Солнечный элемент с несколькими соединениями

черного света Тест на солнечных галлью с тройным соединением галлиевого арсенида элементах

с несколькими соединениями ( MJ ) Солнечные элементы представляют собой солнечные элементы с множественными p-N-соединениями, изготовленными из разных полупроводниковых материалов . ПН -соединение каждого материала будет производить электрический ток в ответ на различные длины волны света . Использование множества полупроводниковых материалов позволяет поглощать более широкий диапазон длин волн, улучшая солнечный свет к ячейке до эффективности преобразования электрической энергии.

Традиционные однодневные ячейки имеют максимальную теоретическую эффективность 33,16%. Теоретически, бесконечное количество соединений будет иметь ограничивающую эффективность 86,8% под высококонцентрированным солнечным светом.

По состоянию на 2024 год лучшие лабораторные примеры традиционного кристаллического кремния (C-Si) солнечных батарей имели эффективность до 27,1%, В то время как лабораторные примеры мульти-соединительных ячеек продемонстрировали производительность более 46% при концентрированном солнечном свете. Коммерческие примеры тандемных клеток широко доступны при 30% под председательством в одном зрелище, и улучшить до 40% под концентрированным солнечным светом. Тем не менее, эта эффективность повышается за счет увеличения сложности и производственной цены. На сегодняшний день их более высокая цена и более высокое соотношение цены к производительности ограничивали их использование специальными ролями, особенно в аэрокосмической промышленности их высокое соотношение мощности к весу , где желательно . В наземных применениях эти солнечные элементы появляются в фотоэлектрических концентраторах (CPV), но не могут конкурировать с солнечными панелями с одним соединением, если не требуется более высокая плотность мощности.

Методы изготовления тандем были использованы для повышения производительности существующих дизайнов. В частности, метод может быть применен к низкому затрат на тонкопленочные солнечные элементы с использованием аморфного кремния , в отличие от обычного кристаллического кремния, для получения клетки с примерно 10% эффективностью, которая является легкой и гибкой. Этот подход использовался несколькими коммерческими поставщиками, Но эти продукты в настоящее время ограничены определенными нишевыми ролями, такими как кровельные материалы.

Описание

Основы солнечных батарей

Рисунок А. Полосная диаграмма иллюстрация фотоэлектрического эффекта . Фотоны дают свою энергию электронам в истощении или квазитетральных областях. Они перемещаются от валентной полосы к группе проводимости . В зависимости от местоположения, электроны и отверстия ускоряются с помощью E _{-дрейфа} , который дает генеральный фототок или E _Scatt , который дает рассеяние фототока.

Традиционные фотоэлектрические клетки обычно состоят из легированного кремния с металлическими контактами, нанесенными сверху и снизу. Допинг обычно применяется к тонкому слою на вершине ячейки, создавая соединение PN с определенной энергией полосыеги e _G. ,

Фотоны, которые достигли вершины солнечного элемента, либо отражаются, либо передаются в ячейку. Переданные фотоны имеют потенциал, чтобы дать свою энергию Hν , электрону , если Hν ≥ E _G , генерируя электронную пару . В области истощения дрейф-электрический поля E _{ускоряет} как электроны, так и отверстия в их соответствующих регионах N-легированных и легированных P (вверх и вниз, соответственно). Полученный ток I _G называется сгенерированным фототоком . В квази-нейтральной области рассеянное электрическое поле E _-SCATT ускоряет отверстия (электроны) в направлении PS-легированной (N-легированной) области, которая дает рассеяние фототока I _PSCATT ( I _NSCATT ). Следовательно, из -за накопления зарядов появляется потенциал V и фототока I _PH . Выражение для этого фототока получается путем добавления образования и рассеяния фототоков: i _ph = i _g + i _nscatt + i _pscatt .

Характеристики СП ( J представляет собой плотность тока, то есть ток на единицу площади) солнечного элемента под освещением получен путем смещения СП характеристик диода в темноте вниз по I _PH . Поскольку солнечные элементы предназначены для подачи мощности, а не поглощают ее, мощность p = vi _pH должна быть отрицательной. Следовательно, эксплуатационная точка ( V _M , J _M ) расположена в области, где V > 0 и I _PH <0 , и выбрана для максимизации абсолютного значения мощности | P |.

Механизмы потерь

Ограничение Shockley -quiesser для эффективности солнечного элемента с одним соединением. По сути, для солнечного элемента с одним соединением под неконцентрированным солнечным светом иметь более ~ 34% эффективность. Однако ячейка с несколькими соединениями может превышать этот предел.

Теоретические показатели солнечного элемента впервые были подробно изучены в 1960 -х годах и сегодня известно как ограничение Shockley -quiesser . Ограничение описывает несколько механизмов потерь, которые присущи любой конструкции солнечных батарей.

Во -первых, это потери, вызванные излучением черного тела , механизм потерь, который влияет на любой материальный объект выше абсолютного нуля . В случае солнечных элементов при стандартной температуре и давлении эта потеря составляет около 7% мощности. Второй - это эффект, известный как «рекомбинация», где электроны, созданные фотоэлектрическим эффектом, соответствуют электронным отверстиям, оставленным в результате предыдущих возбуждений. В кремнии это составляет еще 10% мощности.

Тем не менее, механизм доминирующей потери является неспособностью солнечного элемента извлекать всю мощность в свете , и связанная с этим задача, которую он вообще не может извлечь какую -либо силу из определенных фотонов. Это связано с тем, что у фотонов должно быть достаточно энергии, чтобы преодолеть полосовую сетку материала.

Если у фотона меньше энергии, чем в полосе, он вообще не собирается. Это является основным фактором для обычных солнечных элементов, которые не чувствительны к большинству инфракрасного спектра, хотя это представляет почти половину мощности, исходящей от солнца. И наоборот, фотоны с большим количеством энергии, чем полосатый, говорят синий свет, первоначально выбросит электрон в состояние, высоко над полосой, но эта дополнительная энергия теряется благодаря столкновениям в процессе, известном как «расслабление». Эта потерянная энергия превращается в тепло в ячейке, которая обладает побочным эффектом дальнейшего увеличения потерь черного тела.

Сочетание всех этих факторов, максимальная эффективность для однополосного материала, таких как обычные кремниевые клетки, составляет около 34%. То есть 66% энергии в солнечном свете, попавшей в ячейку, будут потеряны. Практические проблемы еще больше уменьшают это, особенно отражение от передней поверхности или металлических терминалов, с современными высококачественными клетками примерно 22%.

Нижняя, также называемая более узкими, материалы для полосовой зоны, преобразуют более длинную длину волны, более низкие энергии фотонов. Более высокие или более широкие материалы для полосовой зоны будут преобразовать более короткую длину волны, более высокий энергия. Анализ спектра AM1.5 показывает, что лучший баланс достигается примерно на 1,1 эВ (около 1100 нм, в ближнем инфракрасном), который очень близок к естественной полосовой зоне в кремнии и ряде других полезных полупроводников.

Многообразные ячейки

Клетки, изготовленные из нескольких слоев материалов, могут иметь несколько полосовых отверстий и поэтому будут реагировать на множественные длина волн света, захватывая и преобразовав часть энергии, которая в противном случае будет потеряна для релаксации, как описано выше.

Например, если у одной была ячейка с двумя полосами в ней, одна настраиваемая на красный свет, а другой-зеленый, то дополнительная энергия зеленого, голубого и синего света будет потеряна только для полосы зеленого материала, В то время как энергия красного, желтый и апельсин будет потерян только в полосовой полосе красного чувствительного материала. Следуя анализу, аналогично тем, которые выполняются для однополосных устройств, можно продемонстрировать, что идеальные запрещенные отверстия для устройства с двумя залогами составляют 0,77   эВ и 1,70   эВ.

Удобно, что свет определенной длины волны не сильно взаимодействует с материалами, которые имеют большую полос. Это означает, что вы можете создать мульти-соединительную ячейку, накладывая различные материалы друг на друга, самые короткие длины волн (самая большая полосатая сетка) на «топ» и увеличиваясь через тело клетки. Поскольку фотоны должны проходить через ячейку, чтобы достичь правильного слоя, который будет поглощен, прозрачные проводники должны использоваться для сбора электронов, генерируемых на каждом слое.

Рисунок C. (а) Структура солнечного элемента MJ. Существует шесть важных типов слоев: перекрестки PN, слои на задней поверхности (BSF), оконные слои, туннельные соединения, антирефлютивное покрытие и металлические контакты. (b) График спектрального излучения E против длины волны λ в солнечном спектре AM 1.5 вместе с максимальной эффективностью преобразования электроэнергии для каждого соединения в зависимости от длины волны.

Производство тандемной ячейки не является легкой задачей, в основном из -за тонкости материалов и трудностей, извлекая ток между слоями. Легкое решение состоит в том, чтобы использовать два механически отдельных тонкоплентных солнечных элементов , а затем провести их вместе отдельно вне ячейки. Этот метод широко используется солнечными элементами аморфного кремния , Uni-Solar продукты используют три таких слоя для достижения эффективности около 9%. Лабораторные примеры с использованием более экзотических тонкопленочных материалов продемонстрировали эффективность более 30%.

Более сложным решением является «монолитно интегрированная» ячейка, где ячейка состоит из ряда слоев, которые механически и электрически связаны. Эти клетки гораздо сложнее продуцировать, потому что электрические характеристики каждого слоя должны быть тщательно сопоставлены. В частности, фотооток, генерируемый в каждом слое, должен быть сопоставлен, иначе электроны будут поглощаться между слоями. Это ограничивает их строительство определенными материалами, которые лучше всего встречаются полупроводниками III - V.

Материал выбор

Выбор материалов для каждой суб-клеток определяется требованиями для сопоставления решетки, сопоставления тока и высокопроизводительных оптоэлектронных свойств.

кристаллической решетки Для оптимального роста и полученного качества кристаллов константа каждого материала должна быть тесно сопоставлена, что приводит к устройствам, соответствующим решетке. Это ограничение было несколько расслаблено в недавно разработанных метаморфических солнечных элементах , которые содержат небольшую степень несоответствия решетки. Тем не менее, большая степень несоответствия или других недостатков роста может привести к дефектам кристаллов, вызывая деградацию в электронных свойствах.

Поскольку каждая субэлема подключена к электрической степени последовательно, один и тот же ток протекает через каждый соединение. Материалы упорядочены с уменьшением полосовой зоны , E _G , позволяя подключить свет ( HC /λ < EE _G ) для передачи в нижние подэлементы. Поэтому необходимо выбрать подходящие полосовые вершины таким образом, чтобы спектр проектирования уравновесил текущую генерацию в каждом из подэлементов, достигая тока. Рисунок C (B) графики спектрального излучения E (λ), которая является плотностью источника мощности на заданной длине волны λ. Он построен вместе с максимальной эффективностью преобразования для каждого соединения в зависимости от длины волны, которая напрямую связана с количеством фотонов, доступных для преобразования в фототокура.

Наконец, слои должны быть электрически оптимальными для высокой производительности. Это требует использования материалов с сильными коэффициентами поглощения α (λ), высоким уровнем жизни меньшинства τ _{меньшинства} и высокой подвижностью μ.

Благоприятные значения в таблице ниже оправдывают выбор материалов, обычно используемых для солнечных элементов с несколькими соединениями: ganap для верхней суб-клеток ( e _g = 1,8–1,9   эВ), Ingaas для средней субэлемы ( e _g = 1,4   EV) и германия для нижней суб-клеток ( E _G = 0,67   эВ). Использование GE в основном связано с его постоянной решеткой, надежностью, низкой стоимостью, изобилием и простотой производства.

Поскольку различные слои тесно связаны с решеткой, в изготовлении устройства обычно используется металлическое осаждение химического пара (MOCVD). Этот метод предпочтительнее эпитаксии молекулярного луча (MBE), потому что он обеспечивает высокое качество кристаллов и крупномасштабное производство.

Материал	E G. (этот)	а (нм)	Поглощение, в λ = 0,8   мкм (1/мкм)	μ n (см 2 /V·s)	τ p (μs)	Твердость (Mohs)	а (мкм/К)	С (РС)
C-si	1.12	0.5431	0.102	1400	1	7	2.6	0.1–60
Узкий	1.86	0.5451	2	500	–	5	5.3	50
Газ	1.4	0.5653	0.9	8500	3	4–5	6	50
Гей	0.65	0.5657	3	3900	1000	6	7	1000
Поступок	1.2	0.5868	30	1200	–	–	5.66	100–1000

Структурные элементы

Металлические контакты

Металлические контакты представляют собой электроды с низким сопротивлением , которые вступают в контакт с полупроводниковыми слоями. Они часто алюминиевые . Это обеспечивает электрическое соединение с нагрузкой или другими частями массива солнечных элементов. Они обычно находятся на двух сторонах клетки. И важны быть на задней стороне, чтобы затенение на поверхности освещения уменьшалось.

Анти-рефлексивное покрытие

Анти-рефлютивное (AR) покрытие обычно состоит из нескольких слоев в случае солнечных элементов MJ. Верхний AR -слой обычно имеет текстовую поверхность NaOH с несколькими пирамидами , чтобы увеличить коэффициент передачи T , захватывание света в материале (потому что фотоны не могут легко достать структуру MJ из -за пирамид) и, следовательно, длины пути фотонов в материале. С одной стороны, толщина каждого AR -слоя выбирается, чтобы получить разрушительные помехи. Следовательно, коэффициент отражения R уменьшается до 1%. В случае двух слоев AR L ₁ (верхний слой, обычно SIO
₂ ) и L ₂ (обычно tio
₂ ), должно быть $n_{\text{L2}}=n_{\text{AlInP}}^{\frac {1}{2}}n_{\text{L1}}$ иметь одинаковые амплитуды для отраженных полей и N _L1 D _L1 = 4λ _мин . N _L2 D _L2 = λ _Мин /4, чтобы иметь противоположную фазу для отраженных полей. С другой стороны, толщина каждого AR -слоя также выбирается для минимизации отражения на длине волн, для которых фототок является самым низким. Следовательно, это максимизирует J _SC , соответствующие токам трех подкел. В качестве примера, поскольку ток, генерируемый нижней ячейкой, больше, чем токи, генерируемые другими клетками, толщина слоев AR регулируется таким образом, чтобы инфракрасная (IR) прохождение (которая соответствует нижней ячейке) разлагается, в то время как ультрафиолетовое Передача (которая соответствует верхней ячейке) обновлена. В частности, покрытие AR очень важно на низких длинах волн, потому что без него t будет сильно уменьшено до 70%.

Туннельные перекрестки

Рисунок D: Слои и диаграмма полосы туннельного соединения. Поскольку длина области истощения является узкой, а полоса высока, электроны могут туннель.

Основная цель туннельных соединений состоит в том, чтобы обеспечить низкое электрическое сопротивление и оптически низкого уровня связи между двумя подэлементами. Без этого P-лечебная область верхней ячейки была бы непосредственно связана с N-легированной областью средней ячейки. Следовательно, переход PN с противоположным направлением к другим появится между верхней ячейкой и средней ячейкой. Следовательно, фотоэлектрическое образование было бы ниже, чем если бы не было паразитического диода . Чтобы уменьшить этот эффект, используется туннельный соединение. Это просто широкая полоса, очень легированный диод. Высокое допинг уменьшает длину области истощения, потому что

$l_{\text{depl}}={\sqrt {{\frac {2\epsilon (\phi _{0}-V)}{q}}{\frac {N_{\text{A}}+N_{\text{D}}}{N_{\text{A}}N_{\text{D}}}}}}$

Следовательно, электроны могут легко туннель через область истощения. Характеристика СП для туннельного соединения очень важна, потому что он объясняет, почему туннельные соединения могут быть использованы, чтобы иметь низкое электрическое сопротивление между двумя соединениями PN. На рисунке D показаны три разные области: туннельная область, область отрицательного дифференциального сопротивления и область тепловой диффузии. Область, где электроны могут туннель через барьер, называется туннельной областью. Там напряжение должно быть достаточно низким, чтобы энергия некоторых электронов, которые туннелируют, равна энергии, доступных на другой стороне барьера. Следовательно, плотность тока через туннельный соединение высока (с максимальным значением $J_{P}$, плотность пикового тока) и наклон вблизи начала координат, поэтому крутой. Затем сопротивление чрезвычайно низкое и, следовательно, напряжение тоже. Вот почему туннельные соединения идеально подходят для соединения двух PN -соединений без падения напряжения. Когда напряжение выше, электроны не могут преодолеть барьер, поскольку энергетические состояния больше не доступны для электронов. Следовательно, плотность тока уменьшается, и дифференциальное сопротивление является отрицательным. Последняя область, называемая области тепловой диффузии, соответствует характеристике СП для обычного диода:

$J=J_{S}\left(\exp \left({\frac {qV}{kT}}\right)-1\right)$

Чтобы избежать восстановления спектаклей солнечных элементов MJ, туннельные соединения должны быть прозрачными к длине волн, поглощенной следующей фотоэлектрической ячейкой, средней клеткой, то есть e _gtunnel > e _gmiddlecell .

Улонный слой и поле на задней поверхности

Рисунок E: (а) Слои и диаграмма полосовой диаграммы окна слоя. Поверхностная рекомбинация уменьшается. (б) Слои и диаграмма полосы слоя BSF. Разброс носителей уменьшается.

Учебный слой используется для уменьшения скорости рекомбинации . поверхности Точно так же слой поля задней поверхности (BSF) уменьшает рассеяние носителей в направлении туннельного соединения. Структура этих двух слоев одинакова: это гетеропереход , которая ловит электроны (отверстия). Действительно, несмотря на электрическое поле E _D , они не могут прыгать над барьером, сформированным гетеропереходом, поскольку у них недостаточно энергии, как показано на рисунке E., следовательно, электроны (отверстия) не могут рекомбинировать отверстиями (электронами) и не могут диффундировать через барьер. Кстати, слои окна и BSF должны быть прозрачными до длины волн, поглощенных следующим соединением PN; т.е. e _gwindow > e _Gemitter и e _gbsf > e _Gemitter . Кроме того, константа решетки должна быть близко к тому, что из ganap, и слой должен быть высоко легирован ( n ≥ 10 ¹⁸  см ⁻³ ).

СП

В стопке двух ячеек, где радиационное соединение не происходит, и где каждая из СП -характеристический имеет ячейки

$J={\frac {1}{2}}\left(J_{\text{SC,1}}+J_{\text{SC,2}}\right)-{\sqrt {{\frac {1}{4}}{\Delta J_{\text{SC}}}^{2}+J_{0}^{2}\mathrm {e} ^{\frac {qV}{kT}}}},$

где $J_{\text{SC,1}}$ и $J_{\text{SC,2}}$ это токи короткого замыкания отдельных ячеек в стеке, $\Delta J_{\text{SC}}$ это разница между этими токами короткого замыкания и $J_{0}^{2}=J_{\mathrm {0,1} }J_{\mathrm {0,2} }$ является продуктом тепловых токов рекомбинации двух ячеек. Обратите внимание, что значения, вставленные как для токов коротких замыканий, так и токов термической рекомбинации, являются значениями, измеренными или рассчитанными для ячеек, когда они помещаются в стек с несколькими функциями (а не значения, измеренные для отдельных соединений соответствующих типов клеток.) ​​СП -характер Для двух идеальных (работающих в радиационном пределе) ячейки, которым разрешено обменять свечение, и, таким образом, радиативно связаны, дается

$J={\frac {1}{2}}\left(J_{\text{SC,1}}+J_{\text{SC,2}}\right)+{\frac {1}{2}}T^{-}\Delta J_{\text{SC}}-\left(1-T^{+}\right){\sqrt {{\frac {1}{4}}{\Delta J_{\text{SC}}}^{2}+{\tilde {J}}_{0}^{2}\mathrm {e} ^{\frac {qV}{kT}}}}.$

Здесь параметры $T^{-}$ и $T^{+}$ являются коэффициентами переноса, которые описывают обмен фотонами между ячейками. Коэффициенты переноса зависят от показателя преломления клеток. ${\tilde {J}}_{0}^{2}$ Также зависят от показателя преломления ячеек. Если клетки имеют такой же показатель преломления $n_{\text{r}}$, затем ${\tilde {J}}_{0}^{2}=\left(1+2n_{\text{r}}^{2}\right)\left(J_{0,2}+2n_{\text{r}}^{2}J_{0,1}\right)J_{0,1}$.

Для максимальной эффективности каждая подселла должна работать с его оптимальными параметрами СП, которые не обязательно равны для каждой подселл. Если они разные, общий ток через солнечный элемент является самым низким из трех. По приближению, Это приводит к той же взаимосвязи для тока короткого замыкания солнечного элемента MJ: j _sc = min ( j _sc1 , j _sc2 , j _sc3 ), где j _{sc i} (λ)-плотность тока короткого замыкания на заданной длине волны λ для субселл i .

Из -за невозможности получить J _SC1 , J _SC2 , J _SC3 квантовая эффективность QE непосредственно из общей характеристики СП, используется (λ). Он измеряет соотношение между количеством созданных электрон-лучевых пар и падающими фотонами на заданной длине волны λ. Пусть φ _I (λ) - поток фотонов соответствующего падающего света в подселле I и QE _I (λ) - квантовая эффективность подцелью i . По определению, это приравнивается к:

$QE_{i}(\lambda )={\frac {J_{{\text{SC}}i}(\lambda )}{q\phi _{i}(\lambda )}}\Rightarrow J_{{\text{SC}}i}=\int _{0}^{\lambda 2}q\phi _{i}(\lambda )QE_{i}(\lambda )\,d\lambda$

Ценность $QE_{i}(\lambda )$ получается путем связывания с коэффициентом поглощения $\alpha (\lambda )$, т.е. количество фотонов, поглощенных на единицу длины материалом. Если предполагается, что каждый фотон, поглощенный подэлементом, создает электрон/отверстия (что является хорошим приближением), это приводит к:

$QE_{i}(\lambda )=1-e^{-\alpha (\lambda )d_{i}}$ где D _I - толщина подцелью I и $e^{-\alpha (\lambda )d_{i}}$ это процент падающего света, который не поглощается подцелью i .

Точно так же, потому что

$V=\sum _{i=1}^{3}V_{i}$, можно использовать следующее приближение: $V_{\text{OC}}=\sum _{i=1}^{3}V_{{\text{OC}}i}$.

Значения $V_{{\text{OC}}i}$ затем задаются уравнением диода СП:

$J_{i}=J_{0i}\left(e^{\frac {qV_{i}}{kT}}-1\right)-J_{{\text{SC}}i}\Rightarrow V_{{\text{OC}}i}\approx {\frac {kT}{q}}\ln \left({\frac {J_{{\text{SC}}i}}{J_{0i}}}\right)$

Теоретическое ограничение эффективности

Мы можем оценить ограничивающую эффективность идеальных бесконечных солнечных элементов, с использованием графического анализа квантовой эффективности (QE), изобретенного CH Henry. Чтобы полностью воспользоваться методом Генри, единица спектрального излучения AM1.5 должна быть преобразована в поток фотонов (т.е. количество фотонов/м ² · С). Для этого необходимо провести промежуточное преобразование единицы из мощности электромагнитного излучения, падающего на единицу площади на энергию фотона в потоку фотонов на энергию фотонов (т.е. от [W/M ² · EV] к [количество фотонов/м ² · S · EV]). Для этого промежуточного преобразования единицы необходимо рассмотреть следующие точки: фотон обладает особой энергией, которая определяется следующим образом.

(1): e _ph = hf = h ( c / λ)

где e _ph - энергия фотона, H является постоянной Планка ( H = 6,626 × 10 ⁻³⁴ [J ∙ S]), C - скорость света ( C = 2,998 × 10 ⁸ [m/s]), f частота [1/s], а λ - длина волны [нм].

Затем поток фотонов на энергию фотонов, d n _ph /d h ν, относительно определенного излучения E [W /M ² · EV] может быть рассчитано следующим образом.

(2): ${\frac {dn_{\text{ph}}}{dhv}}={\frac {E}{E_{\text{ph}}}}={\frac {E}{\frac {hc}{\lambda }}}\,$ = До [w / m ² ∙ EV] × λ [нм]/(1998 × 10 ⁻²⁵ [J ∙ S ∙ м/с]) = E λ × 5,03 × 10 ¹⁵ [(нет. фотонов)/m ² ∙s∙eV]

В результате этого промежуточного преобразования единичной единицы спектральное излучение AM1.5 приводится в единице потока фотонов на энергию фотона [нет. фотонов/м ² · S · EV], как показано на рисунке 1.

• 
  Рисунок 1. Фотонный поток на энергию фотона из стандартного спектра солнечной энергии (AM 1,5).

Основываясь на вышеуказанном результате преобразования промежуточного блока, мы можем вывести поток фотонов, численно интегрируя поток фотонов на энергию фотона по отношению к энергии фотона. Численно интегрированный поток фотонов рассчитывается с использованием трапециевидного правила, следующим образом.

(3): $n_{\text{ph}}(E_{g})=\int _{E_{\text{g}}}^{\infty }{\frac {dn_{\text{ph}}}{dhv}}\,dhv=\sum _{i=E_{\text{g}}}^{\infty }(hv_{i+1}-hv_{i}){\frac {1}{2}}\left[{\frac {dn_{\text{ph}}}{dhv}}(hv_{i+1})+{\frac {dn_{\text{ph}}}{dhv}}(hv_{i})\right]\,$

В результате этой численной интеграции спектральное излучение AM1.5 приводится в единице потока фотонов [количество фотонов/м2/с], как показано на рисунке 2.

• 
  Рисунок 2. Поток фотонов из стандартного спектра солнечной энергии (AM 1,5).

Нет данных по потоку фотонов в малых диапазонах энергии фотонов 0–0,3096   эВ, поскольку стандартный (AM1.5) Спектр солнечной энергии для H ν <0,31   эВ недоступен. Независимо от этих данных недоступности, графический анализ QE может быть сделан с использованием единственных доступных данных с разумным предположением, что полупроводники являются непрозрачными для энергий фотонов, превышающих их энергию в полосовой зоне, но прозрачные для энергий фотонов меньше, чем энергия для их полос. Это предположение объясняет первую внутреннюю потерю в эффективности солнечных элементов, что вызвано неспособностью солнечных элементов с одним соединением должным образом соответствовать широкому спектру солнечной энергии. Однако текущий графический анализ QE по -прежнему не может отражать вторую внутреннюю потерю в эффективности солнечных элементов, радиационной рекомбинации. Чтобы принять во внимание радиационную рекомбинацию, нам необходимо оценить плотность излучения тока, J _RAD , во -первых. Согласно методу Shockley и Queisser,

J _RAD может быть аппроксимирован следующим образом.

(4): $J_{\text{rad}}=A\exp \left({\frac {eV-E_{\text{g}}}{kT}}\right)\,$

(5): $A={\frac {2\pi \,\exp \left(n^{2}+1\right)E_{\text{g}}^{2}kT}{h^{3}c^{2}}}\,$

где e _g находится в электронном вольт, а n оценивается как 3,6, значение для GaAs. Инцидент, поглощенный термическим излучением j _, дается J _RAD с V = 0.

(6): $J_{th}=A\exp \left({\frac {-E_{\text{g}}}{kT}}\right)\,$

Плотность тока, доставленная на нагрузку, представляет собой разность плотности тока из -за поглощенного солнечного и теплового излучения и плотности тока излучения, излученной с верхней поверхности или поглощенной в подложке. Определение j _ph = en _ph , у нас

(7): j = j _ph + j _th - j _rad

Второй термин, TH _, незначительна по сравнению с J _PH для всех полупроводников с E _G ≥ 0,3   эВ, как можно показать путем оценки вышеупомянутого J. _{уравнения} J Таким образом, мы пренебрегаем этим термином, чтобы упростить следующее обсуждение. Тогда мы можем выразить J следующим образом.

(8): $J=en_{\text{ph}}-A\exp \left({\frac {eV-E_{\text{g}}}{kT}}\right)\,$

Напряжение с открытым кругом обнаруживается путем настройки j = 0.

(9): $eV_{\text{OC}}=E_{\text{g}}-kT\ln \left({\frac {A}{en_{\text{ph}}}}\right)\,$

Максимальная точка питания ( J _M , V _M ) обнаруживается путем установки производной ${\frac {dJV}{dV}}\,=0$Полем Знакомый результат этого расчета

(10): $eV_{\text{m}}=eV_{\text{OC}}-kT\ln \left(1+{\frac {eV_{\text{m}}}{kT}}\right)\,$

(11): $J_{\text{m}}={\frac {en_{\text{ph}}}{1+kT/eV_{\text{m}}}}\,$

Наконец, максимальная работа ( w _m ) выполняется за поглощенный фотон, Wm определяется

(12): $W_{\text{m}}={\frac {J_{\text{m}}V_{\text{m}}}{n_{\text{ph}}}}\,={\frac {eV_{\text{m}}}{1+kT/eV_{\text{m}}}}\,=eV_{\text{m}}-kT$

Сочетая последние три уравнения, мы

(13): $W_{\text{m}}=E_{\text{g}}-kT\left[\ln \left({\frac {A}{en_{\text{ph}}}}\right)+\ln \left(1+{\frac {eV_{\text{m}}}{kT}}\right)+1\right]\,$

Используя приведенное выше уравнение, W _M (красная линия) нанесен на рисунок 3 для различных значений e _g (или n _pH ).

• 
  Рисунок 3. Максимальная работа идеальной бесконечной многооттеснкой солнечных элементов под стандартным спектральным излучением AM1.5.

Теперь мы можем полностью использовать графический анализ QE Генри с учетом двух основных внутренних потерь в эффективности солнечных элементов. Двумя основными внутренними потери являются радиационная рекомбинация, а неспособность одиночных соединений солнечных элементов правильно соответствовать широкому спектру солнечной энергии. Заштрихованная область под красной линией представляет максимальную работу, выполненную идеальными бесконечными солнечными элементами. Следовательно, ограничивающая эффективность идеальных бесконечных солнечных элементов с несколькими соединениями оценивается как 68,8% путем сравнения заштрихованной области, определенной красной линией с общей областью фотонного потока, определенной черной линией. (Вот почему этот метод называется «графическим» анализом QE.) Хотя это ограничивающее значение эффективности согласуется со значениями, опубликованными Parrott и VOS в 1979 году: 64% и 68,2% соответственно, Существует небольшой разрыв между оценочным значением в этом отчете и значениями литературы. Эта незначительная разница, скорее всего, связана с различными способами, как аппроксимировать поток фотонов в течение 0–0,3096   эВ. Здесь мы аппроксимировали поток фотонов как 0–0.3096   эВ, как и поток фотонов при 0,31   эВ.

Материалы

Большинство мульти соединений, которые были произведены на сегодняшний день, используют три уровня (хотя многие модули Tandem A-SI: H/MC-Si были получены и широко доступны). Тем не менее, клетки с тройным соединением требуют использования полупроводников, которые могут быть настроены на определенные частоты, что привело к тому, что большинство из них изготовлены из соединений арсенида галлия (GAAS), часто германия для нижнего, гаара для среднего и и GAINP ₂ для верхних клеток.

Арсенид галлия

Двойные соединительные клетки могут быть сделаны на пластинах арсенида галлия. Сплавы галлия диапазоне _. в _в фосфида _{индиевого} ​ _​ ​Этот диапазон сплава предусматривает возможность иметь полосовые пробелы в диапазоне 1,92–1,87   эВ. Нижний соединение Гаас имеет полосовую сплу 1,42   эВ.

Германия субстрат

Клетки с тройным соединением, состоящие из фосфида индий -галлия (IngAP), арсенида галлия (GAAS) или арсенида индий -галлия (IngAAS) и германии (GE), могут быть изготовлены на германиях. Ранние клетки использовали прямой арсенид галлия в среднем соединении. Более поздние клетки использовались в _0,015 GA _0,985 , поскольку из -за лучшего соответствия решетки с GE, что приводит к более низкой плотности дефекта.

Из -за огромной разницы в лентах между GAAS (1,42   эВ) и GE (0,66   эВ) текущее совпадение очень плохое, причем соединение GE работает значительно тока Limited.

Текущая эффективность коммерческих клеток ganap/gaas/ge подходит к 40% при концентрированном солнечном свете. Лабораторные ячейки (частично с использованием дополнительных соединений между GAAS и GE -соединением) продемонстрировали эффективность выше 40%.

Индийфосфид подложка

Фосфид индия может использоваться в качестве субстрата для изготовления клеток с полосовыми промежутками от 1,35   эВ до 0,74   эВ. Индийфосфид имеет полосовую плату 1,35   эВ. Арсенид индий -галлия (в _0,53 GA _0,47 As) - это решетка, сопоставленная с фосфидом индия с полосой 0,74   эВ. Четвертичный сплав фосфида арсенида индий -галлия может соответствовать решетке для любой зоны запрещенной зоны между ними.

Клетки на основе фосфида индия могут работать в тандеме с клетками арсенида галлия. Две ячейки могут быть оптически связаны последовательно (с ячейкой INP под ячейкой GAAS) или параллельно с помощью расщепления спектров с использованием дихроичного фильтра .

Подложка нитрида нитрий индий

Нитрид индий -галлия (Ingan) представляет собой полупроводниковый материал, изготовленный из смесь нитрида галлия (GAN) и нитрида индия (гостиница). Это тройная группа с прямым полосой группы III - V. Его полосатая складка может быть настроена путем изменения количества индий в сплаве от 0,7 эВ до 3,4 эВ, что делает его идеальным материалом для солнечных элементов. Тем не менее, эффективность его преобразования из -за технологических факторов, не связанных с полосой, все еще недостаточно высока, чтобы быть конкурентоспособными на рынке.

Улучшение производительности

Структура

Многие фотоэлектрические клетки MJ используют III - V. полупроводниковые материалы Гетеропереходные туннельные диоды на основе GAASSB вместо обычных диодов с высоким содержанием легированных туннелей, описанных выше, имеют более низкое расстояние туннелирования. Действительно, в гетероструктуре, образованной GAASSB и Ingaas , валентная полоса GAASSB выше, чем валентная полоса соседнего уровня P-летечения. Следовательно, туннель туннеля DISTEN DISTED _{уменьшается} , и поэтому туннельный ток, который в геометрической прогрессии зависит от D _{Туннеля} , увеличивается. Следовательно, напряжение ниже напряжения, чем на соединении туннельного туннеля. Гетеропереходные диоды GAASSB предлагают другие преимущества. Тот же ток может быть достигнут с помощью более низкого допинга. Во-вторых, поскольку константа решетки больше для GAASSB, чем GE, можно использовать более широкий диапазон материалов для нижней ячейки, потому что больше материалов соответствует решетке с GAASSB, чем для GE.

Химические компоненты могут быть добавлены в некоторые слои. Добавление около одного процента индий в каждом слое лучше сочетает константы решетки различных слоев. Без этого существует около 0,08 процента несоответствия между слоями, что препятствует производительности. Добавление алюминия в верхнюю ячейку увеличивает свою полоску до 1,96   эВ, охватывая большую часть солнечного спектра и получить более высокое напряжение открытого круга V _OC .

Теоретическая эффективность солнечных элементов MJ составляет 86,8% для бесконечного количества перекрестков PN, подразумевая, что больше соединений повышают эффективность. Максимальная теоретическая эффективность составляет 37, 50, 56, 72% для 1, 2, 3, 36 дополнительных PN -соединений, соответственно, с увеличением количества соединений в геометрической прогрессии для достижения равных увеличений эффективности. Экспоненциальные отношения подразумевают, что по мере того, как клетка приближается к пределу эффективности, увеличение затрат и сложность быстро растут. Уменьшение толщины верхней ячейки увеличивает коэффициент передачи t .

Гетерослойный слой SGAP между слоем P-GE и слоем IngAAS может быть добавлен для автоматического создания слоя N-GE путем рассеяния во время роста MOCVD и значительно увеличить QE квантовой эффективности (λ) нижней ячейки. Загоньку выгоден из -за его высокого коэффициента рассеяния и низкой растворимости в GE.

В настоящее время существует несколько коммерческих (не перовскитных ) многоотправительных технологий, включая тандемы и модули с тройным и четырехкратным соединением, в которых обычно используются полупроводники III-V, с перспективной эффективностью преобразования мощности, которые конкурируют и даже превосходят контрольные солнечные клетки.

Спектральные вариации

Солнечный спектр на поверхности Земли постоянно меняется в зависимости от погоды и положения солнца. Это приводит к изменению φ (λ), QE (λ), α (λ) и, следовательно, токов короткого замыкания J _{SC i} . В результате текущие плотности J _I не обязательно сопоставлены, а общий ток становится ниже. Эти изменения могут быть количественно определены с использованием средней энергии фотона (APE), которая представляет собой отношение между спектральным излучением G (λ) (плотность мощности источника света в определенной длине волны λ) и общей плотностью потока фотонов. Можно показать, что высокое (низкое) значение для APE означает низкие (высокие) спектральные условия волн и более высокую (более низкую) эффективность. Таким образом, APE является хорошим индикатором для количественной оценки влияния вариаций солнечного спектра на характеристики и имеет дополнительное преимущество в том, что она не зависит от структуры устройства и профиля поглощения устройства.

Использование световых концентраторов

См. Также: Concentor Photovoltaics

Световые концентраторы повышают эффективность и снижают коэффициент стоимости/эффективности. Три типа световых концентраторов, используемых преломляющими линзами, такими как линзы Fresnel , отражающие блюда (параболическая или кассерайн), и легкая ориентированная оптика. Благодаря этим устройствам свет, поступающий на большую поверхность, может быть сконцентрирован на меньшей ячейке. Коэффициент концентрации интенсивности (или «солнце») - это средняя интенсивность сфокусированного света, разделенного на 1 кВт/м ² (разумное значение, связанное с солнечной постоянной ). Если его значение равно x , то ток MJ становится X выше при концентрированном освещении.

Используя концентрации на порядке от 500 до 1000, что означает, что 1 см. ² ячейка может использовать свет, собранный с 0,1   м ² (как 1   м ² Равное 10000 см ² ), производит самую высокую эффективность, которую можно увидеть на сегодняшний день. Трехслойные клетки в корне ограничены 63%, но существующие коммерческие прототипы уже продемонстрировали более 40%. Эти клетки отражают около 2/3 своей теоретической максимальной производительности, поэтому предполагая, что то же самое относится и к неконцентрированной версии того же дизайна, можно ожидать трехслойной ячейки с эффективностью 30%. Этого не хватает преимущества по сравнению с традиционными кремниевыми дизайнами, чтобы компенсировать их дополнительные производственные затраты. По этой причине практически все исследования клеток с несколькими соединениями для наземного использования посвящены системам концентратора, обычно используя зеркала или линзы Френеля.

Использование концентратора также имеет дополнительное преимущество, что количество ячеек, необходимое для покрытия заданного количества земли, значительно снижается. Обычная система, покрывающая 1   м ² потребуется 625 16 см ² Клетки, но для системы концентратора необходим только одна ячейка, вместе с концентратором. Аргумент в отношении концентрированных мульти-соединений заключается в том, что высокая стоимость самих клеток будет более чем компенсирована снижением общего количества клеток. Однако недостатком подхода концентратора является то, что эффективность очень быстро падает при более низких условиях освещения. Чтобы максимизировать свое преимущество перед традиционными ячейками и, таким образом, быть конкурентоспособной затрат, система концентратора должна отслеживать солнце, когда оно движется, чтобы держать свет, сфокусированный на клетке и поддерживать максимальную эффективность как можно дольше. Это требует солнечной системы трекеров , которая увеличивает доходность, а также стоимость.

Изготовление

По состоянию на 2014 год многоотправительные ячейки были дорогими для производства, используя методы, аналогичные полупроводниковым изготовлению устройств , обычно металлическая фаза пара фазы , но при размерах «чип» по порядку сантиметра.

Был объявлен новый метод, который позволил таким клеткам использовать подложку из стекла или стали, более дешевые пары в уменьшенных количествах, которые, как утверждалось, предлагают затраты, конкурентоспособные с обычными кремниевыми ячейками.

Сравнение с другими технологиями

Существует четыре основные категории фотоэлектрических клеток: обычные моно- и полиристаллические кремниевые клетки (C-SI), тонкоплентные солнечные клетки (A-SI, CIGS и CDTE) и солнечные элементы с несколькими соединениями (MJ). Четвертая категория, появляющаяся фотоэлектрическая фотоэлектрика , содержит технологии, которые все еще находятся на этапе исследований или разработок и не перечислены в таблице ниже.

Категории	Технология	H (%)	В OC (V)	Я sc (a)	W/m 2	Т (мкм)	Ref
Кристаллические кремниевые клетки	Монокристаллический	24.7	0.5	0.8	63	100
	Polysilicon	20.3	0.615	8.35	211	200
Тонкопленочные солнечные элементы	Аморфный кремний	11.1	0.63	0.089	33	1
	CDTE	16.5	0.86	0.029	–	5
	Сигар	19.5	–	–	–	1
Многообразные ячейки	MJ	40.7	2.6	1.81	476	140

Солнечные элементы MJ и другие фотоэлектрические устройства имеют значительные различия (см. Таблицу выше) . Физически, основное свойство солнечного элемента MJ - это более одного PN -соединения, чтобы поймать более крупный энергетический спектр фотонов, в то время как основное свойство тонкоплентного солнечного элемента - использовать тонкие пленки вместо толстых слоев, чтобы уменьшить Коэффициент экономической эффективности. По состоянию на 2010 год , Солнечные панели MJ дороже, чем другие. Эти различия подразумевают различные применения: солнечные элементы MJ предпочтительны в пространстве и солнечных элементах C-Si для наземных применений.

Национальный график лаборатории возобновляемых источников энергии с течением времени.

Эффективность солнечных элементов и солнечной технологии SI относительно стабильна, в то время как эффективность солнечных модулей и технологии многокрюн.

Измерения на солнечных элементах MJ обычно проводятся в лаборатории, используя световые концентраторы (это часто не относится к другим клеткам) и в стандартных условиях испытаний (STCS). STCS предписывает, для наземных применений спектр AM1.5 в качестве ссылки. Эта воздушная масса (AM) соответствует фиксированному положению солнца в небе 48 ° и фиксированной мощности 833   Вт/м. ² Полем Следовательно, спектральные вариации падающего света и параметров окружающей среды не учитываются в соответствии с STC.

Следовательно, производительность солнечных элементов MJ в наружной среде уступает достижению в лаборатории. Более того, солнечные элементы MJ разработаны так, что токи соответствуют STC, но не обязательно в полевых условиях. Можно использовать QE (λ) для сравнения характеристик различных технологий, но QE (λ) не содержит информации о сопоставлении токов подкель. Важной альтернативной точкой сравнения является выходная мощность на единицу площади, сгенерированной тем же падающим светом.

Приложения

По состоянию на 2010 год стоимость солнечных элементов MJ была слишком высокой, чтобы разрешить использование за пределами специализированных применений. Высокая стоимость в основном обусловлена ​​сложной структурой и высокой ценой материалов. Тем не менее, с легкими концентраторами под освещением не менее 400 солнц, солнечные батареи MJ становятся практичными.

По мере того, как материалы для многочисленных многоквартировки становятся доступными, другие приложения включают в себя инженерную инженерию для полос для микроклиматов с различными атмосферными условиями.

Клетки MJ в настоящее время используются в миссиях Mars Rover .

Окружающая среда в космосе совершенно отличается. Поскольку атмосферы нет, солнечный спектр отличается (AM0). Клетки имеют плохое совпадение тока из -за большего потока фотонов фотонов выше 1,87   эВ против таковых между 1,87   эВ до 1,42   эВ. Это приводит к слишком малому току в перекрестке GaAs и препятствует общей эффективности, так как ganap -соединение работает ниже тока MPP, а соединение GAAS работает выше тока MPP. Чтобы улучшить ток, слой ganap преднамеренно истончен, чтобы позволить дополнительным фотонам проникнуть в нижний слой GaAs.

В приложениях на наземной концентрации рассеяние синего света с помощью атмосферы уменьшает поток фотонов выше 1,87   эВ, лучше балансируя токи соединения. Частицы излучения, которые больше не отфильтрованы, могут повредить клетку. Есть два вида повреждений: ионизация и атомное смещение. Тем не менее, клетки MJ обеспечивают более высокую радиационную устойчивость, более высокую эффективность и более низкий коэффициент температуры.

Смотрите также

• Список полупроводниковых материалов
• Концентратор Photovoltaics (CVP)
• Органические фотоэлектрические ячейки
• Контактный диод
• Микроморф (тандемная клетка A-Si/μc-I)

Дальнейшее чтение

• Луке, Антонио; Hegedus, Стивен, ред. (2003). Справочник по фотоэлектрической науке и технике . Джон Уайли и сыновья . ISBN  978-0-471-49196-5 .

• Яррис, Линн (7 ноября 2011 г.). Berkeley Lab Research Sparks рекордная производительность солнечных батарей . Лоуренс Беркли Национальная лаборатория . Получено 10 декабря 2011 года . Теоретическое исследование ученых с Министерством энергетики США (DOE) Национальная лаборатория Лоуренса Беркли (Lab Berkeley) привела к рекордной эффективности преобразования солнечного света в электричество в солнечных элементах. {{cite book}}: |work= игнорируется ( помощь ) ( перепечатано в журнале R & D )