Triple-Junction GaAs Solar Cells: Isang Detalyadong Pagtingin sa Mainstream Space Photovoltaic Structure

Panimula

Habang patuloy na lumalaki ang commercial spaceflight, ang spacecraft ay nangangailangan ng mas maraming elektrikal na kapangyarihan. Ang space photovoltaics ang pangunahing pinagkukunan ng kuryente para sa karamihan ng spacecraft, kaya ang pagpili ng solar cell technology ay direktang humuhubog kung magtatagumpay ang isang misyon, gaano ito cost-effective, at kung paano ito mananatiling kompetitibo sa merkado.

Sa kasalukuyan, may tatlong pangunahing technology directions: gallium arsenide (GaAs), p-type heterojunction (HJT), at p-type HJT/perovskite tandem cells. Sa pagtingin sa kung saan patungo ang teknolohiya at ang pangmatagalang potensyal nito, at pagsusuri sa mga pangunahing pros at cons ng bawat ruta, ang GaAs pa rin ang nangunguna. Sa kabila ng mga hamon sa gastos, ang walang kapantay na all-around performance, napatunayang reliability sa matinding kapaligiran, at malinaw at malaking puwang para sa pagbawas ng gastos ay ginagawang pinakamahusay na pagpipilian ang GaAs para sa high-value, high-reliability commercial space missions ngayon at sa susunod na 3-5 taon.

Ang Mga Bentahe ng Triple-Junction GaAs Cells

Mataas na kahusayan

Ang GaAs bandgap (1.42 eV) ay nasa theoretically optimal range. Bukod dito, ang multi-junction cells ay nag-stack ng GaInP, GaAs, at Ge layers na sumisipsip ng high-, medium-, at low-energy photons ayon sa pagkakasunod, na lubos na nagpapalawak ng spectrum na magagamit nila. Ang pinakabagong triple-junction GaAs cells para sa space photovoltaics ay umaabot na ngayon ng power conversion efficiencies na higit sa 30%.

Mataas na reliability

Ang malakas na radiation resistance at mahusay na high-temperature stability ay ginagawang perpektong akma ang mga cell na ito para sa mga pangunahing pangangailangan ng high-end, long-life missions. Ang performance edge ay sapat upang mabawi ang mas mataas na gastos.

Mature technology na may mahabang track record sa orbit

Noong 1965, ang Venera 3 satellite ng dating Unyong Sobyet ang naging unang gumamit ng GaAs cells. Noong 1995, ang unang komersyal na communications satellite na MEASAT ay gumamit ng single-junction GaAs bilang pangunahing power unit, at ang disenyo ng solar array ay bumuo ng kumpletong database na nagpapatunay na ang GaAs cells ay kayang matugunan ang buong life-cycle power needs ng isang spacecraft. Mula noon, unti-unting pinalitan ng GaAs cells ang mga mas lumang cells bilang pangunahing power-generating unit sa spacecraft, na umuusbong mula single-junction patungong multi-junction designs.

Bakit Ito Idinisenyo bilang Three-Junction Structure?

Anumang semiconductor material ay mahusay lamang na sumisipsip ng mga photon na may enerhiyang mas mataas kaysa sa bandgap nito. Ang mga photon na may masyadong mababang enerhiya ay hindi magagamit, habang ang mga photon na may masyadong mataas na enerhiya ay nawawalan ng sobra bilang init (thermalization loss). Ang bandgap ng isang single-junction cell ay hindi perpektong tumutugma sa solar spectrum. Kunin halimbawa ang single-junction silicon cell: ito ay kayang sumipsip ng mga photon sa range na 0.3-1.1 μm (300 nm-1100 nm), pangunahing gumagana sa bandang 0.38 μm-0.7 μm. Kaya naman ang single-junction silicon cells ay may limitadong efficiency ceiling, na may theoretical limit na humigit-kumulang 29.7%.

Ang isang three-junction cell ay hinahati ang trabaho sa tatlong sub-cells, hinihiwa ang solar spectrum sa tatlong segment upang ang bawat sub-cell ay gumana sa pinakamainam nitong banda. Ito ay lubhang nagbabawas ng parehong thermalization losses at spectral mismatch losses. Sa teorya, ang multi-junction cells ay maaaring umabot ng 50% efficiency, mas mataas kaysa sa kayang ibigay ng single-junction structure.

Ang Structure ng isang Triple-Junction GaAs Cell

Ang triple-junction GaAs cell ay nahahati sa tatlong bahagi: ang top cell, ang middle cell, at ang bottom cell. Ang bawat bahagi ay gumagamit ng iba't ibang pangunahing (base region) materials at may iba't ibang papel.

Top cell

Karaniwang AlGaInP / GaInP, na may bandgap na humigit-kumulang 1.8-1.9 eV. Ito ay pangunahing sumisipsip ng short-wavelength photons (ultraviolet, blue light). Ang top cell ay sumisipsip ng high-energy photons at nagbabawas ng thermalization losses.

Middle cell

Karaniwang InGaAs o GaAs, na may bandgap na humigit-kumulang 1.42 eV. Ito ay pangunahing sumisipsip ng medium- at long-wavelength photons (green, yellow, red light). Ang middle cell ay humahawak ng medium-to-long wavelengths at nag-aambag ng karamihan sa photocurrent.

Bottom cell

Karaniwang Ge, na may bandgap na humigit-kumulang 0.67 eV. Ito ay pangunahing sumisipsip ng long-wavelength photons (near-infrared). Ang bottom cell ay kumukuha ng highly penetrating infrared light.

Ngayon, talakayin natin ang ginagawa ng bawat layer.

① Contact Layer

Nakaupo mismo sa itaas ng pinakalabas na Cap layer, ito ang semiconductor layer na direktang hinahawakan ng metal electrode. Karaniwan itong heavily doped n⁺⁺-GaAs o n⁺⁺-GaInP. Ang pangunahing trabaho nito ay babaan ang contact resistance—ang heavy doping ay tumutulong upang makabuo ito ng magandang ohmic contact sa metal electrode at mabawasan ang electrical losses. Pinoprotektahan din nito ang active region, na inihihiwalay ang metal electrode mula sa maselang active region sa ibaba (window layer, emitter, atbp.) upang maiwasan ang process damage.

② Cap Layer

Matatagpuan sa itaas ng window layer at sa ibaba ng anti-reflection coating, sa pagitan ng anti-reflection film at contact layer. Karaniwan itong GaAs, bagaman ang ilang disenyo ay gumagamit ng transparent conductive oxides (TCO) tulad ng ITO. Ang pangunahing papel nito ay tumulong sa current collection bilang isang "auxiliary electrode," na nakikipagtulungan sa contact layer upang mangolekta at maglabas ng current nang lateral—lalo na kapaki-pakinabang para sa fine-line grid designs. Ang kapal at refractive index nito ay maaari ring i-adjust upang makilahok sa optical design at magbigay ng auxiliary anti-reflection effect.

③ Window Layer

Matatagpuan sa itaas ng emitter, karaniwang gawa sa AlInP, AlGaInP, o AlGaAs. Ang pangunahing papel nito ay bawasan ang surface recombination: ang wide-bandgap na katangian ng materyal ay nangangahulugang kaunti lang ang liwanag na nasisipsip nito, at bumubuo ito ng high-low junction na nagtutulak sa photo-generated carriers (electrons) patungo sa loob ng emitter, na pumipigil sa recombination losses sa surface defects. Gumagana rin ito bilang isang "payong," na pinoprotektahan ang junction region mula sa pinsala sa mga susunod na proseso tulad ng electrode evaporation.

④ Emitter

Matatagpuan sa ibaba ng window layer at sa itaas ng base, bumubuo ng PN junction kasama ang base. Karaniwan itong N-type GaInP o GaAs. Ang pangunahing papel nito ay kumilos bilang "positive electrode," na nangongolekta ng photo-generated electrons at nagdadala sa kanila sa external circuit. Binabalanse rin nito ang light absorption laban sa collection—sa pamamagitan ng maingat na pag-adjust ng kapal at doping concentration, ito ay sapat na makapal upang sumipsip ng short-wavelength light ngunit hindi masyadong makapal na ang carriers ay mag-recombine sa panahon ng diffusion.

⑤ Base

Matatagpuan sa ibaba ng emitter at sa itaas ng BSF layer, ito ang pangunahing katawan ng PN junction. Karaniwan itong p-type GaInP o AlGaInP. Bilang pangunahing light-absorbing region, ito ang "workhorse" ng top cell, sumisipsip ng karamihan ng short-wavelength light (asul at ultraviolet), bumubuo ng photo-generated electron-hole pairs, at mahusay na nagdadala ng photo-generated holes patungo sa back BSF layer o electrode.

⑥ BSF Layer (Back Surface Field)

Matatagpuan sa ilalim ng base at sa itaas ng tunnel junction, na bumubuo ng high-low junction kasama ang base sa likurang bahagi. Ang materyal ay karaniwang wide-bandgap na p-AlGaInP, AlGaAs, at iba pa. Ang pangunahing papel nito ay pigilan ang reverse carrier recombination: ang BSF layer ay lumilikha ng isang "barrier" sa likod ng base na pumipigil sa photo-generated holes na mag-recombine habang kumakalat patungo sa back electrode, sa gayon ay pinapataas ang boltahe at kahusayan.

⑦ Reflector

Matatagpuan sa pagitan ng top cell at middle cell, o sa pagitan ng middle cell at bottom cell. Ito ay isang Distributed Bragg Reflector (DBR) na gawa sa alternating high- at low-refractive-index na materyales, tulad ng AlAs/AlGaAs o AlInP/AlGaInP. Ang pangunahing trabaho nito ay ipakita pabalik ang medium-to-long-wavelength na liwanag na hindi na-absorb ng top at middle cells at malapit nang makatakas, na nagpapahintulot sa pangalawang pag-absorb na nagpapataas ng kabuuang kasalukuyan at kahusayan.

⑧ Tunnel Junction

Matatagpuan sa pagitan ng mga sub-cells, gawa sa heavily doped thin layers (tulad ng n++GaAs / p++GaAs). Tulad ng isang "quantum tunnel," pinapayagan nito ang photo-generated carriers na dumaan nang mahusay habang pinapanatili ang bawat sub-cell na electrically independent.

Ang istraktura ng middle cell ay katulad ng sa top cell, maliban sa iba't ibang materyales, kaya hindi na natin ito uulitin. Sa ibaba ay maikli nating tatalakayin ang pagkakaiba ng bottom cell.

⑨ Buffer Layer

Nakasiksik sa pagitan ng bottom cell at middle cell, nilulutas nito ang problema sa lattice-mismatch. Kapag ang materyal ng bottom cell (tulad ng InGaAs) ay hindi tugma sa lattice constant ng itaas na materyal (tulad ng GaAs), ang buffer layer ay gumagamit ng isang "graded" o "metamorphic lattice" na istraktura upang unti-unting maglabas ng stress at "harangin" ang threading dislocations, na pinapanatili ang mga ito sa labas ng active region ng bottom cell, sa gayon ay pinapabuti ang pagganap ng cell.

⑩ Bottom Cell Base

Matatagpuan sa "makapal" na bahagi ng PN junction ng bottom cell. Ito ay karaniwang isang p-type Ge substrate. Ang pangunahing tungkulin nito ay sumipsip ng long-wavelength infrared light, na nagsisilbing pangunahing tagagawa ng photo-generated carriers sa bottom cell.

Ilang Tala

Sa mga label ng P/N type, ang N++/P++ at mga katulad na marka ay nagpapahiwatig ng light versus heavy doping. Ang triple-junction GaAs cell structure na inilalarawan sa artikulong ito ay inalis ang electrode structure, anti-reflection layer structure, at mga katulad na detalye para sa pagiging simple.

Mga Sanggunian:

• Triple-junction solar cell na may reflector at paraan ng paggawa nito - 2022-0804

• InGaP/InGaAs/Ge triple-junction solar cell na may micro-nano anti-reflection structure at paraan ng paggawa nito - 2018-0425

• Isang paraan para sa triple-junction solar cell at ang triple-junction solar cell - 2020-11-13

Pananaw ng Ooitech

Naniniwala ang Ooitech: ang triple-junction GaAs cells, sa pamamagitan ng paghahati ng solar spectrum sa tatlong sub-cells, ay naghahatid ng mataas na kahusayan at napatunayang pagiging maaasahan na ginagawa silang nangungunang pagpipilian para sa mga high-value space power missions ngayon.