Kilde: energy.gov
BAGGRUND
Højeffektiv multijunktionsenheder bruger flere båndhuller eller forbindelsesdele, der er indstillet til at absorbere et specifikt område af solspektret for at skabe solceller med rekordeffektivitet over 45%. Den maksimale teoretiske effektivitet, som en enkeltbåndspændt solcelle kan opnå med ikke-koncentreret sollys, er omkring 33,5%, primært på grund af den brede distribution af solenergi-udsendte fotoner. Denne begrænsningseffektivitet, kendt som Shockley-Queisser-grænsen, stammer fra det faktum, at den åbne kredsløbsspænding (Voc) af en solcelle er begrænset af båndafstanden i det absorberende materiale, og at fotoner med energier under båndafstanden ikke absorberes. Fotoner, der har energier, der er større end båndhullet, absorberes, men energien, der er større end båndhullet, går tabt som varme.
Multijunction enheder bruger en højbåndscelle-topcelle til at absorbere højenergi-fotoner, mens de tillader lavere-energifotoner at passere. Et materiale med en lidt lavere båndafsætning placeres derefter under højbåndets overgangsforbindelse for at absorbere fotoner med lidt mindre energi (længere bølgelængder). Typiske multijunktionsceller bruger to eller flere absorberende knudepunkter, og den teoretiske maksimale effektivitet øges med antallet af kryds. Tidlig forskning i multijunktionsapparater udnyttede egenskaberne ved halvledere bestående af elementer i III- og V-søjlerne i det periodiske system, såsom gallium indiumphosphat (GaInP), gallium indium arsenid (GaInAs) og gallium arsenid (GaAs). Tre-forbindelsesenheder, der bruger III-V-halvledere, har nået en effektivitet på over 45% ved anvendelse af koncentreret sollys. Denne arkitektur kan også overføres til andre solcelleteknologier, og multijunktionsceller fremstillet af CIGS, CdSe, silicium, organiske molekyler og andre materialer undersøges.
Tidligere er multijunction-enheder primært blevet brugt i rummet, hvor der er en præmie, der er placeret på let kraftproduktion, hvilket giver mulighed for anvendelse af denne relativt høje omkostningssolteknologi. Ved jordbaseret anvendelse kan de høje omkostninger ved disse halvleder-underlag (sammenlignet med for eksempel silicium) modregnes ved at bruge koncentrerende optik, idet nuværende systemer primært bruger Fresnel-linser. Den koncentrerende optik øger mængden af lys, der indtræder på solcellen, hvilket fører til mere strømproduktion. Brug af koncentrerende optik kræver anvendelse af solakspor med dobbelt akse, som skal indregnes i systemets omkostninger.
FORSKNINGSVEJLEDNINGER
Selvom multijunction III-V-celler har højere effektivitet end konkurrerende teknologier, er sådanne solceller betydeligt dyrere på grund af nuværende fremstillingsteknikker og -materialer. Derfor er aktiv forskningsindsats rettet mod at sænke omkostningerne ved elektricitet, der genereres af disse solceller, gennem fremgangsmåder såsom udvikling af nye underlagsmaterialer, absorberende materialer og fremstillingsteknikker; øget effektivitet og udvide multijunction-konceptet til andre PV-teknologier. På grund af omkostningerne ved sådanne solceller er udviklingen af pålidelige lave omkostningsløsninger til sporing og koncentration også aktive forskningsområder til støtte for omkostningsreduktioner for PV-systemer, der bruger multijunktionsceller.
Lær mere om priserne nedenfor og projekterne, der involverer III-V-celler med høj effektivitet.
Ohio State University: Columbus Campus (Photovoltaics Research and Development)
Arizona State University (Photovoltaics forskning og udvikling)
University of Oregon (Photovoltaics Research and Development: Small Innovative Projects in Solar)
South Dakota School of Mines and Technology (Photovoltaics Research and Development: Small Innovative Projects in Solar)
Arizona State University (Photovoltaics Research and Development: Small Innovative Projects in Solar)
nLiten Energy (Photovoltaics Research and Development: Small Innovative Projects in Solar)
University of California, Berkeley (Next Generation Photovoltaics II-projekter)
California Institute of Technology (Next Generation Photovoltaics II-projekter)
North Carolina State University (grundlæggende program til fremme af celleffektivitet)
National Renewable Energy Laboratory (grundlæggende program til fremme af celleffektivitet)
Ohio State University (grundlæggende program til fremme af celleffektivitet)
University of Houston (Next Generation Photovoltaics 3 Projekter)
Nationalt laboratorium for vedvarende energi (næste generation Photovoltaics 3 projekter)
FORDELE
Fordelene ved multijunction III-V solceller inkluderer:
Spektrum matching: celler med høj effektivitet (> 45%) kan fremstilles ved at matche sektioner af solspektret med specifikke absorberende lag med specifikke båndhuller.
Krystallstruktur: De forskellige kombinationer af III-V halvledere har lignende krystalstrukturer og ideelle egenskaber til solceller, inklusive lange exciton-diffusionslængder, bærermobilitet og kompatible absorptionsspektre.
PRODUKTION
Traditionelle III-V-celler med flere funktioner samles i en epitaksial monolitisk stak med underceller forbundet i serie gennem tunnelforbindelser. Konstruktion af en multifunktionscelle i en monolitisk stabel resulterer i materialebegrænsninger, og fremstilling af sådanne indretninger gøres lettere, hvis de individuelle lag af undercellerne har kompatible atomiske gitterpositioner og er gittermatchede. Denne fordel ved gittermatchning er grunden til, at Ge, som er gitter, der er tilpasset nogle III-V-legeringer, traditionelt bruges som underlag og smal båndcap i MJ'er. Begrænsninger for samsvarende gitter kan overvindes med yderligere kompleksitet ved anvendelse af wafer-binding eller metamorfe pufferlag.
Tunnelforbindelseslaget er konstrueret af grænsefladen mellem stærkt dopede p ++ og n ++ lag. Interaktionen mellem disse lag resulterer i et rumligt smalt rumladningsregion, som tillader strøm at strømme mellem subcellerne. Højbåndlag, kendt som vindueslag og felter på bagoverfladen, kan tilføjes for at passivere overfladetilstander ved grænsefladen mellem en subcell og tunnelforbindelsen, som, hvis de ikke er passiverede, kan fange bærere og fremskynde rekombination.
Hvis delcellerne er forbundet i serie, begrænser den subcell, der leder den mindste strøm, den maksimale strøm, der kan strømme gennem enheden. Derfor anbringes der en betydelig indsats på at indstille strømmen på subcellerne. Selvlysende kobling mellem subceller kan slappe af nogle af de nuværende matchende designkrav.
Multijunction III-V solceller kan fremstilles ved anvendelse af molekylstråleepitaksiteknikker (MBE) -teknikker, men fabrikation i store metalorganiske kemiske dampaflejringsreaktorer (MOCVD) reaktorer er typisk for kommerciel skala produktion af GaInP / GaInAs / Ge enheder. Lag kan dyrkes fra trimethylgallium (Ga (CH3) 3), trimethylindium (InC3H9), arsin (AsH3) og phosphin (PH3) i en hydrogendragergas og under anvendelse af dopemidler såsom hydrogenselenid (H2Se), silan (SiH6), og diethylzink ((C2H5) 2Zn). Brug af koncentrerende optik gør det muligt for individuelle celler at være ganske små - til tider lige så små som størrelsen på spidsen af en blyant. Derfor tillader disse teknikker hundreder af solceller at blive dyrket i enkelt batches. Der undersøges for yderligere at reducere størrelsen på celler og øge antallet af celler, der kan dyrkes fra en enkelt skive, hvilket vil hjælpe med at reducere omkostningerne pr. Celle.