Zdroj: energy.gov
POZADÍ
Vysoce účinná multifunkční zařízení používají více pásmových spojů nebo křižovatek, které jsou vyladěny tak, aby absorbovaly určitou oblast solárního spektra a vytvářely solární články s účinností záznamu přes 45%. Maximální teoretická účinnost, kterou může solární článek s jedním pásmem dosáhnout u nekoncentrovaného slunečního světla, je asi 33,5%, především kvůli široké distribuci fotonů emitovaných sluneční energií. Toto omezení účinnosti, známé jako Shockley-Queisserův limit, vyplývá ze skutečnosti, že napětí otevřeného obvodu (Voc) solárního článku je omezeno šířkou pásma absorpčního materiálu a že fotony s energií pod šířkou pásma nejsou absorbovány. Fotony, které mají energii větší než bandgap, jsou absorbovány, ale energie větší než bandgap je ztracena jako teplo.
Multifunkční zařízení využívají špičkovou buňku s vysokým bandgapem k absorpci vysokoenergetických fotonů a zároveň umožňují průchod nízkoenergetických fotonů. Materiál s mírně nižším bandgapem je potom umístěn pod křižovatku s vysokým bandgapem, aby absorboval fotony s mírně menší energií (delší vlnové délky). Typické vícejunkční buňky používají dva nebo více absorbujících křižovatek a teoretická maximální účinnost se zvyšuje s počtem křižovatek. Včasný výzkum multifunkčních zařízení využil vlastnosti polovodičů složených z prvků ve sloupcích III a V periodické tabulky, jako je fosforečnan india (GaInP), arsenid galium (GaInAs) a arsenid gallia (GaAs). Tříkonjunkční zařízení využívající polovodiče III-V dosáhla účinnosti koncentrovaného slunečního světla více než 45%. Tuto architekturu lze také přenést na jiné technologie solárních článků a zkoumají se multijunkční články vyrobené z CIGS, CdSe, křemíku, organických molekul a dalších materiálů.
V minulosti byla víceúčelová zařízení primárně používána v kosmickém prostoru, kde je kladen důraz na výrobu elektrické energie s nízkou hmotností, což umožňuje použití této relativně vysoké solární technologie. Pro pozemské aplikace mohou být vysoké náklady na tyto polovodičové substráty (například ve srovnání s křemíkem) vyrovnány použitím koncentrující optiky, přičemž současné systémy primárně používají Fresnelovy čočky. Soustředná optika zvyšuje množství světla dopadajícího na sluneční článek, což vede k větší produkci energie. Použití koncentrované optiky vyžaduje použití dvouosého sledování slunce, které musí být zohledněno v nákladech na systém.
POKYNY PRO VÝZKUM
Ačkoli multifunkční články III-V mají vyšší účinnost než konkurenční technologie, takové solární články jsou kvůli současným výrobním technikám a materiálům podstatně nákladnější. Proto je aktivní výzkumné úsilí zaměřeno na snižování nákladů na elektřinu generovanou těmito solárními články prostřednictvím přístupů, jako je vývoj nových substrátových materiálů, absorpčních materiálů a výrobních technik; zvýšení účinnosti; a rozšíření konceptu multijunk na další FV technologie. Navíc z důvodu nákladů na takové solární články je vývoj spolehlivých nízkonákladových řešení pro sledování a koncentraci také aktivními oblastmi výzkumu na podporu snižování nákladů pro fotovoltaické systémy využívající multijunkční články.
Níže se dozvíte více o oceněných a projektech zahrnujících vysoce účinné buňky III-V.
Státní univerzita v Ohiu: Columbus Campus (výzkum a vývoj v oblasti fotovoltaiky)
Arizonská státní univerzita (fotovoltaika, výzkum a vývoj)
University of Oregon (Fotovoltaický výzkum a vývoj: Malé inovativní projekty v solární energii)
Střední škola dolů a technologie v Jižní Dakotě (Výzkum a vývoj v oblasti fotovoltaiky: malé inovativní projekty v oblasti solární energie)
Arizonská státní univerzita (Fotovoltaika, výzkum a vývoj: Malé inovativní projekty v oblasti solární energie)
nLiten Energy (Výzkum a vývoj v oblasti fotovoltaiky: malé inovativní projekty v oblasti solární energie)
University of California, Berkeley (Projekty nové generace fotovoltaiky II)
Kalifornský technologický institut (projekty nové generace fotovoltaiky II)
Státní univerzita v Severní Karolíně (zakladatelský program pro zvýšení efektivity buněk)
Národní laboratoř pro obnovitelné zdroje energie (Základní program pro zvýšení účinnosti buněk)
Ohio State University (zakladatelský program pro zvýšení efektivity buněk)
University of Houston (Projekty nové generace 3 fotovoltaiky)
Národní laboratoř pro obnovitelné zdroje energie (projekty nové generace 3 fotovoltaiky)
VÝHODY
Výhody multifunkčních solárních článků III-V zahrnují:
Přizpůsobení spektra: Vysoce účinné články (> 45%) mohou být vyrobeny spojením úseků slunečního spektra se specifickými absorbčními vrstvami majícími specifické bandgapy.
Krystalová struktura: Různé kombinace polovodičů III-V mají podobné krystalové struktury a ideální vlastnosti pro solární články, včetně dlouhých difúzních délek excitace, mobility nosiče a kompatibilních absorpčních spekter.
VÝROBA
Tradiční vícejunkční buňky III-V jsou spojeny do epitaxního monolitického zásobníku se subbunkami zapojenými do série prostřednictvím spojení tunelů. Konstrukce multijunkční buňky v monolitickém svazku má za následek materiální omezení a výroba takových zařízení je usnadněna, pokud mají jednotlivé vrstvy dílčích buněk kompatibilní polohy atomových mřížek a jsou sladěny s mřížkou. Tato výhoda sladění mříže je důvodem, proč se Ge, který je mřížkou přizpůsobený některým slitinám III-V, tradičně používá jako substrát a úzká bandgapová buňka v MJ. Omezení shody mřížky lze překonat s další složitostí pomocí vrstev lepení nebo metamorfních vyrovnávacích vrstev.
Vrstva spojení tunelů je vytvořena pomocí rozhraní vysoce dopovaných vrstev p ++ a n ++. Interakce těchto vrstev má za následek prostorově úzkou oblast s prostorovým nábojem, která umožňuje proudění proudu mezi dílčími buňkami. K pasivaci povrchových stavů na rozhraní mezi subbunkou a tunelovým spojem, které, pokud nejsou ponechány, mohou být zachyceny nosiče a urychleny rekombinace, mohou být přidány vrstvy s velkou šířkou pásma, známé jako okenní vrstvy a pole zadní plochy.
Pokud jsou dílčí buňky zapojeny do série, dílčí buňka, která vede nejmenší proud, omezuje maximální proud, který může protékat zařízením. Proto je značné úsilí věnováno naladění proudu dílčích buněk. Luminiscenční vazba mezi dílčími buňkami může uvolnit některé z aktuálních požadavků na design.
Multifunkční solární články III-V mohou být vyrobeny technikami epitaxe s molekulárním paprskem (MBE), ale výroba ve velkých reaktorech s chemickým nanášením kovů a organických par (MOCVD) je typická pro komerční výrobu zařízení GaInP / GaInAs / Ge v komerčním měřítku. Vrstvy mohou být pěstovány z trimethylgallia (Ga (CH3) 3), trimethylindia (InC3H9), arsinu (AsH3) a fosfinu (PH3) v plynném vodíkovém nosiči a za použití dopantů, jako je selenid vodíku (H2Se), silan (SiH6), a diethylzinek ((C2H5) 2Zn). Použití koncentrující optiky umožňuje, aby jednotlivé buňky byly docela malé - občas tak malé, jako je velikost špičky tužky. Tyto techniky proto umožňují pěstovat stovky solárních článků v jedné dávce. Probíhá výzkum s cílem dále zmenšit velikost buněk a zvýšit počet buněk, které lze pěstovat z jednoho oplatky, což pomůže snížit náklady na buňku.
