Введение

По мере роста коммерческих космических полетов космическим аппаратам требуется все больше электроэнергии. Космическая фотоэлектрика служит основным источником питания для большинства космических аппаратов, поэтому выбор технологии солнечных элементов напрямую влияет на успех миссии, ее экономическую эффективность и конкурентоспособность на рынке.

В настоящее время существуют три основных технологических направления: арсенид галлия (GaAs), p-тип гетеропереход (HJT) и p-тип HJT/перовскитные тандемные элементы. Учитывая направление развития технологий и их долгосрочный потенциал, а также анализируя ключевые преимущества и недостатки каждого пути, GaAs по-прежнему остается лидером. Несмотря на проблемы с затратами, его непревзойденная общая производительность, проверенная надежность в экстремальных условиях и значительный потенциал снижения стоимости делают GaAs лучшим выбором для высокоценных и высоконадежных коммерческих космических миссий как сегодня, так и в ближайшие 3-5 лет.

Преимущества тройных GaAs элементов

Высокая эффективность

Ширина запрещенной зоны GaAs (1,42 эВ) находится в теоретически оптимальном диапазоне. Кроме того, многопереходные элементы объединяют слои GaInP, GaAs и Ge, которые поглощают фотоны высокой, средней и низкой энергии соответственно, что значительно расширяет используемый спектр. Последние тройные GaAs элементы для космической фотоэлектрики достигают эффективности преобразования мощности более 30%.

Высокая надежность

Высокая радиационная стойкость и отличная высокотемпературная стабильность делают эти элементы идеальными для ключевых потребностей высококлассных долгосрочных миссий. Преимущество в производительности достаточно, чтобы компенсировать более высокую стоимость.

Зрелая технология с долгой историей эксплуатации на орбите

В 1965 году спутник «Венера-3» бывшего Советского Союза стал первым, в котором использовались элементы из GaAs. В 1995 году первый коммерческий спутник связи MEASAT использовал однопереходный GaAs в качестве основного источника энергии, а конструкция солнечных батарей создала полную базу данных, доказывающую, что элементы из GaAs могут удовлетворять потребности космического аппарата в энергии на протяжении всего жизненного цикла. С тех пор элементы из GaAs постепенно заменили более старые элементы в качестве основного источника энергии на космических аппаратах, эволюционируя 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 ее в виде тепла (тепловые потери). 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 (300-1100 нм), в основном работая в диапазоне 0,38-0,7 мкм. Поэтому однопереходные кремниевые элементы имеют ограниченный потолок эффективности, теоретический предел которого составляет около 29,7%.

Трехпереходный элемент разделяет работу между тремя подэлементами, разрезая солнечный спектр на три сегмента, так что каждый подэлемент работает в своем оптимальном диапазоне. Это резко снижает как тепловые потери, так и потери от несоответствия спектра. Теоретически многопереходные элементы могут достигать эффективности около 50%, что намного выше, чем может обеспечить однопереходная структура.

Структура трехпереходного элемента из GaAs

Трехпереходный элемент из GaAs разделен на три части: верхний элемент, средний элемент и нижний элемент. Каждая часть использует разные основные материалы (область базы) 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 (ультрафиолет, синий свет). Верхний элемент поглощает высокоэнергетические фотоны и уменьшает тепловые потери.

Средний элемент

Обычно InGaAs или GaAs с шириной запрещенной зоны около 1,42 эВ. Он в основном поглощает фотоны средних и длинных волн (зеленый, желтый, красный свет). Средний элемент обрабатывает средние и длинные волны и вносит наибольший 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, с которым непосредственно контактирует металлический электрод. Обычно он сильно легирован n⁺⁺-GaAs или n⁺⁺-GaInP. Его основная задача — снизить контактное сопротивление: сильное легирование помогает сформировать хороший омический контакт с металлическим электродом и уменьшить электрические потери. Он также защищает активную область, изолируя металлический электрод от чувствительной активной области ниже (оконный слой, эмиттер и т.д.), чтобы предотвратить повреждения при обработке.

② Слой Cap

Расположен над оконным слоем и под просветляющим покрытием, 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 по горизонтали — особенно полезно для конструкций с тонкими линиями сетки. Его толщина и показатель преломления также могут быть настроены для участия в оптическом дизайне и обеспечения дополнительного просветляющего эффекта.

③ Оконный слой

Расположен над эмиттером, обычно изготавливается из AlInP, AlGaInP или AlGaAs. Его основная роль — уменьшить поверхностную рекомбинацию: широкозонный материал слабо поглощает свет 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 толст, чтобы носители рекомбинировали во время диффузии.

⑤ База

Расположена под эмиттером и над слоем BSF, это основная часть PN-перехода. Обычно это p-тип GaInP или AlGaInP. Как основная область поглощения света, она является «рабочей лошадкой» верхнего элемента, поглощая большую часть коротковолнового света (синего и ультрафиолетового), генерируя фотогенерированные электронно-дырочные пары и эффективно транспортируя фотогенерированные дырки к заднему слою BSF или электроду.

⑥ Слой BSF (поле задней поверхности)

Расположен под базой и над туннельным переходом, образуя с базой на тыльной стороне высоко-низкий переход. Материал обычно представляет собой широкозонный p-AlGaInP, AlGaAs и т.п. Его основная роль — подавление рекомбинации обратных носителей: слой BSF создает «барьер» на тыльной стороне базы, который предотвращает рекомбинацию фотогенерированных дырок 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 не был поглощен верхним и средним элементами и готов покинуть структуру, обеспечивая второй проход поглощения, что повышает общий ток и эффективность.

⑧ Туннельный переход

Расположен между подэлементами, выполнен из сильнолегированных тонких слоев (например, n++GaAs / p++GaAs). Подобно «квантовому туннелю», он позволяет фотогенерированным носителям эффективно проходить, сохраняя электрическую независимость каждого подэлемента.

Структура среднего элемента аналогична структуре верхнего, только с другими материалами, поэтому не будем повторяться. Ниже кратко рассмотрим особенности нижнего элемента.

⑨ Буферный слой

Расположен между нижним и средним элементами, решает проблему несоответствия решеток. Когда материал нижнего элемента (например, InGaAs) не соответствует постоянной решетки верхнего материала (например, GaAs), буферный слой использует «градиентную» или «метаморфную» структуру 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

Расположена на «толстой» стороне PN-перехода нижнего элемента. Обычно это p-тип Ge подложка. Ее основная функция — поглощение длинноволнового инфракрасного света, являясь основным источником фотогенерированных носителей в нижнем элементе.

Несколько замечаний

В обозначениях P/N типа N++/P++ и подобные указывают на слабое и сильное легирование. Структура тройного GaAs элемента, проиллюстрированная в этой статье, для простоты опускает структуру электродов, структуру просветляющего слоя и т.п.

Ссылки:

• Тройной солнечный элемент с отражателем и способ его изготовления - 2022-0804

• Трехпереходный солнечный элемент InGaP/InGaAs/Ge с микро-нано антиотражающей структурой и способ его изготовления - 2018-0425

• Способ изготовления трехпереходного солнечного элемента и трехпереходный солнечный элемент - 2020-11-13

Мнение Ooitech

Ooitech считает: трехпереходные GaAs-элементы, разделяя солнечный спектр на три подэлемента, обеспечивают высокую эффективность и проверенную надежность, что делает их ведущим выбором для современных высокоценных космических энергетических миссий.