Celle solari GaAs a tripla giunzione: uno sguardo approfondito alla struttura fotovoltaica spaziale mainstream
Indice
Introduzione
Con la continua crescita del volo spaziale commerciale, i veicoli spaziali necessitano di sempre più energia elettrica. Il fotovoltaico spaziale funge da principale fonte di energia per la maggior parte dei veicoli spaziali, quindi la scelta della tecnologia delle celle solari influisce direttamente sul successo della missione, sul rapporto costo-efficacia e sulla competitività sul mercato.
Al momento, ci sono tre principali direzioni tecnologiche: arseniuro di gallio (GaAs), eterogiunzione di tipo p (HJT) e celle tandem HJT di tipo p/perovskite. Considerando l'evoluzione della tecnologia e il suo potenziale a lungo termine, e analizzando i pro e i contro fondamentali di ciascuna via, il GaAs rimane ancora in cima. Nonostante le sfide di costo, le sue prestazioni complete ineguagliabili, l'affidabilità comprovata in ambienti estremi e il chiaro e significativo margine di riduzione dei costi rendono il GaAs la scelta migliore per missioni spaziali commerciali di alto valore e alta affidabilità sia oggi che nei prossimi 3-5 anni.
I Vantaggi delle Celle a Tripla Giunzione GaAs
Alta efficienza
Il bandgap del GaAs (1,42 eV) si trova proprio nell'intervallo teoricamente ottimale. Inoltre, le celle multi-giunzione impilano strati di GaInP, GaAs e Ge che assorbono rispettivamente fotoni ad alta, media e bassa energia, ampliando notevolmente lo spettro che possono utilizzare. Le più recenti celle GaAs a tripla giunzione per fotovoltaico spaziale raggiungono ora efficienze di conversione di potenza superiori al 30%.
Alta affidabilità
Forte resistenza alle radiazioni ed eccellente stabilità alle alte temperature rendono queste celle perfette per le esigenze fondamentali di missioni di lunga durata e alta qualità. Il vantaggio prestazionale è sufficiente a compensare il costo più elevato.
Tecnologia matura con una lunga esperienza in orbita
Nel 1965, il satellite Venera 3 dell'ex Unione Sovietica fu il primo a utilizzare celle in GaAs. Nel 1995, il primo satellite commerciale per comunicazioni MEASAT utilizzò GaAs a giunzione singola come unità di potenza principale, e il progetto del pannello solare costruì un database completo dimostrando che le celle in GaAs potevano soddisfare le esigenze energetiche dell'intero ciclo di vita di un veicolo spaziale. Da allora, le celle in GaAs hanno gradualmente sostituito le celle più vecchie come unità di base per la generazione di energia sui veicoli spaziali, evolvendo passo dopo passo da progetti a giunzione singola a progetti multi-giunzione.
Perché progettarla come struttura a tre giunzioni?
Qualsiasi materiale semiconduttore può assorbire efficientemente solo fotoni con energia maggiore del suo bandgap. I fotoni con energia troppo bassa non possono essere utilizzati, mentre quelli con energia troppo alta perdono l'eccesso sotto forma di calore (perdita per termalizzazione). Il bandgap di una cella a giunzione singola non può corrispondere perfettamente allo spettro solare. Prendiamo come esempio una cella di silicio a giunzione singola: può assorbire fotoni nell'intervallo 0,3-1,1 μm (300 nm-1100 nm), lavorando principalmente nella banda 0,38 μm-0,7 μm. Ecco perché le celle di silicio a giunzione singola hanno un'efficienza massima limitata, con un limite teorico di circa il 29,7%.
Una cella a tre giunzioni divide il lavoro tra tre subcelle, suddividendo lo spettro solare in tre segmenti in modo che ogni subcella operi nella banda più adatta. Questo riduce nettamente sia le perdite per termalizzazione che le perdite per disadattamento spettrale. In teoria, le celle multi-giunzione possono avvicinarsi al 50% di efficienza, molto più di quanto possa offrire una struttura a giunzione singola.
La struttura di una cella GaAs a tripla giunzione
La cella GaAs a tripla giunzione è divisa in tre parti: la cella superiore, la cella intermedia e la cella inferiore. Ogni parte utilizza diversi materiali principali (regione di base) e svolge un ruolo diverso.
Cella superiore
Solitamente AlGaInP / GaInP, con un bandgap intorno a 1,8-1,9 eV. Assorbe principalmente fotoni a lunghezza d'onda corta (ultravioletto, luce blu). La cella superiore assorbe fotoni ad alta energia e riduce le perdite per termalizzazione.
Cella intermedia
Solitamente InGaAs o GaAs, con un bandgap intorno a 1,42 eV. Assorbe principalmente fotoni a lunghezza d'onda media e lunga (luce verde, gialla, rossa). La cella intermedia gestisce le lunghezze d'onda medio-lunghe e contribuisce alla maggior parte della fotocorrente.
Cella inferiore
Solitamente Ge, con un bandgap intorno a 0,67 eV. Assorbe principalmente fotoni a lunghezza d'onda lunga (vicino infrarosso). La cella inferiore cattura la luce infrarossa altamente penetrante.
Ora esaminiamo cosa fa ogni strato.
① Strato di contatto
Situato direttamente sopra lo strato Cap più esterno, questo è lo strato semiconduttore che l'elettrodo metallico tocca direttamente. Di solito è fortemente drogato n⁺⁺-GaAs o n⁺⁺-GaInP. Il suo compito principale è abbassare la resistenza di contatto: il forte drogaggio aiuta a formare un buon contatto ohmico con l'elettrodo metallico e riduce le perdite elettriche. Protegge anche la regione attiva, isolando l'elettrodo metallico dalla delicata regione attiva sottostante (strato finestra, emettitore, ecc.) per prevenire danni durante il processo.
② Strato Cap
Situato sopra lo strato finestra e sotto il rivestimento antiriflesso, tra il film antiriflesso e lo strato di contatto. È comunemente GaAs, anche se alcuni progetti utilizzano ossidi conduttivi trasparenti (TCO) come ITO. Il suo ruolo principale è assistere la raccolta di corrente come 'elettrodo ausiliario', lavorando con lo strato di contatto per raccogliere e condurre lateralmente la corrente, particolarmente utile per progetti a griglia fine. Il suo spessore e indice di rifrazione possono anche essere regolati per partecipare al design ottico e fornire un effetto antiriflesso ausiliario.
③ Strato Finestra
Situato sopra l'emettitore, solitamente realizzato in AlInP, AlGaInP o AlGaAs. Il suo ruolo principale è ridurre la ricombinazione superficiale: la natura a banda larga del materiale significa che assorbe poca luce e forma una giunzione alto-basso che spinge i portatori fotogenerati (elettroni) verso l'interno dell'emettitore, riducendo le perdite per ricombinazione ai difetti superficiali. Funge anche da 'ombrello', proteggendo la regione di giunzione da danni durante processi successivi come l'evaporazione dell'elettrodo.
④ Emettitore
Situato sotto lo strato finestra e sopra la base, forma una giunzione PN con la base. Di solito è di tipo N GaInP o GaAs. Il suo ruolo principale è agire come 'elettrodo positivo', raccogliendo gli elettroni fotogenerati e conducendoli al circuito esterno. Bilancia anche l'assorbimento della luce con la raccolta, attraverso una regolazione attenta dello spessore e della concentrazione di drogaggio, in modo da essere abbastanza spesso da assorbire la luce a lunghezza d'onda corta ma non così spesso che i portatori si ricombinino durante la diffusione.
⑤ Base
Situato sotto l'emettitore e sopra lo strato BSF, questo è il corpo principale della giunzione PN. Di solito è di tipo p GaInP o AlGaInP. Come principale regione di assorbimento della luce, è il 'cavallo di battaglia' della cella superiore, assorbendo la maggior parte della luce a lunghezza d'onda corta (blu e ultravioletta), generando coppie elettrone-lacuna fotogenerate e trasportando efficientemente le lacune fotogenerate verso lo strato BSF posteriore o l'elettrodo.
⑥ Strato BSF (Campo Superficiale Posteriore)
Situato sotto la base e sopra la giunzione tunnel, formando una giunzione alto-basso con la base sul lato posteriore. Il materiale è solitamente un p-AlGaInP, AlGaAs a banda larga, e simili. Il suo ruolo principale è sopprimere la ricombinazione inversa dei portatori: lo strato BSF crea una "barriera" sul retro della base che impedisce ai fotoni generati di ricombinarsi mentre diffondono verso l'elettrodo posteriore, aumentando così tensione ed efficienza.
⑦ Riflettore
Situato tra la cella superiore e la cella intermedia, o tra la cella intermedia e la cella inferiore. È un riflettore di Bragg distribuito (DBR) cresciuto da materiali alternati ad alto e basso indice di rifrazione, come AlAs/AlGaAs o AlInP/AlGaInP. Il suo compito principale è riflettere la luce a media-lunga lunghezza d'onda che le celle superiore e intermedia non hanno assorbito e sta per fuoriuscire, consentendo un secondo passaggio di assorbimento che aumenta la corrente complessiva e l'efficienza.
⑧ Giunzione Tunnel
Situata tra le subcelle, realizzata con strati sottili fortemente drogati (come n++GaAs / p++GaAs). Come un "tunnel quantistico", consente ai portatori fotogenerati di passare efficientemente mantenendo ogni subcella elettricamente indipendente.
La struttura della cella intermedia è simile a quella della cella superiore, solo con materiali diversi, quindi non la ripeteremo qui. Di seguito descriviamo brevemente le differenze della cella inferiore.
⑨ Strato Tampone
Incastrato tra la cella inferiore e la cella intermedia, risolve il problema del disadattamento reticolare. Quando il materiale della cella inferiore (come InGaAs) non corrisponde alla costante reticolare del materiale superiore (come GaAs), lo strato tampone utilizza una struttura "graduata" o "reticolo metamorfico" per rilasciare gradualmente lo stress e "intercettare" le dislocazioni, tenendole fuori dalla regione attiva della cella inferiore, migliorando così le prestazioni della cella.
⑩ Base della Cella Inferiore
Situata sul lato "spesso" della giunzione PN della cella inferiore. Di solito è un substrato di Ge di tipo p. La sua funzione principale è assorbire la luce infrarossa a lunga lunghezza d'onda, fungendo da cavallo di battaglia per generare portatori fotogenerati nella cella inferiore.
Alcune Note
Nelle etichette di tipo P/N, N++/P++ e simili indicano drogaggio leggero o pesante. La struttura della cella solare a tripla giunzione GaAs illustrata in questo articolo omette la struttura degli elettrodi, la struttura dello strato antiriflesso e simili per semplicità.
Riferimenti:
Cella solare a tripla giunzione con riflettore e suo metodo di fabbricazione - 2022-0804
Cella solare a tripla giunzione InGaP/InGaAs/Ge con struttura antiriflesso micro-nano e relativo metodo di fabbricazione - 2018-0425
Metodo per una cella solare a tripla giunzione e cella solare a tripla giunzione - 2020-11-13
Il punto di vista di Ooitech
Ooitech ritiene: le celle GaAs a tripla giunzione, suddividendo lo spettro solare in tre sub-celle, offrono l'alta efficienza e l'affidabilità comprovata che le rendono la scelta leader per le missioni spaziali ad alto valore odierne.
