Sel Suria GaAs Tiga-Persimpangan: Pandangan Terperinci pada Struktur Fotovoltaik Angkasa Arus Perdana
Jadual Kandungan
Pengenalan
Apabila penerbangan angkasa komersial terus berkembang, kapal angkasa memerlukan lebih banyak kuasa elektrik. Fotovoltaik angkasa berfungsi sebagai sumber kuasa utama bagi kebanyakan kapal angkasa, jadi pilihan teknologi sel solar secara langsung mempengaruhi kejayaan misi, keberkesanan kos, dan daya saing di pasaran.
Pada masa ini, terdapat tiga arah teknologi utama: galium arsenida (GaAs), heterojunction jenis-p (HJT), dan sel tandem HJT/perovskite jenis-p. Melihat kepada hala tuju teknologi dan potensi jangka panjangnya, serta meneliti kebaikan dan keburukan utama setiap laluan, GaAs masih menjadi pilihan utama. Walaupun menghadapi cabaran kos, prestasi menyeluruh yang tiada tandingan, kebolehpercayaan terbukti dalam persekitaran ekstrem, dan ruang pengurangan kos yang jelas dan besar menjadikan GaAs pilihan terbaik untuk misi angkasa komersial bernilai tinggi dan berkebolehpercayaan tinggi pada masa kini dan dalam tempoh 3-5 tahun akan datang.
Kelebihan Sel GaAs Tiga-Persimpangan
Kecekapan tinggi
Jurang jalur GaAs (1.42 eV) berada dalam julat optimum secara teori. Selain itu, sel berbilang persimpangan menyusun lapisan GaInP, GaAs, dan Ge yang masing-masing menyerap foton bertenaga tinggi, sederhana, dan rendah, yang sangat meluaskan spektrum yang boleh digunakan. Sel GaAs tiga-persimpangan terkini untuk fotovoltaik angkasa kini mencapai kecekapan penukaran kuasa melebihi 30%.
Kebolehpercayaan tinggi
Ketahanan radiasi yang kuat dan kestabilan suhu tinggi yang sangat baik menjadikan sel ini sesuai untuk keperluan teras misi jangka hayat tinggi dan bernilai tinggi. Kelebihan prestasi cukup untuk mengimbangi kos yang lebih tinggi.
Teknologi matang dengan rekod prestasi panjang di orbit
Pada tahun 1965, satelit Venera 3 dari bekas Kesatuan Soviet menjadi yang pertama menggunakan sel GaAs. Pada tahun 1995, satelit komunikasi komersial pertama MEASAT menggunakan GaAs simpang tunggal sebagai unit kuasa utama, dan reka bentuk tatasusunan suria membina pangkalan data lengkap yang membuktikan bahawa sel GaAs dapat memenuhi keperluan kuasa kitaran hayat penuh kapal angkasa. Sejak itu, sel GaAs secara beransur-ansur menggantikan sel yang lebih lama sebagai unit penjana kuasa asas pada kapal angkasa, berkembang langkah demi langkah daripada reka bentuk simpang tunggal kepada berbilang simpang.
Mengapa Direka sebagai Struktur Tiga Simpang?
Mana-mana bahan semikonduktor hanya dapat menyerap foton dengan tenaga lebih besar daripada jurang jalurnya dengan cekap. Foton dengan tenaga terlalu rendah tidak dapat digunakan, manakala foton dengan tenaga terlalu tinggi kehilangan lebihan sebagai haba (kehilangan termalisasi). Jurang jalur sel simpang tunggal tidak dapat sepadan dengan sempurna spektrum suria. Ambil contoh sel silikon simpang tunggal: ia dapat menyerap foton dalam julat 0.3-1.1 μm (300 nm-1100 nm), terutamanya berfungsi dalam jalur 0.38 μm-0.7 μm. Itulah sebabnya sel silikon simpang tunggal mempunyai siling kecekapan yang terhad, dengan had teori sekitar 29.7%.
Sel tiga simpang membahagikan kerja merentasi tiga sub-sel, memotong spektrum suria kepada tiga segmen supaya setiap sub-sel beroperasi dalam jalur yang paling sesuai. Ini mengurangkan secara mendadak kedua-dua kehilangan termalisasi dan kehilangan ketidakpadanan spektrum. Secara teori, sel berbilang simpang boleh mencapai kecekapan hampir 50%, jauh lebih tinggi daripada yang boleh diberikan oleh struktur simpang tunggal.
Struktur Sel GaAs Tiga Simpang
Sel GaAs tiga simpang dibahagikan kepada tiga bahagian: sel atas, sel tengah, dan sel bawah. Setiap bahagian menggunakan bahan utama (rantau asas) yang berbeza dan memainkan peranan yang berbeza.
Sel atas
Biasanya AlGaInP / GaInP, dengan jurang jalur sekitar 1.8-1.9 eV. Ia terutamanya menyerap foton panjang gelombang pendek (ultraviolet, cahaya biru). Sel atas menyerap foton tenaga tinggi dan mengurangkan kehilangan termalisasi.
Sel tengah
Biasanya InGaAs atau GaAs, dengan jurang jalur sekitar 1.42 eV. Ia terutamanya menyerap foton panjang gelombang sederhana dan panjang (cahaya hijau, kuning, merah). Sel tengah mengendalikan panjang gelombang sederhana hingga panjang dan menyumbang sebahagian besar fotourus.
Sel bawah
Biasanya Ge, dengan jurang jalur sekitar 0.67 eV. Ia terutamanya menyerap foton panjang gelombang panjang (inframerah dekat). Sel bawah menangkap cahaya inframerah yang sangat menembusi.
Sekarang mari kita lihat apa yang dilakukan oleh setiap lapisan.
① Lapisan Sentuhan
Terletak betul-betul di atas lapisan Cap paling luar, ini adalah lapisan semikonduktor yang disentuh terus oleh elektrod logam. Ia biasanya didopkan berat n⁺⁺-GaAs atau n⁺⁺-GaInP. Tugas utamanya adalah untuk menurunkan rintangan sentuhan—dopan berat membantu ia membentuk sentuhan ohmik yang baik dengan elektrod logam dan mengurangkan kehilangan elektrik. Ia juga melindungi kawasan aktif, mengasingkan elektrod logam daripada kawasan aktif halus di bawahnya (lapisan tingkap, pemancar, dll.) untuk mengelakkan kerosakan proses.
② Lapisan Cap
Terletak di atas lapisan tingkap dan di bawah salutan anti-pantulan, berada di antara filem anti-pantulan dan lapisan sentuhan. Ia biasanya GaAs, walaupun sesetengah reka bentuk menggunakan oksida konduktif telus (TCO) seperti ITO. Peranan utamanya adalah untuk membantu pengumpulan arus sebagai "elektrod bantu," bekerjasama dengan lapisan sentuhan untuk mengumpul dan menyalurkan arus secara lateral—terutamanya berguna untuk reka bentuk grid garisan halus. Ketebalan dan indeks biasannya juga boleh dilaras untuk mengambil bahagian dalam reka bentuk optik dan memberikan kesan anti-pantulan bantu.
③ Lapisan Tingkap
Terletak di atas pemancar, biasanya diperbuat daripada AlInP, AlGaInP, atau AlGaAs. Peranan utamanya adalah untuk mengurangkan penggabungan semula permukaan: sifat bahan jalur lebar bermakna ia menyerap sedikit cahaya, dan ia membentuk simpang tinggi-rendah yang menolak pembawa foto-terhasil (elektron) ke arah dalam pemancar, mengurangkan kehilangan penggabungan semula pada kecacatan permukaan. Ia juga bertindak sebagai "payung," melindungi kawasan simpang daripada kerosakan semasa proses kemudian seperti penyejatan elektrod.
④ Pemancar
Terletak di bawah lapisan tingkap dan di atas tapak, membentuk simpang PN dengan tapak. Ia biasanya jenis-N GaInP atau GaAs. Peranan utamanya adalah sebagai "elektrod positif," mengumpul elektron foto-terhasil dan mengalirkannya ke litar luaran. Ia juga mengimbangi penyerapan cahaya dengan pengumpulan—melalui pelarasan teliti ketebalan dan kepekatan dopan, ia cukup tebal untuk menyerap cahaya panjang gelombang pendek tetapi tidak terlalu tebal sehingga pembawa bergabung semula semasa resapan.
⑤ Tapak
Terletak di bawah pemancar dan di atas lapisan BSF, ini adalah badan utama simpang PN. Ia biasanya jenis-p GaInP atau AlGaInP. Sebagai kawasan penyerap cahaya utama, ia adalah "pekerja keras" sel atas, menyerap kebanyakan cahaya panjang gelombang pendek (biru dan ultraungu), menjana pasangan elektron-lubang foto-terhasil, dan mengangkut lubang foto-terhasil dengan cekap ke lapisan BSF belakang atau elektrod.
⑥ Lapisan BSF (Medan Permukaan Belakang)
Terletak di bawah tapak dan di atas simpang terowong, membentuk simpang tinggi-rendah dengan tapak di bahagian belakang. Bahannya biasanya p-AlGaInP, AlGaAs jalur lebar, dan seumpamanya. Peranan utamanya adalah untuk menyekat penggabungan semula pembawa terbalik: lapisan BSF mencipta "penghalang" di belakang tapak yang menghalang lubang foto-terjana daripada bergabung semula semasa ia meresap ke arah elektrod belakang, dengan itu meningkatkan voltan dan kecekapan.
⑦ Pemantul
Terletak di antara sel atas dan sel tengah, atau di antara sel tengah dan sel bawah. Ia adalah Pemantul Bragg Teragih (DBR) yang ditumbuhkan daripada bahan indeks biasan tinggi dan rendah berselang-seli, seperti AlAs/AlGaAs atau AlInP/AlGaInP. Tugas utamanya adalah untuk memantulkan semula cahaya panjang gelombang sederhana hingga panjang yang belum diserap oleh sel atas dan tengah dan akan terlepas, membolehkan laluan penyerapan kedua yang meningkatkan arus dan kecekapan keseluruhan.
⑧ Simpang Terowong
Terletak di antara sub-sel, diperbuat daripada lapisan nipis yang didop berat (seperti n++GaAs / p++GaAs). Seperti "terowong kuantum," ia membenarkan pembawa foto-terjana melaluinya dengan cekap sambil mengekalkan setiap sub-sel bebas secara elektrik.
Struktur sel tengah adalah serupa dengan sel atas, cuma bahannya berbeza, jadi kami tidak akan mengulanginya di sini. Di bawah ini kami terangkan secara ringkas apa yang berbeza tentang sel bawah.
⑨ Lapisan Penampan
Terletak di antara sel bawah dan sel tengah, ia menyelesaikan masalah ketidakpadanan kekisi. Apabila bahan sel bawah (seperti InGaAs) tidak sepadan dengan pemalar kekisi bahan atas (seperti GaAs), lapisan penampan menggunakan struktur "berperingkat" atau "kisi metamorfik" untuk melepaskan tekanan secara beransur-ansur dan "memintas" kehelan menembusi, menjauhkannya dari kawasan aktif sel bawah dan dengan itu meningkatkan prestasi sel.
⑩ Tapak Sel Bawah
Terletak di sisi "tebal" simpang PN sel bawah. Ia biasanya substrat Ge jenis-p. Fungsi utamanya adalah untuk menyerap cahaya inframerah panjang gelombang panjang, berfungsi sebagai tulang belakang untuk menjana pembawa foto dalam sel bawah.
Beberapa Nota
Dalam label jenis P/N, N++/P++ dan tanda serupa menunjukkan pendopan ringan berbanding berat. Struktur sel GaAs tiga simpang yang digambarkan dalam artikel ini mengabaikan struktur elektrod, struktur lapisan anti-pantulan, dan butiran serupa untuk kesederhanaan.
Rujukan:
Sel suria tiga simpang dengan pemantul dan kaedah fabrikasinya - 2022-0804
Sel suria tiga simpang InGaP/InGaAs/Ge dengan struktur anti-pantulan mikro-nano dan kaedah fabrikasinya - 2018-0425
Kaedah untuk sel suria tiga simpang dan sel suria tiga simpang - 2020-11-13
Pandangan Ooitech
Ooitech percaya: sel GaAs tiga simpang, dengan membelah spektrum suria merentasi tiga sub-sel, memberikan kecekapan tinggi dan kebolehpercayaan terbukti yang menjadikannya pilihan utama untuk misi kuasa angkasa bernilai tinggi hari ini.
