mici proiecte inovatoare în solar)
nLiten Energy (Cercetare și dezvoltare fotovoltaică: mici proiecte inovatoare în solar)
Universitatea din California, Berkeley (Proiecte fotovoltaice II de generație următoare)
Institutul Tehnologic din California (Proiecte Fotovoltaice II de generație următoare)
Universitatea de Stat din Carolina de Nord (Program de bază pentru avansarea eficienței celulare)
Laboratorul Național de Energii Regenerabile (Programul fundamental pentru avansarea eficienței celulare)
Universitatea de Stat din Ohio (Program de bază pentru avansarea eficienței celulare)
Universitatea din Houston (Proiecte fotovoltaice de generație următoare 3)
Laboratorul național de energie regenerabilă (proiecte fotovoltaice de generație viitoare 3)
BENEFICII
Beneficiile celulelor solare multijuncționale III-V includ:
Potrivirea spectrului: Celulele cu eficiență ridicată (> 45%) pot fi fabricate prin potrivirea secțiunilor spectrului solar cu straturi specifice de absorbție care au bandaje specifice.
Structura cristalină: diferitele combinații de semiconductori III-V au structuri de cristal similare și proprietăți ideale pentru celulele solare, inclusiv lungimi de difuzie exciton lungă, mobilitatea purtătorului și spectre de absorbție compatibile.
PRODUCȚIE
Celulele III-V cu multijuncție tradițională sunt asamblate într-o stivă monolitică epitaxială cu subcelele conectate în serie prin joncțiuni de tunel. Construirea unei celule multijuncționale într-o stivă monolitică duce la constrângeri materiale, iar fabricarea unor astfel de dispozitive este facilitată dacă straturile individuale ale subcelelor au poziții de zăcămire atomică compatibile și sunt potrivite cu zăbrele. Acest avantaj al potrivirii zăbrele este motivul pentru care Ge, care se potrivește cu unele aliaje III-V, este utilizat în mod tradițional ca substrat și celulă îngustă de bandă în MJ. Limitările de potrivire a zăcământului pot fi depășite cu o complexitate suplimentară folosind lipirea waferului sau straturile tampon metamorfice.
Stratul tunel-joncțiune este construit prin interfața straturilor p ++ și n ++ extrem de dopate. Interacțiunea acestor straturi are ca rezultat o regiune de încărcare spațială îngustă spațial, care permite curgerea curentului între subcele. Straturile cu bandă înaltă, cunoscute sub denumirea de straturi de ferestre și câmpuri de suprafață din spate, pot fi adăugate pentru a pasiva stările de suprafață la interfața dintre o subcelă și joncțiunea tunelului, care, dacă sunt lăsate nedivizate, pot capta transportatorii și accelera recombinarea.
Dacă subcelele sunt conectate în serie, subcelul care conduce cel mai mic curent limitează curentul maxim care poate circula prin dispozitiv. Prin urmare, se depune un efort considerabil în ajustarea curentului subcelelor. Cuplarea luminiscentă între subcelele poate relaxa unele dintre cerințele de proiectare care se potrivesc în prezent.
Celulele solare multijuncționale III-V pot fi fabricate folosind tehnici de epitaxie cu fascicul molecular (MBE), dar fabricarea în reactoarele metalice organice mari cu depunere de vapori (MOCVD) este tipică pentru producția la scară comercială a dispozitivelor GaInP / GaInAs / Ge. Straturile pot fi cultivate din trimetilgalliu (Ga (CH3) 3), trimetilindiu (InC3H9), arsină (AsH3) și fosfină (PH3) într-un gaz purtător de hidrogen și folosind dopanți cum ar fi selenura de hidrogen (H2Se), silan (SiH6), și dietil zinc ((C2H5) 2Zn). Utilizarea opticii de concentrare permite celulelor individuale să fie destul de mici - uneori, la fel de mici decât dimensiunea vârfului unui creion. Prin urmare, aceste tehnici permit sute de celule solare să fie cultivate în loturi unice. Se fac cercetări pentru a reduce în continuare dimensiunea celulelor și pentru a crește numărul de celule care pot fi cultivate dintr-o singură placă, ceea ce va ajuta la reducerea costurilor pe celulă.
