Multijunctie III-V fotovoltaïsch onderzoek

- Apr 14, 2020-

Bron: energy.gov


Multijunction III-V Photovoltaics Research

ACHTERGROND

Zeer efficiënte multi-functionele apparaten maken gebruik van meerdere bandgaps, of knooppunten, die zijn afgestemd om een ​​specifiek gebied van het zonnespectrum te absorberen om zonnecellen te creëren met een recordefficiëntie van meer dan 45%. Het maximale theoretische rendement dat een zonnecel met één bandgap kan bereiken met niet-geconcentreerd zonlicht is ongeveer 33,5%, voornamelijk vanwege de brede verspreiding van door de zon uitgezonden fotonen. Deze beperkende efficiëntie, bekend als de Shockley-Queisser-limiet, komt voort uit het feit dat de nullastspanning (Voc) van een zonnecel wordt beperkt door de bandafstand van het absorberende materiaal en dat fotonen met energieën onder de bandafstand niet worden geabsorbeerd. Fotonen met energieën die groter zijn dan de bandgap worden geabsorbeerd, maar de energie die groter is dan de bandgap gaat verloren als warmte.


Multijunctionele apparaten gebruiken een celband met hoge bandafstand om hoogenergetische fotonen te absorberen, terwijl de laagenergetische fotonen kunnen passeren. Een materiaal met een iets lagere bandafstand wordt vervolgens onder de kruising met hoge bandafstand geplaatst om fotonen te absorberen met iets minder energie (langere golflengten). Typische cellen met meerdere functies gebruiken twee of meer absorberende knooppunten en de theoretische maximale efficiëntie neemt toe met het aantal knooppunten. Vroeg onderzoek naar multi-functionele apparaten maakte gebruik van de eigenschappen van halfgeleiders die zijn samengesteld uit elementen in de III- en V-kolommen van het periodiek systeem, zoals galliumindiumfosfaat (GaInP), galliumindiumarsenide (GaInAs) en galliumarsenide (GaAs). Drie-junctie-apparaten die III-V-halfgeleiders gebruiken, hebben een efficiëntie van meer dan 45% bereikt met geconcentreerd zonlicht. Deze architectuur kan ook worden overgebracht naar andere zonneceltechnologieën en er worden multi-functionele cellen gemaakt van CIGS, CdSe, silicium, organische moleculen en andere materialen onderzocht.


In het verleden werden multi-functionele apparaten voornamelijk gebruikt in de ruimte, waar een prioriteit wordt gegeven aan lichtgewicht stroomopwekking, waardoor het gebruik van deze relatief dure zonnetechnologie mogelijk is. Voor terrestrische toepassingen kunnen de hoge kosten van deze halfgeleidersubstraten (in vergelijking met bijvoorbeeld silicium) worden gecompenseerd door concentrerende optica te gebruiken, met huidige systemen die voornamelijk Fresnel-lenzen gebruiken. De concentrerende optiek verhoogt de hoeveelheid licht die op de zonnecel valt, wat leidt tot meer energieproductie. Voor het gebruik van concentrerende optica is het gebruik van zonnebrillen met dubbele as vereist, waarmee rekening moet worden gehouden in de kosten van het systeem.


ONDERZOEKSRICHTINGEN

Hoewel multi-functionele III-V-cellen een hogere efficiëntie hebben dan concurrerende technologieën, zijn dergelijke zonnecellen aanzienlijk duurder vanwege de huidige fabricagetechnieken en materialen. Daarom zijn actieve onderzoeksinspanningen gericht op het verlagen van de kosten van elektriciteit die door deze zonnecellen wordt opgewekt door middel van benaderingen zoals het ontwikkelen van nieuwe substraatmaterialen, absorptiematerialen en fabricagetechnieken; efficiëntie verhogen; en het uitbreiden van het concept met meerdere functies naar andere PV-technologieën. Bovendien zijn, vanwege de kosten van dergelijke zonnecellen, het ontwikkelen van betrouwbare, goedkope oplossingen voor tracking en concentratie ook actieve onderzoeksgebieden ter ondersteuning van kostenverlagingen voor PV-systemen met behulp van multifunctionele cellen.


Lees hieronder meer over de winnaars en de projecten met zeer efficiënte III-V-cellen.

  • Ohio State University: Columbus Campus (fotovoltaïsch onderzoek en ontwikkeling)

  • Staatsuniversiteit van Arizona (fotovoltaïsch onderzoek en ontwikkeling)

  • University of Oregon (fotovoltaïsch onderzoek en ontwikkeling: kleine innovatieve projecten in zonne-energie)

  • South Dakota School of Mines and Technology (fotovoltaïsche onderzoek en ontwikkeling: kleine innovatieve projecten in zonne-energie)

  • Arizona State University (fotovoltaïek onderzoek en ontwikkeling: kleine innovatieve projecten in zonne-energie)

  • nLiten Energy (fotovoltaïsch onderzoek en ontwikkeling: kleine innovatieve projecten in zonne-energie)

  • University of California, Berkeley (Next Generation Photovoltaics II Projects)

  • California Institute of Technology (Next Generation Photovoltaics II Projects)

  • North Carolina State University (basisprogramma om celefficiëntie te bevorderen)

  • Nationaal laboratorium voor hernieuwbare energie (basisprogramma om celefficiëntie te bevorderen)

  • Ohio State University (basisprogramma om celefficiëntie te bevorderen)

  • University of Houston (Next Generation Photovoltaics 3 Projects)

  • Nationaal laboratorium voor hernieuwbare energie (Next Generation Photovoltaics 3 Projects)

VOORDELEN

De voordelen van multifunctionele III-V zonnecellen zijn onder meer:

  • Spectrumafstemming: hoogrenderende cellen (> 45%) kunnen worden vervaardigd door delen van het zonnespectrum te matchen met specifieke absorptielagen met specifieke bandopeningen.

  • Kristalstructuur: De verschillende combinaties van III-V halfgeleiders hebben vergelijkbare kristalstructuren en ideale eigenschappen voor zonnecellen, waaronder lange excitondiffusielengtes, draaggolfmobiliteit en compatibele absorptiespectra.

PRODUCTIE

Traditionele multi-functionele III-V-cellen worden geassembleerd in een epitaxiale monolithische stapel met subcellen in serie verbonden door tunnelovergangen. Het construeren van een cel met meerdere functies in een monolithische stapel resulteert in materiële beperkingen, en het vervaardigen van dergelijke apparaten wordt vergemakkelijkt als de afzonderlijke lagen van de subcellen compatibele atomaire roosterposities hebben en op een rooster zijn afgestemd. Dit voordeel van roosteraanpassing is de reden waarom Ge, dat rooster is dat is afgestemd op sommige III-V-legeringen, traditioneel wordt gebruikt als het substraat en de smalbandcel in MJ's. Roosteraanpassingsbeperkingen kunnen worden overwonnen met extra complexiteit door wafelbinding of metamorfe bufferlagen.


De tunnel-verbindingslaag wordt geconstrueerd door de interface van sterk gedoteerde p ++ en n ++ lagen. De interactie van deze lagen resulteert in een ruimtelijk smal ruimteladingsgebied, waardoor er stroom tussen de subcellen kan stromen. High-bandgap-lagen, bekend als vensterlagen en achteroppervlakvelden, kunnen worden toegevoegd om oppervlaktetoestanden te passiveren op het grensvlak tussen een subcel en de tunnelovergang, die, als ze niet gepassiveerd blijven, dragers kunnen vangen en recombinatie kunnen versnellen.


Als de subcellen in serie zijn aangesloten, beperkt de subcel die de kleinste stroom geleidt de maximale stroom die door het apparaat kan stromen. Daarom wordt veel aandacht besteed aan het afstemmen van de stroom van de subcellen. Lichtgevende koppeling tussen subcellen kan enkele van de huidige ontwerpvereisten versoepelen.


Multijunction III-V-zonnecellen kunnen worden vervaardigd met behulp van moleculaire bundel epitaxie (MBE) -technieken, maar fabricage in grote metaal-organische chemische-dampafzetting (MOCVD) -reactoren is typisch voor commerciële productie van GaInP / GaInAs / Ge-apparaten. Lagen kunnen worden gekweekt uit trimethylgallium (Ga (CH3) 3), trimethylindium (InC3H9), arsine (AsH3) en fosfine (PH3) in een waterstof dragergas en met behulp van doteermiddelen zoals waterstofselenide (H2Se), silaan (SiH6), en diethylzink ((C2H5) 2Zn). Door concentrerende optica te gebruiken, kunnen individuele cellen vrij klein zijn - soms zo klein als de punt van een potlood. Met deze technieken kunnen daarom honderden zonnecellen in één keer worden gekweekt. Er wordt onderzoek gedaan om de grootte van cellen verder te verkleinen en het aantal cellen dat uit een enkele wafel kan worden gegroeid, te vergroten, wat de kosten per cel zal helpen verlagen.