Джерело: energy.gov
Передумови
Багатоелектронні пристрої високої ефективності використовують декілька смуг або з'єднань, налаштованих на поглинання конкретної області сонячного спектру для створення сонячних батарей, що мають ефективність запису понад 45%. Максимальна теоретична ефективність, яку може досягти односмугова сонячна батарея при неконцентрованому сонячному світлі, становить близько 33,5%, в першу чергу через широке розповсюдження фотонів, що випромінюють сонячну енергію. Ця обмежуюча ефективність, відома як межа Шоклі-Квіссера, виникає з-за того, що напруга відкритого контуру (Voc) сонячної комірки обмежена пропускною здатністю поглинаючого матеріалу і фотони з енергіями нижче смуги пропускання не поглинаються. Фотони, енергія яких більша за пробіг, поглинаються, але енергія, більша за пробіг, втрачається як тепло.
Багатофункціональні пристрої використовують верхню осередку з високим діапазоном, щоб поглинати фотони високої енергії, дозволяючи проходити крізь фотони нижчої енергії. Матеріал з дещо нижньою смугою простягання розміщується нижче високочастотного з'єднання для поглинання фотонів з трохи меншою енергією (більш довгі хвилі). У типових клітинах з багатоперехідними сполученнями використовуються два або більше поглинаючих стиків, а теоретична максимальна ефективність зростає з кількістю стиків. Ранні дослідження багатофункціональних пристроїв використовували властивості напівпровідників, що складаються з елементів у III та V колонках періодичної таблиці, таких як фосфат індію галію (GaInP), арсенід індію галію (GaInAs) та арсенід галію (GaAs). Триконтурні пристрої, що використовують напівпровідники III-V, досягли ефективності понад 45% за допомогою концентрованого сонячного світла. Ця архітектура також може бути передана іншим технологіям сонячних комірок, і багатоелектричні комірки, виготовлені з CIGS, CdSe, кремнію, органічних молекул та інших матеріалів, досліджуються.
У минулому багатофункціональні пристрої в основному використовувались у космосі, де є премія, що розміщується на легкій генерації електроенергії, що дозволяє використовувати цю порівняно дорожчу сонячну технологію. Для наземних застосувань висока вартість цих напівпровідникових підкладок (порівняно, наприклад, з кремнієм) може бути компенсована за допомогою оптики, що концентрується, при цьому в сучасних системах використовують головним чином лінзи Френеля. Оптична концентрація збільшує кількість світла, що падає на сонячну батарею, тим самим призводить до збільшення виробництва електроенергії. Використання оптики для концентрування вимагає використання двоосного відстеження сонця, яке повинно враховуватись у вартості системи.
НАПРЯМКИ ДОСЛІДЖЕНЬ
Незважаючи на те, що багатоядерні III-V комірки мають більшу ефективність, ніж конкуруючі технології, такі сонячні батареї значно дорожчі через сучасні технології виготовлення та матеріали. Тому активні дослідницькі зусилля спрямовані на зниження витрат електроенергії, виробленої цими сонячними елементами, шляхом таких підходів, як розробка нових матеріалів підкладки, поглинальних матеріалів та технік виготовлення; підвищення ефективності; і розширення концепції багатоперехідного зв’язку на інші ПВ-технології. Крім того, через вартість таких сонячних батарей розробка надійних рішень з низькими витратами на відстеження та концентрацію також є активною галуззю досліджень для підтримки скорочення витрат для ПВ-систем, що використовують багатоперехідні осередки.
Дізнайтеся більше про нагороджених та проекти, що стосуються високоефективних III-V комірок нижче.
Державний університет Огайо: Кампус Кампус (дослідження і розробка фотоелектрики)
Державний університет Арізони (дослідження та розробка фотоелектрики)
Університет штату Орегон (Дослідження та розробка фотоелектрики: Малі інноваційні проекти в сонячній)
Гірничо-технологічна школа Південної Дакоти (Дослідження та розробка фотоелектрики: Малі інноваційні проекти в сонячній галузі)
Арізонський державний університет (дослідження та розробка фотоелектричних напрямків: малі інноваційні проекти в сонячній)
nLiten Energy (Фотоелектричні дослідження та розробки: малі інноваційні проекти в сонячній)
Каліфорнійський університет, Берклі (Проекти фотоелектрики другого покоління II)
Каліфорнійський технологічний інститут (фотоелектричні проекти другого покоління)
Державний університет Північної Кароліни (Основна програма підвищення ефективності клітин)
Національна лабораторія відновлюваної енергії (Основна програма підвищення ефективності клітин)
Державний університет Огайо (Основна програма підвищення ефективності клітин)
Університет Х'юстона (фотоелектричні проекти 3-го покоління)
Національна лабораторія з відновлюваної енергії (3-х проектів фотоелектрики наступного покоління)
ПЕРЕВАГИ
До переваг багатоелектричних сонячних батарей III-V належать:
Збіг спектру: високоефективні комірки (> 45%) можуть бути виготовлені шляхом узгодження ділянок сонячного спектру із специфічними шарами поглиначів, що мають специфічні смуги.
Кристалічна структура: Різні комбінації напівпровідників III-V мають схожі кристалічні структури та ідеальні властивості для сонячних батарей, включаючи великі довжини дифузії екситону, мобільність носія та сумісні спектри поглинання.
ВИРОБНИЦТВО
Традиційні багатофункціональні клітини III-V зібрані в епітаксійний монолітний стік з підклітинами, з'єднаними послідовно через тунельні з'єднання. Побудова мультиконтактної комірки в монолітній стеці призводить до матеріальних обмежень, а виготовлення таких пристроїв полегшується, якщо окремі шари підклітин мають сумісні положення атомних решіток і узгоджуються з гратами. Ця перевага ґратчастого узгодження полягає в тому, що Ge, яка є решіткою, узгодженою з деякими III-V сплавами, традиційно використовується в якості підкладки та вузької осередкової смуги в MJ. Обмеження відповідності решітки можна подолати додатковою складністю, використовуючи зв'язування пластин або метаморфічні буферні шари.
Шар тунельно-стикового побудований за допомогою інтерфейсу високо легованих шарів p ++ та n ++. Взаємодія цих шарів призводить до просторово вузької просторово-зарядної області, що дозволяє протікати струм між підклітинами. Шари з високою смугою, відомі як віконні шари та поля задньої поверхні, можуть бути додані для пасивації поверхневих станів на межі між підклітиною та тунельним з'єднанням, які, якщо їх залишити без пасивів, можуть захопити носіїв та прискорити рекомбінацію.
Якщо підклітини підключені послідовно, підклітина, що проводить найменший струм, обмежує максимальний струм, який може протікати через пристрій. Тому докладаються значні зусилля щодо налаштування струму підклітин. Люмінесцентне з'єднання між підклітинами може послабити деякі сучасні вимоги до дизайну.
Багатоядерні сонячні батареї III-V можуть бути виготовлені за допомогою методів молекулярно-променевої епітаксії (MBE), однак виготовлення в великих металево-органічних хімічно-парових осадах (MOCVD) є типовим для комерційного виробництва приладів GaInP / GaInAs / Ge. Шари можна вирощувати з триметилгалію (Ga (CH3) 3), триметилінію (InC3H9), арсину (AsH3) і фосфіну (PH3) у газі, що переносить водень, і використовуючи допанти, такі як селенід водню (H2Se), силан (SiH6), і діетиловий цинк ((C2H5) 2Zn). Використання оптики для концентрування дозволяє окремим клітинам бути зовсім маленькими, часом такими ж маленькими, як розмір кінчика олівця. Тому ці методи дозволяють вирощувати сотні сонячних батарей одноразово. Проводяться дослідження з метою подальшого зменшення розміру комірок та збільшення кількості клітин, які можна виростити з однієї вафлі, що допоможе знизити витрати на клітинку.
