Многопереходный солнечный элемент

черным светом Испытание Dawn на основе арсенида галлия с тройным переходом солнечных элементов

Многопереходные ( МДж ) солнечные элементы — это солнечные элементы с несколькими p–n-переходами, изготовленные из различных полупроводниковых материалов . Pn-переход каждого материала будет производить электрический ток в ответ на световые волны разной длины . Использование нескольких полупроводниковых материалов позволяет поглощать более широкий диапазон длин волн, повышая эффективность преобразования солнечного света клетки в электрическую энергию.

Традиционные однопереходные элементы имеют максимальный теоретический КПД 33,16%. Теоретически бесконечное количество переходов будет иметь предельную эффективность 86,8% при высокой концентрации солнечного света.

По состоянию на 2024 год лучшие лабораторные образцы традиционных солнечных элементов из кристаллического кремния (c-Si) имели эффективность до 27,1%. в то время как лабораторные примеры многопереходных ячеек продемонстрировали производительность более 46% при концентрированном солнечном свете. Коммерческие примеры тандемных ячеек широко доступны при 30% освещении одним солнцем. и улучшаются примерно до 40% под концентрированным солнечным светом. Однако эта эффективность достигается за счет увеличения сложности и стоимости производства. На сегодняшний день их более высокая цена и более высокое соотношение цены и качества ограничивают их использование специальными функциями, особенно в аэрокосмической отрасли высокое соотношение мощности к весу , где желательно . В наземных приложениях эти солнечные элементы появляются в фотоэлектрических концентраторах (CPV), но не могут конкурировать с солнечными панелями с одним переходом, если не требуется более высокая плотность мощности.

Методы тандемного изготовления использовались для улучшения характеристик существующих конструкций. В частности, эту технологию можно применить к более дешевым тонкопленочным солнечным элементам с использованием аморфного кремния , в отличие от обычного кристаллического кремния, для производства элемента с эффективностью около 10%, который является легким и гибким. Этот подход использовался несколькими коммерческими поставщиками, но эти продукты в настоящее время ограничены определенными нишевыми функциями, такими как кровельные материалы.

Описание

Основы солнечных батарей

Рисунок A. Зонная диаграмма фотоэлектрического эффекта . Фотоны отдают свою энергию электронам в обедненных или квазинейтральных областях. Они перемещаются из валентной зоны в зону проводимости . В зависимости от местоположения электроны и дырки ускоряются за счет E _дрейфа , который дает фототок генерации , или за счет E _scatt , который дает фототок рассеяния.

Традиционные фотоэлектрические элементы обычно состоят из легированного кремния с металлическими контактами, нанесенными сверху и снизу. Легирование обычно наносится на тонкий слой в верхней части ячейки, создавая pn-переход с определенной энергией запрещенной зоны E _g .

Фотоны , попадающие на верхнюю часть солнечного элемента, либо отражаются, либо передаются в ячейку. фотоны потенциально могут отдать свою энергию hν электрону , если hν ≥ Eg _{Передаваемые} , образуя пару электрон- дырка . В области обеднения дрейфовое электрическое поле E _{ускоряет} как электроны, так и дырки по направлению к их соответствующим n-легированным и p-легированным областям (вверх и вниз соответственно). Результирующий ток I _g называется генерируемым фототоком . В квазинейтральной области рассеивающее электрическое поле E _scatt ускоряет дырки (электроны) в сторону p-легированной (n-легированной) области, что дает рассеивающий фототок I _pscatt ( I _nscatt ). Следовательно, вследствие накопления зарядов потенциал V и фототок Iф _{появляются} . Выражение для этого фототока получается сложением фототоков генерации и рассеяния: I _ph = I _g + I _nscatt + I _pscatt .

Характеристики СП ( J – плотность тока, т.е. ток на единицу площади) солнечного элемента при освещении получаются сдвигом СП характеристик диода в темноте вниз Iф _на . Поскольку солнечные элементы предназначены для подачи энергии, а не для ее поглощения, мощность P = VI _ph должна быть отрицательной. Следовательно, рабочая точка ( V _m , J _m ) расположена в области, где V > 0 и I _ph < 0 , и выбрана так, чтобы максимизировать абсолютное значение мощности | П |.

Механизмы потерь

Предел Шокли – Квайсера для эффективности однопереходного солнечного элемента. Практически невозможно, чтобы однопереходный солнечный элемент под неконцентрированным солнечным светом имел эффективность более ~34%. Однако многопереходная ячейка может превысить этот предел.

Теоретические характеристики солнечного элемента были впервые подробно изучены в 1960-х годах и сегодня известны как предел Шокли-Кейссера . Этот предел описывает несколько механизмов потерь, присущих любой конструкции солнечного элемента.

Первые - это потери из-за излучения черного тела , механизма потерь, который затрагивает любой материальный объект при температуре выше абсолютного нуля . В случае солнечных элементов при стандартной температуре и давлении эти потери составляют около 7% мощности. Второй — это эффект, известный как «рекомбинация», когда электроны, созданные в результате фотоэлектрического эффекта, встречаются с электронными дырками , оставшимися от предыдущих возбуждений. В кремнии на это приходится еще 10% мощности.

Однако доминирующим механизмом потерь является неспособность солнечного элемента извлечь всю мощность света и связанная с этим проблема, заключающаяся в том, что он вообще не может извлечь никакой энергии из определенных фотонов. Это связано с тем, что у фотонов должно быть достаточно энергии, чтобы преодолеть запрещенную зону материала.

Если энергия фотона меньше ширины запрещенной зоны, он вообще не собирается. Это важный момент для обычных солнечных элементов, которые не чувствительны к большей части инфракрасного спектра, хотя на него приходится почти половина энергии, исходящей от Солнца. И наоборот, фотоны с большей энергией, чем ширина запрещенной зоны, например синий свет, первоначально выбрасывают электрон в состояние, расположенное выше запрещенной зоны, но эта дополнительная энергия теряется в результате столкновений в процессе, известном как «релаксация». Эта потерянная энергия превращается в тепло в ячейке, что приводит к дальнейшему увеличению потерь черного тела.

С учетом всех этих факторов максимальный КПД однозонного материала, такого как обычные кремниевые элементы, составляет около 34%. То есть 66% энергии солнечного света, попадающего на клетку, будет потеряно. Практические соображения еще больше уменьшают это влияние, особенно отражение от передней поверхности или металлических клемм: современные высококачественные элементы составляют около 22%.

Материалы с более низкой запрещенной зоной, также называемые более узкими, преобразуют фотоны с большей длиной волны и меньшей энергией. Материалы с более высокой или широкой запрещенной зоной преобразуют свет с более короткой длиной волны и более высокой энергией. Анализ спектра AM1.5 показывает, что наилучший баланс достигается при энергии около 1,1 эВ (около 1100 нм в ближней инфракрасной области), что очень близко к естественной запрещенной зоне в кремнии и ряде других полезных полупроводников.

Многопереходные ячейки

Ячейки, изготовленные из нескольких слоев материала, могут иметь несколько запрещенных зон и поэтому будут реагировать на несколько длин волн света, захватывая и преобразуя часть энергии, которая в противном случае была бы потеряна на релаксацию, как описано выше.

Например, если у кого-то есть ячейка с двумя запрещенными зонами, одна настроена на красный свет, а другая на зеленый, то дополнительная энергия зеленого, голубого и синего света будет потеряна только на ширину запрещенной зоны материала, чувствительного к зеленому. в то время как энергия красного, желтого и оранжевого цветов будет потеряна только из-за ширины запрещенной зоны материала, чувствительного к красному цвету. После анализа, аналогичного анализу, проведенному для однозонных устройств, можно продемонстрировать, что идеальная ширина запрещенной зоны для двухзонного устройства составляет 0,77   эВ и 1,70   эВ.

Удобно, что свет определенной длины волны не сильно взаимодействует с материалами с большей запрещенной зоной. Это означает, что вы можете создать многопереходную ячейку, наслаивая различные материалы друг на друга, при этом самые короткие длины волн (наибольшая запрещенная зона) будут располагаться «сверху» и увеличиваться по телу ячейки. Поскольку фотоны должны пройти через ячейку, чтобы достичь нужного слоя для поглощения, прозрачные проводники необходимо использовать для сбора электронов, генерируемых на каждом слое.

Рисунок C. (a) Структура солнечного элемента MJ. Существует шесть важных типов слоев: pn-переходы, слои тыльного поверхностного поля (BSF), оконные слои, туннельные переходы, просветляющее покрытие и металлические контакты. (б) График зависимости спектральной освещенности E от длины волны λ в солнечном спектре AM 1,5 вместе с максимальной эффективностью преобразования электроэнергии для каждого перехода в зависимости от длины волны.

Изготовление тандемного элемента — непростая задача, во многом из-за тонкости материалов и трудностей вывода тока между слоями. Простое решение — использовать два механически отдельных тонкопленочных солнечных элемента , а затем соединить их отдельно снаружи элемента. Этот метод широко используется в из аморфного кремния солнечных элементах Uni-Solar . В продуктах используются три таких слоя, что позволяет достичь эффективности около 9%. Лабораторные примеры с использованием более экзотических тонкопленочных материалов продемонстрировали эффективность более 30%.

Более сложным решением является «монолитно интегрированная» ячейка, в которой ячейка состоит из нескольких слоев, которые механически и электрически связаны. Эти элементы гораздо сложнее производить, поскольку электрические характеристики каждого слоя должны быть тщательно подобраны. В частности, фототок, генерируемый в каждом слое, должен быть согласован, иначе электроны будут поглощаться между слоями. Это ограничивает их конструкцию определенными материалами, лучше всего подходящими для полупроводников III – V.

Выбор материала

Выбор материалов для каждой субэлемента определяется требованиями к согласованию решетки, согласованию по току и высоким характеристикам оптоэлектронных свойств.

Для оптимального роста и конечного качества кристаллов константа кристаллической решетки a каждого материала должна быть точно подобрана, что приводит к созданию устройств с согласованной решеткой. Это ограничение было несколько смягчено в недавно разработанных метаморфических солнечных элементах , которые имеют небольшую степень несоответствия решеток. Однако большая степень несоответствия или другие дефекты роста могут привести к дефектам кристалла, вызывающим ухудшение электронных свойств.

Поскольку каждая субъячейка электрически соединена последовательно, через каждое соединение протекает одинаковый ток. Материалы упорядочиваются с уменьшением зоны ширины запрещенной E _g , что позволяет свету подзоны ( hc / λ < eE _g ) передаваться в нижние подэлементы. Следовательно, подходящие запрещенные зоны должны быть выбраны так, чтобы расчетный спектр уравновешивал генерацию тока в каждой из подъячеек, обеспечивая согласование токов. На рисунке C(b) показана спектральная освещенность E (λ), которая представляет собой плотность мощности источника на заданной длине волны λ. Он отображается вместе с максимальной эффективностью преобразования для каждого перехода в зависимости от длины волны, которая напрямую связана с количеством фотонов, доступных для преобразования в фототок.

Наконец, для обеспечения высокой производительности слои должны быть электрически оптимальными. Это требует использования материалов с высокими коэффициентами поглощения α(λ), высоким временем жизни неосновных носителей τ _{меньшинства} и высокими подвижностями μ.

Благоприятные значения в таблице ниже оправдывают выбор материалов, обычно используемых для многопереходных солнечных элементов: InGaP для верхнего субэлемента ( E _g = 1,8–1,9   эВ), InGaAs для среднего субэлемента ( E _g = 1,4   ). эВ) и германий для нижней подэлемента ( E _g = 0,67   эВ). Использование Ge в основном связано с его постоянной решетки, надежностью, низкой стоимостью, распространенностью и простотой производства.

Поскольку различные слои точно совпадают по решетке, при изготовлении устройства обычно используется химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD). Этот метод предпочтительнее молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), поскольку он обеспечивает высокое качество кристаллов и крупномасштабное производство.

Материал	г например (эВ)	а (нм)	Всасывание, при λ = 0,8   мкм (1/мкм)	μмкм (см 2 /V·s)	τ п (мкс)	Твердость (Моос)	а (мкм/К)	С (РС)
c-Si	1.12	0.5431	0.102	1400	1	7	2.6	0.1–60
ИнГаП	1.86	0.5451	2	500	–	5	5.3	50
GaAs	1.4	0.5653	0.9	8500	3	4–5	6	50
Ге	0.65	0.5657	3	3900	1000	6	7	1000
InGaAs	1.2	0.5868	30	1200	–	–	5.66	100–1000

Конструктивные элементы

Металлические контакты

Металлические контакты представляют собой электроды с низким сопротивлением , которые контактируют с полупроводниковыми слоями. Они часто алюминиевые . Это обеспечивает электрическое соединение с нагрузкой или другими частями массива солнечных батарей. Обычно они находятся на двух сторонах клетки. И важно располагаться на задней стороне, чтобы уменьшить затенение на освещаемой поверхности.

Антибликовое покрытие

антибликовое В случае солнечных элементов MJ (AR) покрытие обычно состоит из нескольких слоев. Верхний слой AR обычно имеет текстуру поверхности NaOH с несколькими пирамидами , чтобы увеличить коэффициент пропускания T , улавливание света в материале (поскольку фотоны не могут легко выйти из структуры MJ из-за пирамид) и, следовательно, длину пути фотонов в материале. С одной стороны, толщина каждого слоя AR выбирается таким образом, чтобы получить деструктивные помехи. Поэтому коэффициент отражения R снижается до 1%. В случае двух слоев АР 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 _min , n _L2 d _L2 = λ _min /4 иметь противоположную фазу для отраженных полей. С другой стороны, толщина каждого слоя AR также выбирается так, чтобы минимизировать коэффициент отражения на длинах волн, для которых фототок наименьший. Следовательно, это максимизирует J _SC за счет согласования токов трех субэлементов. Например, поскольку ток, генерируемый нижней ячейкой, больше, чем токи, генерируемые другими ячейками, толщина слоев AR регулируется так, что инфракрасное (ИК) пропускание (которое соответствует нижней ячейке) ухудшается, в то время как ультрафиолетовое излучение передача (которая соответствует верхней ячейке) модернизируется. В частности, просветляющее покрытие очень важно при низких длинах волн, поскольку без него T сильно снизилась бы до 70%.

Туннельные развязки

Рисунок D: Слои и зонная диаграмма туннельного перехода. Поскольку длина обедненной области узкая, а ширина запрещенной зоны велика, электроны могут туннелировать.

Основная цель туннельных переходов — обеспечить низкое электрическое сопротивление и соединение с малыми оптическими потерями между двумя субэлементами. Без него p-легированная область верхней ячейки была бы напрямую связана с n-легированной областью средней ячейки. Следовательно, между верхней ячейкой и средней ячейкой появится pn-переход с направлением, противоположным остальным. Следовательно, фотонапряжение не было было бы ниже, чем если бы паразитного диода . Чтобы уменьшить этот эффект, используется туннельный переход. Это просто широкозонный сильнолегированный диод. Высокое легирование уменьшает длину области обеднения, поскольку

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

Следовательно, электроны могут легко туннелировать через область обеднения. Характеристика JV туннельного перехода очень важна, поскольку она объясняет, почему туннельные переходы можно использовать для создания соединения с низким электрическим сопротивлением между двумя pn-переходами. На рисунке D показаны три различные области: туннельная область, область отрицательного дифференциального сопротивления и область термодиффузии. Область, в которой электроны могут туннелировать через барьер, называется областью туннелирования. Там напряжение должно быть достаточно низким, чтобы энергия некоторых туннелирующих электронов равнялась энергетическим состояниям, доступным по другую сторону барьера. Следовательно, плотность тока через туннельный переход высока (с максимальным значением $J_{P}$, пиковая плотность тока), поэтому наклон вблизи начала координат крутой. Тогда сопротивление крайне мало и, следовательно, напряжение тоже. Вот почему туннельные переходы идеально подходят для соединения двух pn-переходов без падения напряжения. Когда напряжение выше, электроны не могут пересечь барьер, потому что энергетические состояния больше не доступны для электронов. Поэтому плотность тока уменьшается и дифференциальное сопротивление становится отрицательным. Последняя область, называемая термодиффузионной, соответствует СП-характеристике обычного диода:

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

Чтобы избежать снижения производительности солнечных элементов MJ, туннельные переходы должны быть прозрачными для длин волн, поглощаемых следующим фотоэлектрическим элементом, средним элементом, т. е. E _gTunnel > E _gMiddleCell .

Слой окна и поле задней поверхности

Рисунок E: (а) Слои и зонная диаграмма оконного слоя. Поверхностная рекомбинация снижается. (б) Слои и зонная диаграмма слоя BSF. Рассеяние носителей уменьшается.

Слой окна используется для уменьшения скорости поверхностной S. рекомбинации Аналогичным образом, слой поля задней поверхности (BSF) уменьшает рассеяние носителей заряда в направлении туннельного перехода. Структура этих двух слоев одинакова: это гетеропереход , захватывающий электроны (дырки). Действительно, несмотря на электрическое поле E _d , они не могут перепрыгнуть через барьер, образованный гетеропереходом, поскольку им не хватает энергии, как показано на рисунке E. Следовательно, электроны (дырки) не могут рекомбинировать с дырками (электронами) и не могут диффундировать. через барьер. Кстати, слои окна и BSF должны быть прозрачны для длин волн, поглощаемых следующим pn-переходом; т. е. E _gWindow > E _gEmitter и E _gBSF > E _gEmitter . Кроме того, постоянная решетки должна быть близка к постоянной решетки InGaP, а слой должен быть сильно легированным ( n ≥ 10 ¹⁸  см ⁻³ ).

Характеристика СП

В стопке из двух ячеек, где не происходит радиационной связи и где каждая из ячеек имеет JV -характеристику, определяемую уравнением диода, JV -характеристика пакета определяется выражением

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

где $J_{\text{SC,1}}$ и $J_{\text{SC,2}}$ – токи короткого замыкания отдельных ячеек в стопке, $\Delta J_{\text{SC}}$ - это разница между этими токами короткого замыкания, и $J_{0}^{2}=J_{\mathrm {0,1} }J_{\mathrm {0,2} }$ является продуктом токов тепловой рекомбинации двух ячеек. , когда они помещены в многопереходный пакет (а не значения, измеренные для ячеек с одним переходом соответствующих типов ячеек). для ячеек Обратите внимание, что значения, введенные как для токов короткого замыкания, так и для токов тепловой рекомбинации, являются значениями, измеренными или рассчитанными для двух идеальных (работающих на пределе излучения) ячеек, которым разрешено обмениваться люминесценцией и, таким образом, радиационно связанных, определяется выражением

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

Здесь параметры $T^{-}$ и $T^{+}$ – коэффициенты передачи, описывающие обмен фотонами между клетками. Коэффициенты передачи зависят от показателя преломления клеток. ${\tilde {J}}_{0}^{2}$ также зависят от показателя преломления клеток. Если клетки имеют одинаковый 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 достижения максимальной эффективности каждая подъячейка должна работать с оптимальными параметрами JV, которые не обязательно одинаковы для каждой подячейки. Если они разные, общий ток через солнечный элемент будет наименьшим из трех. По приближению это приводит к такому же соотношению 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 подячейки i .

Из-за невозможности получить J _SC1 , J _SC2 , J _SC3 квантовая эффективность QE непосредственно из полной характеристики JV, используется (λ). Он измеряет соотношение между количеством созданных электронно-дырочных пар и количеством падающих фотонов на заданной длине волны λ. Пусть φ _i (λ) будет потоком фотонов соответствующего падающего света в подъячейке i, а QE _i (λ) будет квантовой эффективностью подячейки i . По определению это равно:

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

Стоимость $QE_{i}(\lambda )$ получается путем связывания его с коэффициентом поглощения $\alpha (\lambda )$, т.е. количество фотонов, поглощаемых материалом на единицу длины. Если предположить, что каждый фотон, поглощаемый субъячейкой, создает пару электрон/дырка (что является хорошим приближением), это приводит к:

$QE_{i}(\lambda )=1-e^{-\alpha (\lambda )d_{i}}$ где d _i - толщина подъячейки i и $e^{-\alpha (\lambda )d_{i}}$ — это процент падающего света, который не поглощается подъячейкой i .

Аналогично, 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 $V_{{\text{OC}}i}$ тогда определяются уравнением диода СП:

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

Теоретическая предельная эффективность

Мы можем оценить предельную эффективность идеальных бесконечных многопереходных солнечных элементов, используя графический анализ квантовой эффективности (QE), изобретенный CH Генри. Чтобы в полной мере воспользоваться преимуществами метода Генри, единицу измерения спектральной освещенности AM1,5 следует преобразовать в единицу потока фотонов (т. е. число фотонов/м2). ² ·с). Для этого необходимо осуществить преобразование промежуточных единиц мощности электромагнитного излучения, падающего на единицу площади на энергию фотона, в поток фотонов на энергию фотона (т.е. из [Вт/м ² ·эВ] до [количество фотонов/м ² ·с·эВ]). Для этого преобразования промежуточных единиц необходимо учитывать следующие моменты: Фотон имеет определенную энергию, которая определяется следующим образом.

(1): E _ph = hf = h ( c /λ)

где E _ph – энергия фотона, h – постоянная Планка ( h = 6,626×10 ⁻³⁴ [Дж∙с]), c — скорость света ( c = 2,998×10 ⁸ [м/с]), f — частота [1/с], а λ — длина волны [нм].

Тогда поток фотонов на энергию фотона, d n _ph /d h ν, относительно определенной освещенности E [Вт/м ² ·эВ] можно рассчитать следующим образом.

(2): ${\frac {dn_{\text{ph}}}{dhv}}={\frac {E}{E_{\text{ph}}}}={\frac {E}{\frac {hc}{\lambda }}}\,$ = E [Вт/м ² ∙эВ] × λ [нм]/(1,998×10 ⁻²⁵ [Дж∙с∙м/с]) = E λ × 5,03×10 ¹⁵ [(количество фотонов)/м ² ∙s∙eV]

В результате этого преобразования промежуточных единиц спектральная освещенность AM1.5 выражается в единицах потока фотонов на энергию фотона, [№. фотонов/м ² ·с·эВ], как показано на рисунке 1.

• 
  Рисунок 1. Поток фотонов на энергию фотонов из стандартного спектра солнечной энергии (АМ 1,5).

Основываясь на приведенном выше результате преобразования промежуточных единиц, мы можем получить поток фотонов путем численного интегрирования потока фотонов на энергию фотона по отношению к энергии фотона. Численно интегрированный поток фотонов рассчитывается с использованием правила трапеций 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 численного интегрирования спектральная освещенность AM1.5 выражается в единицах потока фотонов [количество фотонов/м2/с], как показано на рисунке 2.

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

Данные о потоке фотонов в диапазоне малых энергий фотонов 0–0,3096 эВ отсутствуют   , поскольку стандартный (AM1,5) спектр солнечной энергии для h ν < 0,31   эВ недоступен. Однако, несмотря на недоступность этих данных, графический анализ QE может быть выполнен с использованием единственных доступных данных с разумным предположением, что полупроводники непрозрачны для энергий фотонов, превышающих их энергию запрещенной зоны, но прозрачны для энергий фотонов, меньших, чем их энергия запрещенной зоны. Это предположение объясняет первую внутреннюю потерю эффективности солнечных элементов, которая вызвана неспособностью однопереходных солнечных элементов должным образом соответствовать широкому спектру солнечной энергии. Однако текущий графический анализ QE все еще не может отразить вторую внутреннюю потерю эффективности солнечных элементов — излучательную рекомбинацию. Чтобы учесть излучательную рекомбинацию, нам необходимо сначала оценить плотность радиационного тока J _рад . По методу Шокли и Кейссера:

Дж _рад можно аппроксимировать 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 выражается в электрон-вольтах, а n оценивается как 3,6, значение для GaAs. Падающее поглощенное тепловое излучение J _th определяется как J _рад при V = 0.

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

Плотность тока, поступающего в нагрузку, представляет собой разницу плотностей тока, обусловленного поглощенным солнечным и тепловым излучением, и плотности тока излучения, испускаемого верхней поверхностью или поглощаемого подложкой. Определив J _ph = en _ph , мы имеем

(7): J = J _ph + J _th − J _рад

Второй член, J _th , пренебрежимо мал по сравнению с J _ph для всех полупроводников с E _g ≥ 0,3   эВ, как можно показать путем оценки приведенного выше J _-го уравнения. Поэтому мы пренебрегаем этим термином для упрощения дальнейшего обсуждения. Тогда мы можем выразить J следующим образом.

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

Напряжение холостого хода находится путем установки J = 0.

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

Точка максимальной мощности ( Дж _м , В _м ) находится путем задания производной ${\frac {dJV}{dV}}\,=0$. Известный 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 ( Вт _·м ), совершаемая одним поглощенным фотоном, (Вт) определяется выражением

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

Объединив последние три уравнения, имеем

(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) отображается на рисунке 3 для различных значений E _g (или n _ph ).

• 
  Рисунок 3. Максимальная работа идеальных бесконечных многопереходных солнечных элементов при стандартной спектральной освещенности AM1,5.

Теперь мы можем в полной мере использовать графический анализ количественного смягчения Генри, принимая во внимание две основные потери эффективности солнечных элементов. Двумя основными внутренними потерями являются излучательная рекомбинация и неспособность однопереходных солнечных элементов должным образом соответствовать широкому спектру солнечной энергии. Заштрихованная область под красной линией представляет максимальную работу, совершаемую идеальными бесконечными многопереходными солнечными элементами. Следовательно, предельная эффективность идеальных бесконечных многопереходных солнечных элементов оценивается в 68,8% путем сравнения заштрихованной площади, обозначенной красной линией, с общей площадью потока фотонов, определенной черной линией. (Поэтому этот метод называется «графическим» анализом количественного смягчения.) Хотя это предельное значение эффективности согласуется со значениями, опубликованными Парротом и Восом в 1979 году: 64% и 68,2% соответственно, существует небольшой разрыв между оценочной стоимостью в этом отчете и литературными значениями. Эта небольшая разница, скорее всего, связана с разными способами аппроксимации потока фотонов в диапазоне 0–0,3096   эВ. Здесь мы аппроксимировали поток фотонов 0–0,3096   эВ таким же, как поток фотонов при 0,31   эВ.

Материалы

В большинстве многопереходных элементов, производимых на сегодняшний день, используются три слоя (хотя многие тандемные модули a-Si:H/mc-Si были произведены и широко доступны). Однако ячейки с тройным переходом требуют использования полупроводников, которые можно настроить на определенные частоты, что привело к тому, что большинство из них изготовлено из соединений арсенида галлия (GaAs), часто германия для нижнего диапазона, GaAs для среднего и GaInP ₂ для верхней ячейки.

Подложка из арсенида галлия

Ячейки с двойным переходом могут быть изготовлены на пластинах арсенида галлия. Сплавы фосфида индия-галлия в диапазоне от In _.5 Ga _.5 P до In _.53 Ga _.47 P служат сплавом с широкой запрещенной зоной. Этот диапазон сплавов обеспечивает возможность иметь запрещенную зону в диапазоне 1,92–1,87   эВ. Нижний переход GaAs имеет ширину запрещенной зоны 1,42   эВ.

Германиевая подложка

Ячейки с тройным переходом, состоящие из фосфида индия-галлия (InGaP), арсенида галлия (GaAs) или арсенида индия-галлия (InGaAs) и германия (Ge), могут быть изготовлены на германиевых пластинах. Ранние ячейки использовали прямой арсенид галлия в среднем соединении. Более поздние ячейки использовали In _0,015 Ga _0,985 As из-за лучшего соответствия решетки Ge, что приводило к более низкой плотности дефектов.

Из-за огромной разницы в запрещенной зоне между GaAs (1,42   эВ) и Ge (0,66   эВ) согласование токов очень плохое, при этом переход Ge работает со значительным ограничением тока.

Текущая эффективность коммерческих ячеек InGaP/GaAs/Ge приближается к 40% при концентрированном солнечном свете. Лабораторные ячейки (частично использующие дополнительные соединения между соединениями GaAs и Ge) продемонстрировали эффективность выше 40%.

Подложка из фосфида индия

Фосфид индия можно использовать в качестве подложки для изготовления ячеек с шириной запрещенной зоны от 1,35   до 0,74   эВ. Фосфид индия имеет ширину запрещенной зоны 1,35   эВ. Арсенид индия-галлия (In _0,53 Ga _0,47 As) согласован по решетке с фосфидом индия с шириной запрещенной зоны 0,74   эВ. Четвертичный сплав фосфида арсенида индия-галлия может быть согласован по решетке для любой запрещенной зоны между ними.

Элементы на основе фосфида индия могут работать в тандеме с элементами из арсенида галлия. Две ячейки могут быть оптически соединены последовательно (ячейка InP находится под ячейкой GaAs) или параллельно за счет разделения спектра с помощью дихроичного фильтра .

Подложка из нитрида индия-галлия

Нитрид индия-галлия (InGaN) представляет собой полупроводниковый материал, изготовленный из смеси нитрида галлия (GaN) и нитрида индия (InN). Это тройной прямозонный полупроводник группы III – V. Его запрещенную зону можно регулировать, изменяя количество индия в сплаве от 0,7 до 3,4 эВ, что делает его идеальным материалом для солнечных элементов. Однако его эффективность преобразования из-за технологических факторов, не связанных с запрещенной зоной, все еще недостаточно высока, чтобы быть конкурентоспособной на рынке.

Улучшения производительности

Структура

Во многих фотоэлектрических элементах MJ используются полупроводниковые материалы III – V. Туннельные диоды с гетеропереходом на основе GaAsSb вместо обычных высоколегированных туннельных диодов InGaP, описанных выше, имеют меньшую туннельную дистанцию. Действительно, в гетероструктуре, образованной GaAsSb и InGaAs , валентная зона GaAsSb находится выше валентной зоны прилегающего p-легированного слоя. Следовательно, туннельное расстояние d _{туннель} уменьшается, а туннельный ток, который экспоненциально зависит от d _{туннель} , увеличивается. Следовательно, напряжение ниже, чем у туннельного перехода InGaP. Туннельные диоды с гетеропереходом GaAsSb обладают и другими преимуществами. Тот же ток может быть достигнут при использовании меньшего легирования. Во-вторых, поскольку постоянная решетки GaAsSb больше, чем Ge, можно использовать более широкий диапазон материалов для нижней ячейки, поскольку больше материалов согласованы по решетке с GaAsSb, чем с Ge.

В некоторые слои можно добавлять химические компоненты. Добавление примерно одного процента индия в каждый слой лучше соответствует постоянной решетки разных слоев. Без него существует около 0,08 процента несоответствий между слоями, что снижает производительность. Добавление алюминия в верхнюю ячейку увеличивает ее запрещенную зону до 1,96   эВ. охватывая большую часть солнечного спектра и получая более высокое напряжение холостого хода V _OC .

Теоретический КПД солнечных элементов MJ составляет 86,8% для бесконечного числа pn-переходов. подразумевая, что большее количество соединений увеличивает эффективность. Максимальный теоретический КПД составляет 37, 50, 56, 72% для 1, 2, 3, 36 дополнительных pn-переходов соответственно, при этом количество переходов увеличивается экспоненциально для достижения одинакового приращения эффективности. Экспоненциальная зависимость подразумевает, что по мере того, как ячейка приближается к пределу эффективности, стоимость увеличения и сложность быстро растут. Уменьшение толщины верхней ячейки увеличивает коэффициент передачи T .

Гетерослой InGaP между слоем p-Ge и слоем InGaAs может быть добавлен для автоматического создания слоя n-Ge путем рассеяния во время роста MOCVD и значительного увеличения квантовой эффективности QE (λ) нижней ячейки. Преимущество InGaP обусловлено его высоким коэффициентом рассеяния и низкой растворимостью в Ge.

В настоящее время существует несколько коммерческих (не перовскитных ) многопереходных технологий, включая тандемы, а также модули с тройным и четверным переходом, в которых обычно используются полупроводники III–V, с многообещающей эффективностью преобразования энергии, которая конкурирует и даже превосходит эталонные кремниевые солнечные элементы.

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 плотности тока J _i не обязательно совпадают, и общий ток становится меньше. Эти изменения можно определить количественно, используя среднюю энергию фотонов (APE), которая представляет собой соотношение между спектральной освещенностью G (λ) (плотностью мощности источника света на определенной длине волны λ) и общей плотностью потока фотонов. Можно показать, что высокое (низкое) значение APE означает низкие (высокие) спектральные условия для длин волн и более высокий (меньший) КПД. Таким образом, APE является хорошим индикатором для количественной оценки влияния изменений солнечного спектра на характеристики и имеет дополнительное преимущество, заключающееся в независимости от структуры устройства и профиля поглощения устройства.

Использование концентраторов света

См. Также: Фотоэлектрические концентраторы.

Концентраторы света повышают эффективность и снижают соотношение затрат и эффективности. Используемые три типа концентраторов света — это преломляющие линзы, такие как линзы Френеля , отражающие антенны (параболические или кассегреновые) и световодная оптика . Благодаря этим устройствам свет, попадающий на большую поверхность, может быть сконцентрирован на клетке меньшего размера. Коэффициент концентрации интенсивности (или «солнца») представляет собой среднюю интенсивность сфокусированного света, деленную на 1 кВт/м. ² (разумное значение, связанное с солнечной постоянной ). Если его значение равно X , то ток МДж становится на X выше при концентрированном освещении.

Используя концентрации порядка 500–1000, это означает, что 1 см ² ячейка может использовать свет, собранный с расстояния 0,1   м. ² (как 1   м ² равен 10000 см ² ), обеспечивает самую высокую эффективность, наблюдаемую на сегодняшний день. Трехслойные ячейки принципиально ограничены 63%, но существующие коммерческие прототипы уже продемонстрировали более 40%. Эти элементы обеспечивают около 2/3 своей теоретической максимальной производительности, поэтому, если предположить, что то же самое справедливо и для неконцентрированной версии той же конструкции, можно ожидать, что трехслойная ячейка будет иметь эффективность 30%. Этого преимущества перед традиционными кремниевыми конструкциями недостаточно, чтобы компенсировать дополнительные производственные затраты. По этой причине почти все исследования многопереходных ячеек для наземного использования посвящены системам концентраторов, обычно использующим зеркала или линзы Френеля.

Использование концентратора также имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что количество ячеек, необходимых для покрытия заданной площади земли, значительно сокращается. Обычная система, охватывающая 1   м ² потребуется 625 16 см ² ячеек, но для системы концентратора необходима только одна ячейка вместе с концентратором. Аргументом в пользу концентрированных многопереходных ячеек было то, что высокая стоимость самих ячеек будет более чем компенсирована сокращением общего количества ячеек. Однако недостатком подхода с концентратором является то, что эффективность очень быстро падает при более низком освещении. Чтобы максимизировать свое преимущество перед традиционными элементами и, таким образом, быть конкурентоспособными по цене, система концентратора должна отслеживать движение солнца, чтобы фокусировать свет на элементе и поддерживать максимальную эффективность как можно дольше. Для этого требуется система солнечного слежения , которая увеличивает урожайность, но также и стоимость.

Изготовление

По состоянию на 2014 год производство многопереходных ячеек было дорогостоящим, с использованием методов, аналогичных производству полупроводниковых устройств , обычно это газофазная эпитаксия из металлорганических соединений , но с размерами «чипов» порядка сантиметров.

В том же году было объявлено о новой технологии, которая позволила в таких элементах использовать подложку из стекла или стали, более дешевые пары в меньших количествах, что, как утверждалось, обеспечивает конкурентоспособность по цене по сравнению с обычными кремниевыми элементами.

Сравнение с другими технологиями

Существует четыре основные категории фотоэлектрических элементов: обычные моно- и поликристаллические кремниевые (c-Si) элементы, тонкопленочные солнечные элементы (a-Si, CIGS и CdTe) и многопереходные (MJ) солнечные элементы. Четвертая категория, новая фотоэлектрическая энергия , содержит технологии, которые все еще находятся на стадии исследований или разработок и не перечислены в таблице ниже.

Категории	Технология	(%)	В ОС (В)	Я СК (А)	Вт/м 2	т (мкм)	Ссылка
Кристаллические кремниевые ячейки	Монокристаллический	24.7	0.5	0.8	63	100
	Поликремний	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
	CIGS	19.5	–	–	–	1
Многопереходные ячейки	МД	40.7	2.6	1.81	476	140

Солнечные элементы MJ и другие фотоэлектрические устройства имеют существенные различия (см. таблицу выше) . Физически основным свойством солнечного элемента MJ является наличие более одного pn-перехода для улавливания большего энергетического спектра фотонов, в то время как основным свойством тонкопленочного солнечного элемента является использование тонких пленок вместо толстых слоев для уменьшения Коэффициент эффективности затрат. По состоянию на 2010 год Солнечные панели MJ стоят дороже других. Эти различия подразумевают разные области применения: солнечные элементы MJ предпочтительнее в космосе, а солнечные элементы c-Si — для наземного применения.

от Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии . График эффективности солнечных батарей с течением времени

Эффективность солнечных элементов и кремниевой солнечной технологии относительно стабильна, в то время как эффективность солнечных модулей и многопереходной технологии растет.

Измерения на солнечных элементах MJ обычно проводятся в лаборатории с использованием концентраторов света (это часто не относится к другим элементам) и в стандартных условиях испытаний (STC). STC предписывают для наземных применений в качестве эталона спектр AM1,5. Эта воздушная масса (АМ) соответствует фиксированному положению Солнца на небе под углом 48° и фиксированной мощности 833   Вт/м. ² . Поэтому спектральные вариации падающего света и параметров окружающей среды не учитываются в STC.

Следовательно, производительность солнечных элементов MJ на открытом воздухе уступает показателям, достигнутым в лаборатории. Более того, солнечные элементы MJ сконструированы таким образом, что токи согласовываются при STC, но не обязательно в полевых условиях. Можно использовать QE (λ) для сравнения производительности различных технологий, но QE (λ) не содержит информации о согласовании токов субячеек. Важным альтернативным показателем сравнения является выходная мощность на единицу площади, генерируемая при том же падающем свете.

Приложения

По состоянию на 2010 год стоимость солнечных элементов MJ была слишком высока, чтобы их можно было использовать за пределами специализированных приложений. Высокая стоимость обусловлена, главным образом, сложной конструкцией и дороговизной материалов. Тем не менее, при наличии концентраторов света при освещении не менее 400 солнц солнечные панели MJ становятся практичными.

По мере того, как становятся доступными менее дорогие многопереходные материалы, другие применения включают разработку запрещенной зоны для микроклимата с различными атмосферными условиями.

Клетки MJ в настоящее время используются в миссиях марсоходов .

Окружающая среда в космосе совсем другая. Поскольку атмосферы нет, солнечный спектр другой (AM0). Ячейки имеют плохое согласование тока из-за большего потока фотонов с энергией выше 1,87   эВ по сравнению с фотонами с энергией от 1,87   до 1,42   эВ. Это приводит к слишком малому току в переходе GaAs и снижает общую эффективность, поскольку переход InGaP работает при токе ниже MPP, а переход GaAs работает при токе выше MPP. Чтобы улучшить согласование токов, слой InGaP намеренно утончен, чтобы позволить дополнительным фотонам проникнуть в нижний слой GaAs.

В наземных концентрирующих приложениях рассеяние синего света атмосферой снижает поток фотонов выше 1,87   эВ, лучше балансируя токи перехода. Частицы радиации, которые больше не фильтруются, могут повредить клетку. Существует два вида повреждений: ионизация и атомное смещение. Тем не менее, элементы MJ обладают более высокой радиационной стойкостью, более высокой эффективностью и более низким температурным коэффициентом.

См. также

• Список полупроводниковых материалов
• Фотоэлектрический концентратор (CVP)
• Органический фотоэлектрический элемент
• PIN-диод
• Микроморф (тандемная ячейка a-Si/μc-Si)

Дальнейшее чтение

• Луке, Антонио; Хегедус, 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.). Исследование лаборатории Беркли привело к рекордной производительности солнечных батарей . Национальная лаборатория Лоуренса Беркли . Проверено 10 декабря 2011 г. Теоретические исследования ученых Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (DOE) привели к рекордной эффективности преобразования солнечного света в электричество в солнечных элементах. {{cite book}}: |work= игнорируется ( помощь ) ( перепечатано в журнале R&D Magazine )