Dreifach-Übergang-GaAs-Solarzelle — Struktur und Gewinne

Kurze Antwort: Eine Dreifach-Junction-GaAs-Solarzelle stapelt drei photovoltaische Übergänge, die jeweils darauf abgestimmt sind, ein anderes Band des Sonnenspektrums zu absorbieren, auf einem Galliumarsenid-Substrat. Da jeder Übergang nur die Photonen umwandelt, auf die er abgestimmt ist, und das ungenutzte Licht zur darunterliegenden Schicht durchgelassen wird, wandelt der Stapel weit mehr des Spektrums um als eine Einfach-Junction-Siliziumzelle. Deshalb erreichen Dreifach-Junction-GaAs-Zellen unter Konzentration Wirkungsgrade von über 30 %, gegenüber etwa 22 % bis 24 % bei herkömmlichem Silizium. Der Nachteil sind die Kosten: GaAs-Epitaxie auf Germanium- oder GaAs-Substraten ist pro Watt um Größenordnungen teurer als Silizium, weshalb die Technologie auf Konzentrator-Photovoltaik und Raumfahrzeuge beschränkt ist, wo Leistung pro Kilogramm wichtiger ist als Kosten pro Watt. Weltraumanordnungen verwenden sie, weil Masse und verstautes Volumen die begrenzenden Faktoren sind.

PV-Modulfertigung · von Jerry, Ooitech

Einführung

Da die kommerzielle Raumfahrt weiter wächst, benötigen Raumfahrzeuge immer mehr elektrische Energie. Weltraum-Photovoltaik dient als Hauptstromquelle für die meisten Raumfahrzeuge, daher beeinflusst die Wahl der Solarzellentechnologie direkt, ob eine Mission erfolgreich ist, wie kosteneffektiv sie ist und wie wettbewerbsfähig sie auf dem Markt bleibt.

Derzeit gibt es drei Haupttechnologierichtungen: Galliumarsenid (GaAs), p-Typ-Heteroübergang (HJT) und p-Typ-HJT/Perowskit-Tandemzellen. Betrachtet man den technologischen Trend und das langfristige Potenzial und analysiert die Kernvor- und -nachteile jeder Route, liegt GaAs immer noch an der Spitze. Trotz der Kostenherausforderungen machen seine unübertroffene Gesamtleistung, die bewährte Zuverlässigkeit in extremen Umgebungen und das klare, beträchtliche Potenzial zur Kostensenkung GaAs zur besten Wahl für hochwertige, hochzuverlässige kommerzielle Raumfahrtmissionen sowohl heute als auch in den nächsten 3-5 Jahren.

Die Vorteile von Dreifach-Übergangs-GaAs-Zellen

Hohe Effizienz

Die GaAs-Bandlücke (1,42 eV) liegt genau im theoretisch optimalen Bereich. Darüber hinaus stapeln Mehrfach-Übergangszellen GaInP-, GaAs- und Ge-Schichten, die jeweils hochenergetische, mittelenergetische und niederenergetische Photonen absorbieren, was das nutzbare Spektrum erheblich erweitert. Die neuesten Dreifach-Übergangs-GaAs-Zellen für Weltraum-Photovoltaik erreichen nun Wirkungsgrade über 30 %.

Hohe Zuverlässigkeit

Starke Strahlungsresistenz und ausgezeichnete Hochtemperaturstabilität machen diese Zellen perfekt für die Kernanforderungen hochwertiger, langlebiger Missionen. Der Leistungsvorteil reicht aus, um die höheren Kosten auszugleichen.

Ausgereifte Technologie mit langjähriger Erfolgsbilanz im Orbit

Bereits 1965 war der Satellit Venera 3 der ehemaligen Sowjetunion der erste, der GaAs-Zellen verwendete. 1995 nutzte der erste kommerzielle Kommunikationssatellit MEASAT ein einzelnes GaAs als Hauptstromversorgung, und das Design der Solaranordnung baute eine vollständige Datenbank auf, die bewies, dass GaAs-Zellen den gesamten Lebenszyklus-Strombedarf eines Raumfahrzeugs decken konnten. Von da an ersetzten GaAs-Zellen nach und nach ältere Zellen als grundlegende Stromerzeugungseinheit auf Raumfahrzeugen und entwickelten sich Schritt für Schritt von Einfach- zu Mehrfachübergängen.

Warum als Dreifach-Übergangsstruktur entwerfen?

Jedes Halbleitermaterial kann nur Photonen mit einer Energie, die größer als seine Bandlücke ist, effizient absorbieren. Photonen mit zu wenig Energie können nicht genutzt werden, während Photonen mit zu viel Energie den Überschuss als Wärme verlieren (Thermalisierungsverlust). Die Bandlücke einer Einfachzelle kann das Sonnenspektrum nicht perfekt abdecken. Nehmen wir eine Silizium-Einfachzelle als Beispiel: Sie kann Photonen im Bereich von 0,3-1,1 μm (300 nm-1100 nm) absorbieren und arbeitet hauptsächlich im Band von 0,38 μm-0,7 μm. Deshalb haben Silizium-Einfachzellen eine begrenzte Effizienzobergrenze mit einem theoretischen Limit von etwa 29,7 %.

Eine Dreifachzelle teilt die Arbeit auf drei Unterzellen auf und zerlegt das Sonnenspektrum in drei Segmente, sodass jede Unterzelle in ihrem optimalen Band arbeitet. Dies reduziert sowohl Thermalisierungsverluste als auch spektrale Fehlanpassungsverluste drastisch. Theoretisch können Mehrfachzellen eine Effizienz von fast 50 % erreichen, weit höher als eine Einfachstruktur.

Die Struktur einer Dreifach-GaAs-Zelle

Die Dreifach-GaAs-Zelle ist in drei Teile unterteilt: die obere Zelle, die mittlere Zelle und die untere Zelle. Jeder Teil verwendet unterschiedliche Hauptmaterialien (Basisregion) und spielt eine unterschiedliche Rolle.

Obere Zelle

Normalerweise AlGaInP / GaInP, mit einer Bandlücke von etwa 1,8-1,9 eV. Sie absorbiert hauptsächlich kurzwellige Photonen (Ultraviolett, blaues Licht). Die obere Zelle nimmt hochenergetische Photonen auf und reduziert Thermalisierungsverluste.

Mittlere Zelle

Normalerweise InGaAs oder GaAs, mit einer Bandlücke von etwa 1,42 eV. Sie absorbiert hauptsächlich mittel- und langwellige Photonen (grünes, gelbes, rotes Licht). Die mittlere Zelle verarbeitet die mittleren bis langen Wellenlängen und trägt den größten Teil des Photostroms bei.

Untere Zelle

Normalerweise Ge, mit einer Bandlücke von etwa 0,67 eV. Sie absorbiert hauptsächlich langwellige Photonen (nahes Infrarot). Die untere Zelle erfasst das stark durchdringende Infrarotlicht.

Jetzt gehen wir durch, was jede Schicht tut.

① Kontaktschicht

Direkt über der äußersten Cap-Schicht gelegen, ist dies die Halbleiterschicht, die die Metallelektrode direkt berührt. Sie ist normalerweise stark dotiertes n⁺⁺-GaAs oder n⁺⁺-GaInP. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, den Kontaktwiderstand zu senken – starke Dotierung hilft, einen guten ohmschen Kontakt mit der Metallelektrode zu bilden und elektrische Verluste zu reduzieren. Sie schützt auch die aktive Region, indem sie die Metallelektrode von der empfindlichen aktiven Region darunter (Fensterschicht, Emitter usw.) isoliert, um Prozessschäden zu verhindern.

② Cap-Schicht

Oberhalb der Fensterschicht und unterhalb der Antireflexbeschichtung gelegen, befindet sie sich zwischen dem Antireflexfilm und der Kontaktschicht. Sie besteht üblicherweise aus GaAs, obwohl einige Designs transparente leitfähige Oxide (TCO) wie ITO verwenden. Ihre Hauptrolle besteht darin, als "Hilfselektrode" die Stromsammlung zu unterstützen, indem sie mit der Kontaktschicht zusammenarbeitet, um Strom lateral zu sammeln und herauszuführen – besonders nützlich für feinlinige Gitterdesigns. Ihre Dicke und ihr Brechungsindex können auch abgestimmt werden, um am optischen Design teilzunehmen und einen zusätzlichen Antireflexeffekt zu bieten.

③ Fensterschicht

Oberhalb des Emitters gelegen, normalerweise aus AlInP, AlGaInP oder AlGaAs. Ihre Hauptrolle besteht darin, die Oberflächenrekombination zu reduzieren: Aufgrund der großen Bandlücke des Materials absorbiert es wenig Licht und bildet einen Hoch-Niedrig-Übergang, der photogenerierte Ladungsträger (Elektronen) zum Inneren des Emitters drückt und Rekombinationsverluste an Oberflächendefekten reduziert. Sie fungiert auch als "Regenschirm", der die Sperrschichtregion vor Schäden bei späteren Prozessen wie der Elektrodenabscheidung schützt.

④ Emitter

Unterhalb der Fensterschicht und oberhalb der Basis gelegen, bildet sie mit der Basis einen PN-Übergang. Sie ist normalerweise N-Typ GaInP oder GaAs. Ihre Hauptrolle besteht darin, als "positive Elektrode" zu fungieren, photogenerierte Elektronen zu sammeln und zum externen Stromkreis zu leiten. Sie gleicht auch Lichtabsorption und Sammlung aus – durch sorgfältige Abstimmung von Dicke und Dotierungskonzentration ist sie dick genug, um kurzwelliges Licht zu absorbieren, aber nicht so dick, dass Ladungsträger während der Diffusion rekombinieren.

⑤ Basis

Unterhalb des Emitters und oberhalb der BSF-Schicht gelegen, ist dies der Hauptkörper des PN-Übergangs. Sie ist normalerweise p-Typ GaInP oder AlGaInP. Als Hauptlichtabsorptionsregion ist sie das "Arbeitspferd" der oberen Zelle, absorbiert den größten Teil des kurzwelliges Lichts (Blau und Ultraviolett), erzeugt photogenerierte Elektron-Loch-Paare und transportiert die photogenerierten Löcher effizient zur hinteren BSF-Schicht oder Elektrode.

⑥ BSF-Schicht (Rückseitenfeld)

Unterhalb der Basis und oberhalb des Tunnelübergangs gelegen, bildet es auf der Rückseite einen Hoch-Niedrig-Übergang mit der Basis. Das Material ist normalerweise ein Breitband-p-AlGaInP, AlGaAs und ähnliches. Seine Hauptaufgabe ist es, die Rekombination von Minoritätsträgern zu unterdrücken: Die BSF-Schicht erzeugt eine "Barriere" auf der Rückseite der Basis, die verhindert, dass photogenerierte Löcher bei ihrer Diffusion zur Rückelektrode rekombinieren, wodurch Spannung und Effizienz gesteigert werden.

⑦ Reflektor

Zwischen der oberen Zelle und der mittleren Zelle oder zwischen der mittleren Zelle und der unteren Zelle gelegen. Es handelt sich um einen verteilten Bragg-Reflektor (DBR), der aus abwechselnden Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex wie AlAs/AlGaAs oder AlInP/AlGaInP gewachsen ist. Seine Hauptaufgabe besteht darin, das mittel- bis langwellige Licht, das von den oberen und mittleren Zellen nicht absorbiert wurde und im Begriff ist zu entweichen, zurückzureflektieren, sodass ein zweiter Absorptionsdurchgang ermöglicht wird, der den Gesamtstrom und die Effizienz erhöht.

⑧ Tunnelübergang

Zwischen den Teilzellen gelegen, aus stark dotierten dünnen Schichten (wie n++GaAs / p++GaAs) hergestellt. Wie ein "Quantentunnel" ermöglicht er es photogenerierten Ladungsträgern, effizient hindurchzutreten, während jede Teilzelle elektrisch unabhängig bleibt.

Die Struktur der mittleren Zelle ähnelt der der oberen Zelle, nur mit anderen Materialien, daher werden wir sie hier nicht wiederholen. Im Folgenden gehen wir kurz auf die Besonderheiten der unteren Zelle ein.

⑨ Pufferschicht

Zwischen der unteren Zelle und der mittleren Zelle eingebettet, löst sie das Problem der Gitterfehlanpassung. Wenn das Material der unteren Zelle (wie InGaAs) nicht mit der Gitterkonstante des oberen Materials (wie GaAs) übereinstimmt, verwendet die Pufferschicht eine "abgestufte" oder "metamorphe Gitterstruktur", um Spannung allmählich abzubauen und Durchstoßversetzungen "abzufangen", sodass sie aus dem aktiven Bereich der unteren Zelle ferngehalten werden, wodurch die Zellleistung verbessert wird.

⑩ Basis der unteren Zelle

Auf der "dicken" Seite des PN-Übergangs der unteren Zelle gelegen. Es handelt sich normalerweise um ein p-dotiertes Ge-Substrat. Seine Hauptfunktion besteht darin, langwelliges Infrarotlicht zu absorbieren und als Arbeitspferd für die Erzeugung photogenerierter Ladungsträger in der unteren Zelle zu dienen.

Einige Anmerkungen

In den P/N-Typ-Bezeichnungen weisen N++/P++ und ähnliche Markierungen auf leichte bzw. starke Dotierung hin. Die in diesem Artikel dargestellte Dreifach-Junction-GaAs-Zellstruktur lässt die Elektrodenstruktur, die Antireflexionsschichtstruktur und ähnliche Details zur Vereinfachung aus.

Referenzen:

• Dreifach-Junction-Solarzelle mit Reflektor und deren Herstellungsverfahren - 2022-0804

• InGaP/InGaAs/Ge-Dreifach-Solarzelle mit einer Mikro-Nano-Antireflexstruktur und ihr Herstellungsverfahren - 2018-0425

• Ein Verfahren für eine Dreifach-Solarzelle und die Dreifach-Solarzelle - 2020-11-13

Ooitechs Ansicht

Ooitech ist überzeugt: Dreifach-GaAs-Zellen, die das Sonnenspektrum über drei Teilzellen aufteilen, bieten die hohe Effizienz und bewährte Zuverlässigkeit, die sie zur ersten Wahl für heutige Hochleistungs-Weltraummissionen machen.