Sumber: energy.gov
LATAR BELAKANG
Peranti multijungsi kecekapan tinggi menggunakan berbilang bandgap, atau persimpangan, yang ditala untuk menyerap rantau spesifik spektrum suria untuk mencipta sel solar yang mempunyai kecekapan rekod lebih daripada 45%. Kecekapan teoritis maksimum yang boleh dicapai oleh sel solar tunggal-bandgap dengan cahaya matahari yang tidak terkonsentrasi adalah kira-kira 33.5%, terutamanya kerana pengedaran foton fotonya yang luas. Kecekapan mengehadkan ini, yang dikenali sebagai had Shockley-Queisser, timbul dari fakta bahawa voltan litar terbuka (Voc) sel suria dibatasi oleh celah pita bahan penyerap dan bahawa foton dengan tenaga di bawah celah pita tidak diserap. Foton yang mempunyai tenaga yang lebih besar daripada peluncuran band diserap, tetapi tenaga yang lebih besar daripada bandgap hilang sebagai haba.
Peranti Multijunction menggunakan sel puncak tinggi bandgap untuk menyerap foton berkuasa tinggi sambil membenarkan foton tenaga yang lebih rendah melaluinya. Bahan dengan celah pita yang sedikit lebih rendah kemudian diletakkan di bawah persimpangan pita tinggi untuk menyerap foton dengan sedikit tenaga (panjang gelombang yang lebih panjang). Sel-sel multijungs tipikal menggunakan dua atau lebih persimpangan menyerap, dan kecekapan maksimum teori meningkat dengan bilangan persimpangan. Penyelidikan awal ke peranti multijungsi memanfaatkan sifat-sifat semikonduktor yang terdiri daripada unsur-unsur dalam lajur III dan V Jadual Berkala, seperti gallium indium fosfat (GaInP), gallium indium arsenide (GaInAs), dan gallium arsenide (GaAs). Peranti tiga simpang yang menggunakan semikonduktor III-V telah mencapai kecekapan melebihi 45% menggunakan cahaya matahari pekat. Senibina ini juga boleh dipindahkan ke teknologi sel solar lain, dan sel multijunction yang dibuat dari CIGS, CdSe, silikon, molekul organik, dan bahan lain sedang disiasat.
Di masa lalu, peranti multijungs digunakan terutamanya dalam ruang, di mana terdapat premium yang ditempatkan pada penjanaan kuasa ringan, yang membolehkan penggunaan teknologi suria yang agak tinggi ini. Untuk aplikasi terestrial, kos tinggi substrat semikonduktor ini (berbanding silikon, misalnya) mungkin diimbangi dengan menggunakan optik pekat, dengan sistem semasa terutamanya menggunakan lensa Fresnel. Optik yang menumpukan menaikkan jumlah insiden cahaya pada sel solar, sehingga menghasilkan lebih banyak pengeluaran kuasa. Menggunakan optik menumpukan memerlukan penggunaan penjejakan matahari dua paksi, yang mesti difaktorkan ke dalam kos sistem.
ARAHAN KAJIAN
Walaupun multijunction sel III-V mempunyai kecekapan yang lebih tinggi daripada teknologi yang bersaing, sel-sel solar itu jauh lebih mahal kerana teknik dan bahan fabrikasi semasa. Oleh itu, usaha penyelidikan aktif diarahkan untuk menurunkan kos elektrik yang dihasilkan oleh sel-sel solar melalui pendekatan seperti membangunkan bahan substrat baru, bahan penyerap dan teknik fabrikasi; meningkatkan kecekapan; dan memperluaskan konsep multijunction ke teknologi PV lain. Selain itu, kerana kos sel solar itu, membangunkan penyelesaian kos rendah yang boleh dipercayai untuk menjejaki dan menumpukan juga merupakan bidang penyelidikan yang aktif untuk menyokong pengurangan kos untuk sistem PV menggunakan sel multijunction.
Ketahui lebih lanjut mengenai penerima anugerah dan projek yang melibatkan sel III-V dengan kecekapan tinggi di bawah.
Ohio State University: Kampus Columbus (Penyelidikan dan Pembangunan Fotovoltaik)
Universiti Negeri Arizona (Penyelidikan dan Pembangunan Fotovoltaik)
University of Oregon (Penyelidikan dan Pembangunan Fotovoltaik: Projek Inovatif Kecil di Suria)
Sekolah Menengah dan Teknologi South Dakota (Penyelidikan dan Pembangunan Fotovoltaik: Projek Inovatif Kecil di Suria)
Universiti Negeri Arizona (Penyelidikan dan Pembangunan Fotovoltaik: Projek Inovatif Kecil di Suria)
nLiten Energy (Penyelidikan dan Pembangunan Fotovoltaik: Projek Inovatif Kecil di Suria)
University of California, Berkeley (Projek Fotovoltan II Generasi Akan datang)
Institut Teknologi California (Projek Photovoltaics Generasi II)
North Carolina State University (Program Asasi untuk Memajukan Kecekapan Sel)
Makmal Tenaga Boleh Diperbaharui Kebangsaan (Program Foundational untuk Memperkasa Kecekapan Sel)
Ohio State University (Program Foundational untuk Advance Cell Kecekapan)
University of Houston (Projek Fotovoltaik Generasi Seterusnya)
Makmal Tenaga Boleh Diperbaharui Kebangsaan (Projek Fotovoltaik Generasi 3)
MANFAAT
Kelebihan sel solar multijungsi III-V termasuk:
Pencocokan spektrum: Sel-kecekapan tinggi (> 45%) boleh dibuat dengan memadankan bahagian spektrum solar dengan lapisan penyerap tertentu yang mempunyai bandgap tertentu.
Struktur kristal: Pelbagai gabungan semikonduktor III-V mempunyai struktur kristal yang sama dan sifat-sifat ideal untuk sel suria, termasuk panjang penyebaran panjang, pergerakan pembawa, dan spektrum penyerapan yang serasi.
PENGELUARAN
Sel-sel III-V tradisional yang dipasang dalam susunan monolitik epitaxial dengan subcells yang disambungkan secara siri melalui persimpangan terowong. Membina sel multijunction dalam timbunan monolitik menghasilkan kekangan bahan, dan fabrikasi peranti sedemikian difasilitasi jika lapisan individu subcells mempunyai kedudukan kisi atom yang serasi dan kisi yang dipadankan. Kelebihan pencocokan kisi ini adalah mengapa Ge, yang merupakan kisi yang dipadankan dengan beberapa aloi III-V, secara tradisional digunakan sebagai substrat dan sel bandgap sempit di MJ's. Batasan pemadanan kekisi boleh diatasi dengan kerumitan tambahan yang menggunakan lapisan wafer atau lapisan penyangga metamorf.
Lapisan persimpangan terowong dibina oleh antara muka lapisan p ++ dan n ++ yang sangat doped. Interaksi lapisan ini menghasilkan kawasan pengecasan ruang yang sempit secara spasial, yang membolehkan arus mengalir di antara subsel. Lapisan bertingkat tinggi, yang dikenali sebagai lapisan tetingkap dan medan permukaan belakang, boleh ditambah kepada keadaan permukaan pasif pada antara muka antara subcell dan persimpangan terowong, yang jika dibiarkan tidak dapat dielakkan, dapat mengesan pembawa dan mempercepatkan penggabungan.
Jika subcells disambungkan secara bersiri, subcell yang menjalankan arus terkecil menghadkan arus maksimum yang boleh mengalir melalui peranti. Oleh itu, usaha yang besar dilakukan untuk menyesuaikan arus subsel. Gandingan luminescent antara subcells boleh berehat beberapa keperluan reka bentuk pencocokan semasa.
Sel solar Multijunction III-V boleh dibuat menggunakan teknik epitoks-molekul epitoks (MBE), tetapi fabrikasi dalam reaktor pemendapan wap logam-organik besar (MOCVD) adalah khas untuk pengeluaran GaInP / GaInAs / Ge skala komersial. Lapisan dapat ditanam dari trimethylgallium (Ga (CH3) 3), trimethylindium (InC3H9), arsine (AsH3), dan fosfin (PH3) dalam gas pembawa hidrogen dan menggunakan dopan seperti hidrogen selenida (H2Se), silan (SiH6), dan diethyl zinc ((C2H5) 2Zn). Menggunakan optik menumpukan membolehkan sel-sel individu menjadi agak kecil-kadang-kadang, dengan saiz hujung pensil. Oleh itu, teknik ini membolehkan beratus-ratus sel suria ditanam dalam satu kumpulan. Penyelidikan sedang dilakukan untuk mengurangkan saiz sel dan meningkatkan bilangan sel yang boleh ditanam dari wafer tunggal, yang akan membantu mengurangkan kos setiap sel.