Cella solare GaAs a tripla giunzione — Struttura e vantaggi

Risposta rapida: Una cella solare GaAs a tripla giunzione impila tre giunzioni fotovoltaiche, ciascuna sintonizzata per assorbire una diversa banda dello spettro solare, su un substrato di arseniuro di gallio. Poiché ogni giunzione converte solo i fotoni con cui è abbinata, e la luce inutilizzata passa allo strato sottostante, l'impilamento converte una porzione molto maggiore dello spettro rispetto a una cella in silicio a singola giunzione. Ecco perché le celle GaAs a tripla giunzione superano il 30% di efficienza in condizioni di concentrazione, contro circa il 22%-24% del silicio mainstream. Il compromesso è il costo: l'epitassia GaAs su substrati di germanio o GaAs è di ordini di grandezza più costosa per watt rispetto al silicio, quindi la tecnologia è confinata al fotovoltaico a concentrazione e ai veicoli spaziali, dove la potenza per chilogrammo conta più del costo per watt. I pannelli spaziali le utilizzano perché la massa e l'area ripiegata sono i vincoli limitanti.

Produzione di moduli fotovoltaici · di Jerry, Ooitech

Introduzione

Con la continua crescita del volo spaziale commerciale, i veicoli spaziali richiedono sempre più energia elettrica. Il fotovoltaico spaziale funge da principale fonte di alimentazione 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.

Attualmente, ci sono tre principali direzioni tecnologiche: arseniuro di gallio (GaAs), eterogiunzione di tipo p (HJT) e celle tandem HJT/perovskite di tipo p. Guardando a dove sta andando la tecnologia e al suo potenziale a lungo termine, e analizzando i pro e i contro principali di ciascuna via, il GaAs emerge ancora come la scelta migliore. Nonostante le sfide sui costi, le sue prestazioni complessive senza pari, l'affidabilità comprovata in ambienti estremi e il chiaro e considerevole margine di riduzione dei costi rendono il GaAs la scelta migliore per missioni spaziali commerciali ad alto valore e alta affidabilità sia oggi che nei prossimi 3-5 anni.

I Vantaggi delle Celle GaAs a Tripla Giunzione

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 utilizzabile. Le ultime celle GaAs a tripla giunzione per il fotovoltaico spaziale raggiungono ora efficienze di conversione di potenza superiori al 30%.

Alta affidabilità

La forte resistenza alle radiazioni e l'eccellente stabilità alle alte temperature rendono queste celle perfette per le esigenze principali delle missioni ad alta tecnologia e lunga durata. 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 dell'array solare costruì un database completo dimostrando che le celle in GaAs potevano soddisfare le esigenze di potenza 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 potenza sui veicoli spaziali, evolvendo passo dopo passo da progetti a giunzione singola a 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 come 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 tetto di efficienza limitato, con un limite teorico di circa il 29,7%.

Una cella a tre giunzioni divide il lavoro tra tre sub-celle, tagliando lo spettro solare in tre segmenti in modo che ogni sub-cella operi nella banda più adatta. Questo riduce nettamente sia le perdite per termalizzazione che le perdite per disallineamento spettrale. In teoria, le celle multi-giunzione possono avvicinarsi al 50% di efficienza, molto più alto di quanto possa offrire una struttura a giunzione singola.

La struttura di una cella in GaAs a tripla giunzione

La cella in GaAs a tripla giunzione è divisa in tre parti: la cella superiore, la cella intermedia e la cella inferiore. Ogni parte utilizza materiali principali diversi (regione di base) e svolge un ruolo diverso.

Cella superiore

Di solito 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

Di solito 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

Di solito Ge, con un bandgap intorno a 0,67 eV. Assorbe principalmente fotoni a lunghezza d'onda lunga (infrarosso vicino). La cella inferiore cattura la luce infrarossa altamente penetrante.

Ora esaminiamo cosa fa ogni strato.

① Strato di contatto

Posizionato direttamente sopra lo strato Cap più esterno, questo è lo strato semiconduttore che l'elettrodo metallico tocca direttamente. Di solito è GaAs o GaInP fortemente drogato n⁺⁺. Il suo compito principale è ridurre 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 di griglie a linee sottili. 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, di solito 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 alta-bassa che spinge i portatori fotogenerati (elettroni) verso l'interno dell'emettitore, riducendo le perdite per ricombinazione nei difetti superficiali. Agisce anche come un "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 GaInP o GaAs di tipo N. 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 di spessore e concentrazione di drogaggio, è 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 GaInP o AlGaInP di tipo p. 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 allo strato BSF posteriore o all'elettrodo.

⑥ Strato BSF (Campo Superficiale Posteriore)

Situato sotto la base e sopra la giunzione tunnel, forma una giunzione alto-basso con la base sul lato posteriore. Il materiale è solitamente un p-AlGaInP o AlGaAs a banda larga. Il suo ruolo principale è sopprimere la ricombinazione dei portatori inversi: lo strato BSF crea una "barriera" sul retro della base che impedisce ai fori foto-generati di ricombinarsi mentre diffondono verso l'elettrodo posteriore, aumentando così tensione ed efficienza.

⑦ Riflettore

Situato tra la cella superiore e quella intermedia, o tra quella intermedia e quella inferiore. È un riflettore di Bragg distribuito (DBR) cresciuto alternando materiali ad alto e basso indice di rifrazione, come AlAs/AlGaAs o AlInP/AlGaInP. Il suo compito principale è riflettere la luce a lunghezza d'onda medio-lunga non assorbita dalle celle superiore e intermedia e in procinto di fuoriuscire, consentendo un secondo passaggio di assorbimento che aumenta la corrente complessiva e l'efficienza.

⑧ Giunzione Tunnel

Situata tra le sub-celle, realizzata con strati sottili fortemente drogati (come n++GaAs / p++GaAs). Come un "tunnel quantistico", consente ai portatori foto-generati di passare efficientemente mantenendo ogni sub-cella 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 Buffer

Interposto tra la cella inferiore e quella intermedia, risolve il problema del disallineamento reticolare. Quando il materiale della cella inferiore (come InGaAs) non corrisponde alla costante reticolare del materiale superiore (come GaAs), lo strato buffer utilizza una struttura "graduata" o "reticolo metamorfico" per rilasciare gradualmente lo stress e "intercettare" le dislocazioni a vite, 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 lunghezza d'onda lunga, fungendo da cavallo di battaglia per generare portatori foto-generati 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 in 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 tra tre sub-celle, offrono l'elevata efficienza e l'affidabilità comprovata che le rendono la scelta leader per le odierne missioni spaziali ad alto valore.