Трёхпереходный солнечный элемент GaAs — структура и преимущества
Содержание
Краткий ответ: Трёхпереходная солнечная батарея GaAs объединяет три фотоэлектрических перехода, каждый из которых настроен на поглощение определённой полосы солнечного спектра, на подложке из арсенида галлия. Поскольку каждый переход преобразует только те фотоны, которым он соответствует, а неиспользованный свет проходит к нижележащему слою, такая структура преобразует гораздо большую часть спектра, чем однопереходная кремниевая батарея. Именно поэтому трёхпереходные элементы GaAs превышают КПД 30% при концентрации, тогда как у массового кремния он составляет примерно 22–24%. Обратная сторона — стоимость: эпитаксия GaAs на германиевых или GaAs-подложках на порядки дороже за ватт, чем кремний, поэтому технология ограничена концентрированной фотовольтаикой и космическими аппаратами, где мощность на килограмм важнее стоимости за ватт. В космических солнечных батареях их используют потому, что масса и площадь в сложенном виде являются ограничивающими факторами.
Производство PV-модулей · от Джерри, Ooitech
Введение
По мере роста коммерческих космических полетов космическим аппаратам требуется все больше электроэнергии. Космическая фотовольтаика служит основным источником питания для большинства космических аппаратов, поэтому выбор технологии солнечных элементов напрямую определяет успех миссии, ее экономическую эффективность и конкурентоспособность на рынке.
Сейчас существуют три основных технологических направления: арсенид галлия (GaAs), p-тип гетеропереход (HJT) и тандемные элементы p-типа HJT/перовскит. Если смотреть на направление развития технологий и их долгосрочный потенциал, а также углубиться в ключевые плюсы и минусы каждого пути, GaAs по-прежнему выходит на первое место. Несмотря на проблемы с затратами, его непревзойденные комплексные характеристики, проверенная надежность в экстремальных условиях и явный, значительный потенциал снижения стоимости делают GaAs лучшим выбором для высокоценных коммерческих космических миссий с высокими требованиями к надежности как сегодня, так и в ближайшие 3-5 лет.
Преимущества тройных GaAs-элементов
Высокая эффективность
Ширина запрещенной зоны GaAs (1,42 эВ) находится как раз в теоретически оптимальном диапазоне. Кроме того, многопереходные элементы укладывают слои GaInP, GaAs и Ge, которые поглощают фотоны высокой, средней и низкой энергии соответственно, что значительно расширяет используемый спектр. Новейшие тройные GaAs-элементы для космической фотовольтаики теперь достигают эффективности преобразования мощности выше 30%.
Высокая надежность
Высокая радиационная стойкость и отличная стабильность при высоких температурах делают эти элементы идеальным решением для ключевых потребностей высококлассных долгосрочных миссий. Преимущество в производительности достаточно, чтобы компенсировать более высокую стоимость.
Зрелая технология с длительной историей эксплуатации на орбите
В 1965 году спутник «Венера-3» бывшего Советского Союза стал первым, кто использовал GaAs-элементы. В 1995 году первый коммерческий спутник связи MEASAT использовал однопереходные GaAs в качестве основного источника питания, и конструкция солнечной батареи создала полную базу данных, доказывающую, что GaAs-элементы могут обеспечить потребности космического аппарата в энергии на протяжении всего срока службы. С тех пор GaAs-элементы постепенно заменили более старые элементы в качестве основного генератора энергии на космических аппаратах, эволюционируя шаг за шагом от однопереходных к многопереходным конструкциям.
Почему выбрана трехпереходная структура?
Любой полупроводниковый материал может эффективно поглощать только фотоны с энергией, превышающей его ширину запрещенной зоны. Фотоны с недостаточной энергией не могут быть использованы, а фотоны с избыточной энергией теряют излишек в виде тепла (потери на термализацию). Ширина запрещенной зоны однопереходного элемента не может идеально соответствовать солнечному спектру. Возьмем, к примеру, однопереходный кремниевый элемент: он может поглощать фотоны в диапазоне 0,3-1,1 мкм (300 нм-1100 нм), в основном работая в диапазоне 0,38 мкм-0,7 мкм. Поэтому однопереходные кремниевые элементы имеют ограниченный потолок эффективности с теоретическим пределом около 29,7%.
Трехпереходный элемент разделяет работу между тремя подэлементами, разрезая солнечный спектр на три сегмента, чтобы каждый подэлемент работал в наиболее подходящем для него диапазоне. Это резко снижает как потери на термализацию, так и потери из-за несоответствия спектра. Теоретически многопереходные элементы могут достигать эффективности около 50%, что значительно выше, чем может обеспечить однопереходная структура.
Структура трехпереходного GaAs-элемента
Трехпереходный GaAs-элемент разделен на три части: верхний элемент, средний элемент и нижний элемент. Каждая часть использует разные основные материалы (базовую область) и выполняет разные функции.
Верхний элемент
Обычно AlGaInP / GaInP с шириной запрещенной зоны около 1,8-1,9 эВ. Он в основном поглощает коротковолновые фотоны (ультрафиолетовый, синий свет). Верхний элемент поглощает высокоэнергетические фотоны и снижает потери на термализацию.
Средний элемент
Обычно InGaAs или GaAs с шириной запрещенной зоны около 1,42 эВ. Он в основном поглощает фотоны средней и длинной длины волны (зеленый, желтый, красный свет). Средний элемент обрабатывает средние и длинные волны и вносит основной вклад в фототок.
Нижний элемент
Обычно Ge с шириной запрещенной зоны около 0,67 эВ. Он в основном поглощает длинноволновые фотоны (ближний инфракрасный диапазон). Нижний элемент захватывает сильно проникающий инфракрасный свет.
Теперь давайте рассмотрим, что делает каждый слой.
① Контактный слой
Расположенный прямо над самым внешним слоем Cap, это полупроводниковый слой, которого непосредственно касается металлический электрод. Обычно он сильно легирован n⁺⁺-GaAs или n⁺⁺-GaInP. Его основная задача — снизить контактное сопротивление: сильное легирование помогает ему образовывать хороший омический контакт с металлическим электродом и уменьшает электрические потери. Он также защищает активную область, изолируя металлический электрод от чувствительной активной области ниже (оконный слой, эмиттер и т. д.), чтобы предотвратить повреждение в процессе производства.
② Слой Cap
Расположен над оконным слоем и под просветляющим покрытием, находясь между просветляющей пленкой и контактным слоем. Обычно это GaAs, хотя в некоторых конструкциях используются прозрачные проводящие оксиды (TCO), такие как ITO. Его основная роль — помогать сбору тока в качестве «вспомогательного электрода», работая вместе с контактным слоем для сбора и вывода тока в боковом направлении — особенно полезно для конструкций с тонкими линиями сетки. Его толщина и показатель преломления также могут быть настроены для участия в оптическом проектировании и обеспечения дополнительного просветляющего эффекта.
③ Оконный слой
Расположен над эмиттером, обычно изготавливается из AlInP, AlGaInP или AlGaAs. Его основная роль — уменьшить поверхностную рекомбинацию: из-за широкой запрещенной зоны материала он мало поглощает света и образует высоко-низкий переход, который выталкивает фотогенерированные носители (электроны) внутрь эмиттера, снижая потери на рекомбинацию на поверхностных дефектах. Он также действует как «зонтик», защищая область перехода от повреждений во время последующих процессов, таких как напыление электродов.
④ Эмиттер
Расположен под оконным слоем и над базой, образуя PN-переход с базой. Обычно это N-тип GaInP или GaAs. Его основная роль — действовать как «положительный электрод», собирая фотогенерированные электроны и проводя их во внешнюю цепь. Он также балансирует поглощение света и сбор — путем тщательной настройки толщины и концентрации легирования он достаточно толст, чтобы поглощать коротковолновый свет, но не настолько, чтобы носители рекомбинировали во время диффузии.
⑤ База
Расположен под эмиттером и над слоем BSF, это основная часть PN-перехода. Обычно это p-тип GaInP или AlGaInP. Как основная область поглощения света, это «рабочая лошадка» верхнего элемента, поглощающая большую часть коротковолнового света (синий и ультрафиолетовый), генерирующая фотогенерированные электронно-дырочные пары и эффективно транспортирующая фотогенерированные дырки к заднему слою BSF или электроду.
⑥ Слой BSF (заднее поле)
Расположен ниже базы и выше туннельного перехода, образуя высоко-низкий переход с базой на тыльной стороне. Материал обычно представляет собой широкозонный p-AlGaInP, AlGaAs и тому подобное. Его основная роль — подавление рекомбинации обратных носителей: слой BSF создает «барьер» на тыльной стороне базы, который останавливает фотогенерированные дырки от рекомбинации при их диффузии к тыльному электроду, тем самым повышая напряжение и эффективность.
⑦ Отражатель
Расположен между верхним и средним элементами, или между средним и нижним элементами. Это распределенный брэгговский отражатель (DBR), выращенный из чередующихся материалов с высоким и низким показателем преломления, таких как AlAs/AlGaAs или AlInP/AlGaInP. Его основная задача — отражать обратно средне- и длинноволновый свет, который верхний и средний элементы не поглотили и который собирается выйти, обеспечивая второе прохождение для поглощения, что повышает общий ток и эффективность.
⑧ Туннельный переход
Расположен между подэлементами, изготовлен из сильно легированных тонких слоев (например, n++GaAs / p++GaAs). Подобно «квантовому туннелю», он позволяет фотогенерированным носителям эффективно проходить, сохраняя при этом электрическую независимость каждого подэлемента.
Структура среднего элемента аналогична структуре верхнего, только с другими материалами, поэтому мы не будем повторять это здесь. Ниже кратко рассмотрим отличия нижнего элемента.
⑨ Буферный слой
Расположен между нижним и средним элементами, решает проблему несоответствия параметров решетки. Когда материал нижнего элемента (например, InGaAs) не соответствует постоянной решетки верхнего материала (например, GaAs), буферный слой использует структуру с «градиентом» или «метаморфной решеткой» для постепенного снятия напряжения и «перехвата» проникающих дислокаций, не допуская их в активную область нижнего элемента, тем самым улучшая характеристики элемента.
⑩ База нижнего элемента
Расположен на «толстой» стороне PN-перехода нижнего элемента. Обычно это p-тип германиевой подложки. Его основная функция — поглощение длинноволнового инфракрасного света, служа основным источником фотогенерированных носителей в нижнем элементе.
Несколько замечаний
В обозначениях типа P/N, N++/P++ и подобные обозначения указывают на слабое и сильное легирование. Структура тройного GaAs элемента, проиллюстрированная в этой статье, для простоты опускает структуру электродов, структуру просветляющего слоя и подобные детали.
Ссылки:
Тройной солнечный элемент с отражателем и способ его изготовления - 2022-0804
Тройной солнечный элемент InGaP/InGaAs/Ge с микро-нано антиотражающей структурой и способ его изготовления - 2018-0425
Способ изготовления тройного солнечного элемента и тройной солнечный элемент - 2020-11-13
Мнение Ooitech
Ooitech считает: тройные GaAs-элементы, разделяя солнечный спектр между тремя подэлементами, обеспечивают высокую эффективность и проверенную надежность, что делает их ведущим выбором для современных космических энергетических миссий.
