Quelle: energy.gov
HINTERGRUND
Hocheffiziente Multijunction-Geräte verwenden mehrere Bandlücken oder Übergänge, die so abgestimmt sind, dass sie einen bestimmten Bereich des Sonnenspektrums absorbieren, um Solarzellen mit einem Rekordwirkungsgrad von über 45% zu erzeugen. Der maximale theoretische Wirkungsgrad , den eine Solarzelle mit einer Bandlücke mit nicht konzentriertem Sonnenlicht erreichen kann, liegt bei etwa 33,5%, hauptsächlich aufgrund der breiten Verteilung der von der Sonne emittierten Photonen. Diese als Shockley-Queisser-Grenze bekannte Begrenzungseffizienz ergibt sich aus der Tatsache, dass die Leerlaufspannung (Voc) einer Solarzelle durch die Bandlücke des absorbierenden Materials begrenzt wird und Photonen mit Energien unterhalb der Bandlücke nicht absorbiert werden. Photonen, deren Energien größer als die Bandlücke sind, werden absorbiert, aber die Energie, die größer als die Bandlücke ist, geht als Wärme verloren.
Multijunction-Bauelemente verwenden eine obere Zelle mit hoher Bandlücke, um hochenergetische Photonen zu absorbieren, während die niederenergetischen Photonen durchgelassen werden. Ein Material mit einer etwas geringeren Bandlücke wird dann unterhalb des Übergangs mit hoher Bandlücke platziert, um Photonen mit etwas weniger Energie (längere Wellenlängen) zu absorbieren. Typische Mehrfachübergangszellen verwenden zwei oder mehr absorbierende Übergänge, und die theoretische maximale Effizienz steigt mit der Anzahl der Übergänge. Frühe Forschungen zu Multijunction-Bauelementen nutzten die Eigenschaften von Halbleitern, die aus Elementen in den III- und V-Spalten des Periodensystems wie Galliumindiumphosphat (GaInP), Galliumindiumarsenid (GaInAs) und Galliumarsenid (GaAs) bestehen. Drei-Sperrschicht-Bauelemente mit III-V-Halbleitern haben mit konzentriertem Sonnenlicht Wirkungsgrade von mehr als 45% erreicht. Diese Architektur kann auch auf andere Solarzellentechnologien übertragen werden, und Multijunction-Zellen aus CIGS, CdSe, Silizium, organischen Molekülen und anderen Materialien werden untersucht.
In der Vergangenheit wurden Multijunction-Geräte hauptsächlich im Weltraum eingesetzt, wo die leichte Stromerzeugung eine Prämie darstellt, die den Einsatz dieser relativ kostenintensiven Solartechnologie ermöglicht. Für terrestrische Anwendungen können die hohen Kosten dieser Halbleitersubstrate (im Vergleich zu beispielsweise Silizium) durch die Verwendung konzentrierender Optiken ausgeglichen werden, wobei derzeitige Systeme hauptsächlich Fresnellinsen verwenden. Die konzentrierende Optik erhöht die auf die Solarzelle einfallende Lichtmenge und führt so zu mehr Stromerzeugung. Die Verwendung von Konzentrationsoptiken erfordert die Verwendung einer zweiachsigen Sonnenverfolgung, die bei den Systemkosten berücksichtigt werden muss.
FORSCHUNGSRICHTUNGEN
Obwohl Multijunction III-V-Zellen einen höheren Wirkungsgrad als konkurrierende Technologien aufweisen, sind solche Solarzellen aufgrund der gegenwärtigen Herstellungstechniken und -materialien erheblich teurer. Daher zielen aktive Forschungsanstrengungen darauf ab, die Kosten der von diesen Solarzellen erzeugten Elektrizität durch Ansätze wie die Entwicklung neuer Substratmaterialien, Absorbermaterialien und Herstellungstechniken zu senken. Effizienzsteigerung; und Ausweitung des Multijunction-Konzepts auf andere PV-Technologien. Aufgrund der Kosten solcher Solarzellen sind die Entwicklung zuverlässiger, kostengünstiger Lösungen für Nachverfolgung und Konzentration auch aktive Forschungsbereiche, um Kostensenkungen für PV-Systeme mit Mehrfachübergangszellen zu unterstützen.
Erfahren Sie unten mehr über die Preisträger und die Projekte mit hocheffizienten III-V-Zellen.
Ohio State University: Columbus Campus (Forschung und Entwicklung im Bereich Photovoltaik)
Arizona State University (Forschung und Entwicklung im Bereich Photovoltaik)
University of Oregon (Forschung und Entwicklung im Bereich Photovoltaik: Kleine innovative Projekte im Solarbereich)
South Dakota School of Mines and Technology (Forschung und Entwicklung im Bereich Photovoltaik: Kleine innovative Projekte im Solarbereich)
Arizona State University (Photovoltaik-Forschung und -Entwicklung: Kleine innovative Projekte im Solarbereich)
nLiten Energy (Photovoltaik-Forschung und -Entwicklung: Kleine innovative Projekte im Solarbereich)
Universität von Kalifornien, Berkeley (Photovoltaik-II-Projekte der nächsten Generation)
California Institute of Technology (Photovoltaik-II-Projekte der nächsten Generation)
North Carolina State University (Grundlegendes Programm zur Steigerung der Zelleffizienz)
Nationales Labor für erneuerbare Energien (Grundprogramm zur Förderung der Zelleffizienz)
Ohio State University (Grundlegendes Programm zur Steigerung der Zelleffizienz)
Universität Houston (Photovoltaik 3-Projekte der nächsten Generation)
Nationales Labor für erneuerbare Energien (Photovoltaik 3-Projekte der nächsten Generation)
LEISTUNGEN
Zu den Vorteilen von Multijunction III-V-Solarzellen gehören:
Spektrumanpassung: Hocheffiziente Zellen (> 45%) können hergestellt werden, indem Abschnitte des Sonnenspektrums mit spezifischen Absorberschichten mit spezifischen Bandlücken angepasst werden.
Kristallstruktur: Die verschiedenen Kombinationen von III-V-Halbleitern weisen ähnliche Kristallstrukturen und ideale Eigenschaften für Solarzellen auf, einschließlich langer Exzitondiffusionslängen, Trägermobilität und kompatibler Absorptionsspektren.
PRODUKTION
Herkömmliche III-V-Zellen mit mehreren Übergängen sind in einem epitaktischen monolithischen Stapel zusammengesetzt, wobei die Unterzellen durch Tunnelübergänge in Reihe geschaltet sind. Der Aufbau einer Mehrfachübergangszelle in einem monolithischen Stapel führt zu Materialbeschränkungen, und die Herstellung solcher Vorrichtungen wird erleichtert, wenn die einzelnen Schichten der Unterzellen kompatible Atomgitterpositionen aufweisen und gitterangepasst sind. Dieser Vorteil der Gitteranpassung ist der Grund, warum Ge, das an einige III-V-Legierungen gitterangepasst ist, traditionell als Substrat und Zelle mit enger Bandlücke in MJs verwendet wird. Gitteranpassungsbeschränkungen können mit zusätzlicher Komplexität unter Verwendung von Waferbindung oder metamorphen Pufferschichten überwunden werden.
Die Tunnelübergangsschicht wird durch die Schnittstelle hochdotierter p ++ - und n ++ - Schichten aufgebaut. Die Wechselwirkung dieser Schichten führt zu einem räumlich engen Raumladungsbereich, in dem Strom zwischen den Unterzellen fließen kann. Schichten mit hoher Bandlücke, die als Fensterschichten und Felder auf der Rückseite bekannt sind, können hinzugefügt werden, um Oberflächenzustände an der Grenzfläche zwischen einer Unterzelle und dem Tunnelübergang zu passivieren, die, wenn sie nicht passiviert werden, Träger einfangen und die Rekombination beschleunigen können.
Wenn die Unterzellen in Reihe geschaltet sind, begrenzt die Unterzelle, die den kleinsten Strom leitet, den maximalen Strom, der durch das Gerät fließen kann. Daher wird ein erheblicher Aufwand unternommen, um den Strom der Unterzellen abzustimmen. Die Lumineszenzkopplung zwischen Unterzellen kann einige der aktuell passenden Designanforderungen lockern.
Multijunction III-V-Solarzellen können unter Verwendung von Molekularstrahlepitaxietechniken (MBE) hergestellt werden, aber die Herstellung in großen metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidungsreaktoren (MOCVD) ist typisch für die Herstellung von GaInP / GaInAs / Ge-Bauelementen im kommerziellen Maßstab. Schichten können aus Trimethylgallium (Ga (CH3) 3), Trimethylindium (InC3H9), Arsin (AsH3) und Phosphin (PH3) in einem Wasserstoffträgergas und unter Verwendung von Dotierstoffen wie Wasserstoffselenid (H2Se), Silan (SiH6) gezüchtet werden. und Diethylzink ((C 2 H 5) 2 Zn). Durch die Verwendung von Konzentrationsoptiken können einzelne Zellen recht klein sein - manchmal so klein wie die Größe einer Bleistiftspitze. Daher können mit diesen Techniken Hunderte von Solarzellen in einzelnen Chargen gezüchtet werden. Es wird geforscht, um die Größe der Zellen weiter zu verringern und die Anzahl der Zellen zu erhöhen, die aus einem einzelnen Wafer gezüchtet werden können, was dazu beiträgt, die Kosten pro Zelle zu senken.