Avots: energy.gov
PRIEKŠVĒSTURE
Augstas efektivitātes multijunction ierīces izmanto vairākas joslas vai savienojumus, kas ir noregulēti tā, lai absorbētu noteiktu saules spektra reģionu, lai izveidotu saules baterijas, kuru efektivitāte pārsniedz 45%. Maksimālā teorētiskā efektivitāte , ko vienas joslas diapazona saules baterija var sasniegt ar nekoncentrētu saules gaismu, ir aptuveni 33,5%, galvenokārt tāpēc, ka plaši izplatās saules izstarotie fotoni. Šī ierobežojošā efektivitāte, kas pazīstama kā Šoklija-Kvesera robeža, rodas no tā, ka saules baterijas atvērtās ķēdes spriegumu (Voc) ierobežo absorbējošā materiāla joslas sprauga un ka fotoni ar enerģiju zem diapazona spraugas netiek absorbēti. Tiek absorbēti fotoni, kuru enerģija ir lielāka par joslas atstarpi, bet enerģija, kas lielāka par joslas atstarpi, tiek zaudēta kā siltums.
Daudzfunkciju ierīces izmanto augstas frekvences joslu augšējo elementu, lai absorbētu augstas enerģijas fotonus, vienlaikus ļaujot cauri zemākas enerģijas fotoniem. Materiālu ar nedaudz zemāku joslas atstarpi tad novieto zem augstās joslas spraugas, lai absorbētu fotonus ar nedaudz mazāk enerģijas (garākiem viļņu garumiem). Tipiskās daudzsavienojumu šūnas izmanto divus vai vairāk absorbējošus krustojumus, un teorētiskā maksimālā efektivitāte palielinās līdz ar krustojumu skaitu. Sākotnējie daudzsavienojamo ierīču pētījumi ļāva izmantot pusvadītāju īpašības, kas sastāv no elementiem periodiskās tabulas III un V kolonnās, piemēram, gallija indija fosfāts (GaInP), gallija indija arsenīds (GaInAs) un gallija arsenīds (GaAs). Trīs krustojumu ierīces, kurās izmanto III-V pusvadītājus, izmantojot koncentrētu saules gaismu, ir sasniegušas efektivitāti, kas pārsniedz 45%. Šo arhitektūru var pārnest arī uz citām saules bateriju tehnoloģijām, un tiek pētītas daudzsavienojumu šūnas, kas izgatavotas no CIGS, CdSe, silīcija, organiskām molekulām un citiem materiāliem.
Agrāk daudzsavienojamās ierīces galvenokārt tika izmantotas kosmosā, kur vieglajai enerģijas ražošanai tika piešķirta piemaksa, kas ļauj izmantot šo samērā dārgo saules tehnoloģiju. Zemes lietojumiem šo pusvadītāju substrātu augstās izmaksas (piemēram, salīdzinot ar silīciju) var kompensēt, izmantojot koncentrējošu optiku, pašreizējās sistēmās galvenokārt izmantojot Fresnel objektīvus. Koncentrējošā optika palielina saules baterijas gaismas daudzumu, tādējādi palielinot enerģijas ražošanu. Koncentrējošās optikas izmantošanai ir jāizmanto div asu asu saules izsekošana, kas jāiekļauj sistēmas izmaksās.
PĒTĪJUMA VADLĪNIJAS
Kaut arī daudzsavienojumu III-V šūnām ir augstāka efektivitāte nekā konkurējošajām tehnoloģijām, šādas saules baterijas ir ievērojami dārgākas pašreizējo ražošanas metožu un materiālu dēļ. Tāpēc aktīvi pētniecības centieni ir vērsti uz šo saules bateriju saražotās elektroenerģijas izmaksu samazināšanu, izmantojot tādas pieejas kā jaunu substrāta materiālu, absorbējošu materiālu un ražošanas paņēmienu izstrāde; efektivitātes palielināšana; un daudzsavienības jēdziena paplašināšanu ar citām PV tehnoloģijām. Turklāt, ņemot vērā šādu saules bateriju izmaksas, uzticamu lētu izsekošanas un koncentrācijas risinājumu izstrāde ir arī aktīvas pētniecības jomas, lai atbalstītu izmaksu samazināšanu PV sistēmām, kurās izmanto daudzsavienojuma elementus.
Zemāk uzziniet vairāk par balvas saņēmējiem un projektiem, kas saistīti ar augstas efektivitātes III-V šūnām.
Ohaio štata universitāte: Kolumba pilsētiņa (fotoelektriskās enerģijas izpēte un attīstība)
Arizonas štata universitāte (fotoelektriskās enerģijas izpēte un attīstība)
Oregonas Universitāte (Fotoelektriskās enerģijas izpēte un attīstība: Mazi, novatoriski projekti saules enerģijas jomā)
Dienviddakotas raktuvju un tehnoloģijas skola (Fotoelektriskās enerģijas izpēte un attīstība: mazi novatoriski projekti saules enerģijas jomā)
Arizonas štata universitāte (Fotoelektriskās enerģijas izpēte un attīstība: mazi, inovatīvi projekti saules enerģijas jomā)
nLiten Energy (Fotoelementu izpēte un attīstība: Mazi, inovatīvi projekti saules enerģijas jomā)
Kalifornijas universitāte, Bērkli (nākamās paaudzes fotoelektriskās enerģijas II projekti)
Kalifornijas tehnoloģiju institūts (nākamās paaudzes fotoelektriskās enerģijas II projekti)
Ziemeļkarolīnas štata universitāte (pamatprogramma šūnu efektivitātes uzlabošanai)
Nacionālā atjaunojamo energoresursu laboratorija (pamatprogramma šūnu efektivitātes uzlabošanai)
Ohaio štata universitāte (pamatprogramma šūnu efektivitātes uzlabošanai)
Hjūstonas Universitāte (nākamās paaudzes fotoelektriskie 3 projekti)
Nacionālā atjaunojamo energoresursu laboratorija (nākamās paaudzes fotoelektriskie 3 projekti)
IEGUVUMI
III-V daudzkanālu saules bateriju priekšrocības ietver:
Spektra saskaņošana: augstas efektivitātes šūnas (> 45%) var izgatavot, saskaņojot Saules spektra daļas ar īpašiem absorbcijas slāņiem, kuriem ir noteiktas joslas spraugas.
Kristāla struktūra: Dažādām III-V pusvadītāju kombinācijām ir līdzīgas kristālu struktūras un ideālas īpašības saules baterijām, ieskaitot garus eksitonu difūzijas garumus, nesēja mobilitāti un saderīgus absorbcijas spektrus.
RAŽOŠANA
Tradicionālās daudzsavienotās III-V šūnas ir saliktas epitaksiālā monolītā kaudzē ar apakššūnām virknē savienotu caur tuneļa krustojumiem. Konstruējot daudzsavienotas šūnas monolītā kaudzē, rodas materiālu ierobežojumi, un šādu ierīču izgatavošana ir atvieglota, ja atsevišķiem apakššūnu slāņiem ir saderīgas atomu režģa pozīcijas un tie ir saderīgi ar režģi. Šī režģa saskaņošanas priekšrocība ir iemesls, kāpēc Ge, kas ir režģis, kas pieskaņots dažiem III-V sakausējumiem, tradicionāli tiek izmantots kā substrāts un šaurās joslas atstarpes šūna MJ. Režģu saderības ierobežojumus var pārvarēt ar papildu sarežģītību, izmantojot vafeļu savienošanu vai metamorfa bufera slāņus.
Tuneļa krustojuma slāni veido ļoti leģētu p ++ un n ++ slāņu saskarne. Šo slāņu mijiedarbības rezultātā rodas telpiski šaurs telpas lādēšanas reģions, kas ļauj strāvai plūst starp apakššūnām. Slāņus ar augstu joslu plakni, kas pazīstami kā logu slāņi un aizmugures virsmas lauki, var pievienot pasivētiem virsmas stāvokļiem saskarnē starp apakššūnu un tuneļa krustojumu, kas, ja tos neatrodē, var notvert nesējus un paātrināt rekombināciju.
Ja apakššūnas ir savienotas virknē, apakššūna, kas vada mazāko strāvu, ierobežo maksimālo strāvu, kas var plūst caur ierīci. Tāpēc jāpieliek ievērojamas pūles, lai noregulētu apakššūnu strāvu. Luminiscences savienojums starp apakššūnām var atvieglot dažas pašreizējām prasībām atbilstošās konstrukcijas.
III-V daudzsavienojumu saules baterijas var izgatavot, izmantojot molekulārā staru epitaksijas (MBE) metodes, bet izgatavošana lielos metālorganisko ķīmisko tvaiku pārklājuma (MOCVD) reaktoros ir raksturīga GaInP / GaInAs / Ge ierīču komerciālai ražošanai. Slāņus var audzēt no trimetilgallija (Ga (CH3) 3), trimetilindija (InC3H9), arsīna (AsH3) un fosfīna (PH3) ūdeņraža nesējgāzē, izmantojot tādas palīgvielas kā ūdeņraža selenīds (H2Se), silāns (SiH6), un dietilcinks ((C2H5) 2Zn). Koncentrējošās optikas izmantošana ļauj atsevišķām šūnām būt diezgan mazām - reizēm tik mazām kā zīmuļa gala lielumam. Tādēļ šie paņēmieni ļauj simtiem saules bateriju audzēt atsevišķās partijās. Tiek veikti pētījumi, lai vēl vairāk samazinātu šūnu izmēru un palielinātu to šūnu skaitu, kuras var audzēt no viena vafeļa, un tas palīdzēs samazināt vienas šūnas izmaksas.
