Източник: energy.gov
ЗАДЕН ПЛАН
Високоефективните мултифункционални устройства използват множество ленти или кръстовища, които са настроени да абсорбират определен участък от слънчевия спектър, за да създадат слънчеви клетки с ефективност на запис над 45%. Максималната теоретична ефективност, която еднолентовата слънчева клетка може да постигне при неконцентрирана слънчева светлина, е около 33,5%, предимно поради широкото разпределение на излъчваните от слънцето фотони. Тази ограничаваща ефективност, известна като границата на Shockley-Queisser, произтича от факта, че напрежението в отворена верига (Voc) на слънчевата клетка е ограничено от обхвата на абсорбиращия материал и фотоните с енергии под диапазона не се абсорбират. Фотоните, които имат енергия, по-голяма от честотната лента, се абсорбират, но енергията, по-голяма от честотната лента, се губи като топлина.
Многофункционалните устройства използват горна клетка с висока честотна лента, за да абсорбират високоенергийни фотони, като същевременно позволяват да преминат през нея фотони с по-ниска енергия. След това материал с малко по-нисък обхват се поставя под кръстовището с висока лента, за да абсорбира фотони с малко по-малко енергия (по-дълги дължини на вълната). Типичните мултифункционални клетки използват две или повече поглъщащи кръстовища, а теоретичната максимална ефективност се увеличава с броя на кръстовищата. Ранните изследвания на мултифункционални устройства използват свойствата на полупроводници, състоящи се от елементи в III и V колоните на периодичната таблица, като например галиев индиев фосфат (GaInP), арсенид на галий индий (GaInAs) и галиев арсенид (GaAs). Устройствата с три съединения, използващи полупроводници III-V, достигат ефективност над 45%, използвайки концентрирана слънчева светлина. Тази архитектура може да бъде прехвърлена и на други технологии за слънчеви клетки, и многофункционалните клетки, направени от CIGS, CdSe, силиций, органични молекули и други материали, се изследват.
В миналото многофункционалните устройства са били използвани предимно в космоса, където има първокласна стойност, която се поставя за леко производство на енергия, което позволява използването на тази сравнително скъпа слънчева технология. За наземни приложения високите разходи на тези полупроводникови субстрати (в сравнение със силиция например) могат да бъдат компенсирани чрез използване на концентрирана оптика, като настоящите системи използват предимно лещи Fresnel. Концентриращата оптика увеличава количеството светлина, падаща върху слънчевата клетка, като по този начин води до повече производство на енергия. Използването на концентрираща оптика изисква използването на двуосно проследяване на слънцето, което трябва да се вземе предвид в цената на системата.
УСЛОВИЯ ЗА ИЗСЛЕДВАНЕ
Въпреки че многофункционалните III-V клетки имат по-висока ефективност от конкурентните технологии, такива слънчеви клетки са значително по-скъпи поради съвременните техники и материали за производство. Следователно активните изследователски усилия са насочени към намаляване на цената на електроенергията, генерирана от тези слънчеви клетки, чрез подходи като разработване на нови материали за субстрати, абсорбиращи материали и техники за производство; повишаване на ефективността; и разширяване на концепцията за мултифункция до други фотоволтаични технологии. Освен това, поради цената на такива слънчеви клетки, разработването на надеждни евтини решения за проследяване и концентрация също са активни области на изследване в подкрепа на намаляването на разходите за фотоволтаични системи, използващи многофункционални клетки.
Научете повече за наградените и проектите, включващи високоефективни III-V клетки по-долу.
Държавен университет в Охайо: Кампус Кампус (Фотоволтаични изследвания и разработки)
Аризонски държавен университет (Фотоволтаични изследвания и развитие)
Университет в Орегон (Фотоволтаични изследвания и разработки: малки иновативни проекти в слънчевата енергия)
Училище за мини и технологии в Южна Дакота (Фотоволтаични изследвания и разработки: малки иновативни проекти в слънчевата енергия)
Аризонски държавен университет (Фотоволтаични изследвания и разработки: малки иновативни проекти в слънчевата енергия)
nLiten Energy (Фотоволтаични изследвания и разработки: малки иновативни проекти в слънчевата енергия)
Университета на Калифорния, Бъркли (Проекти за фотоволтаици от второ поколение II)
Калифорнийски технологичен институт (Проекти за фотоволтаици II поколение)
Държавен университет в Северна Каролина (Основна програма за повишаване на ефективността на клетките)
Национална лаборатория за възобновяема енергия (Основна програма за повишаване на ефективността на клетките)
Държавен университет в Охайо (Основна програма за повишаване на ефективността на клетките)
Университет на Хюстън (Фотоволтаици от следващото поколение 3 проекта)
Национална лаборатория за възобновяема енергия (Фотоволтаици от ново поколение 3 проекта)
ПОЛЗИ
Предимствата на многофункционалните соларни клетки III-V включват:
Съпоставяне на спектъра: високоефективните клетки (> 45%) могат да бъдат произведени чрез съвпадение на секции от слънчевия спектър със специфични абсорбционни слоеве със специфични ленти.
Кристална структура: Различните комбинации от III-V полупроводници имат сходни кристални структури и идеални свойства за слънчеви клетки, включително дълги дифузионни дължини на екситон, мобилност на носителя и съвместими спектри на абсорбция.
ПРОИЗВОДСТВО
Традиционните мултифункционални III-V клетки са сглобени в епитаксиален монолитен стек с подклетки, свързани последователно чрез тунелни възли. Конструирането на многоядрена клетка в монолитен стек води до материални ограничения и изработването на такива устройства се улеснява, ако отделните слоеве на субклетките имат съвместими атомни решетъчни позиции и са съвпадащи с решетка. Това предимство на съвпадението на решетката е защо Ge, която е решетка, съчетана с някои III-V сплави, традиционно се използва като субстрат и тясна лента на клетката в MJ. Ограниченията за съвпадение на решетката могат да бъдат преодолени с допълнителна сложност, като се използва свързване на вафли или метаморфни буферни слоеве.
Тунелно-съединителният слой е изграден от интерфейса на силно легирани p ++ и n ++ слоеве. Взаимодействието на тези слоеве води до пространствено тясно пространство на заряд в пространството, което позволява на тока да протича между субклетките. Високолентовите слоеве, известни като слоеве на прозорци и полета на задната повърхност, могат да бъдат добавени за пасивиране на повърхностни състояния на интерфейса между субклетка и тунелния възел, които, ако бъдат оставени без пасив, могат да уловят носителите и да ускорят рекомбинацията.
Ако субклетките са свързани последователно, подклетката, която провежда най-малкия ток, ограничава максималния ток, който може да протича през устройството. Следователно, значителни усилия се полагат за настройка на тока на подклетките. Луминисцентното свързване между субклетките може да облекчи някои от текущите съвпадащи дизайнерски изисквания.
Многоядрени III-V слънчеви клетки могат да бъдат произведени с помощта на техники за молекулярно-лъчева епитаксия (MBE), но производството в големи метално-органични химически-отлагащи се реактори (MOCVD) е типично за комерсиално производство на GaInP / GaInAs / Ge устройства. Слоевете могат да бъдат отгледани от триметилгалий (Ga (CH3) 3), триметилиний (InC3H9), арзин (AsH3) и фосфин (PH3) във водороден носител и като се използват добавки като водороден селенид (H2Se), силан (SiH6), и диетилов цинк ((C2H5) 2Zn). Използването на концентрираща оптика позволява на отделните клетки да бъдат доста малки - на моменти, малки колкото размера на върха на молив. Следователно тези техники позволяват стотици слънчеви клетки да се отглеждат в единични партиди. Правят се изследвания за по-нататъшно намаляване на размера на клетките и увеличаване на броя на клетките, които могат да бъдат отгледани от една вафла, което ще помогне за намаляване на разходите за клетка.
