Giới thiệu

Khi ngành du hành vũ trụ thương mại tiếp tục phát triển, tàu vũ trụ ngày càng cần nhiều năng lượng điện hơn. Quang điện không gian đóng vai trò là nguồn năng lượng chính cho hầu hết các tàu vũ trụ, vì vậy việc lựa chọn công nghệ pin mặt trời ảnh hưởng trực tiếp đến sự thành công của sứ mệnh, hiệu quả chi phí và khả năng cạnh tranh trên thị trường.

Hiện tại, có ba hướng công nghệ chính: gallium arsenide (GaAs), dị thể loại p (HJT) và pin tandem HJT loại p/perovskite. Nhìn vào xu hướng phát triển và tiềm năng dài hạn, cùng với việc phân tích ưu nhược điểm cốt lõi của từng hướng, GaAs vẫn chiếm ưu thế. Mặc dù có thách thức về chi phí, nhưng hiệu suất tổng thể không thể so sánh, độ tin cậy đã được chứng minh trong môi trường khắc nghiệt và tiềm năng giảm chi phí rõ ràng, đáng kể khiến GaAs trở thành lựa chọn tốt nhất cho các sứ mệnh không gian thương mại có giá trị cao, độ tin cậy cao cả hiện tại và trong 3-5 năm tới.

Ưu Điểm Của Pin Mặt Trời Ba Mối Nối GaAs

Hiệu suất cao

Độ rộng vùng cấm của GaAs (1,42 eV) nằm trong khoảng tối ưu về mặt lý thuyết. Hơn nữa, pin đa mối nối xếp chồng các lớp GaInP, GaAs và Ge để hấp thụ lần lượt các photon năng lượng cao, trung bình và thấp, giúp mở rộng đáng kể phổ sử dụng. Các pin mặt trời GaAs ba mối nối mới nhất cho quang điện không gian hiện đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng trên 30%.

Độ tin cậy cao

Khả năng chống bức xạ mạnh và độ ổn định nhiệt độ cao tuyệt vời khiến các pin này phù hợp hoàn hảo với nhu cầu cốt lõi của các sứ mệnh cao cấp, tuổi thọ dài. Lợi thế về hiệu suất đủ để bù đắp chi phí cao hơn.

Công nghệ trưởng thành với lịch sử hoạt động lâu dài trên quỹ đạo

Vào năm 1965, vệ tinh Venera 3 của Liên Xô cũ là vệ tinh đầu tiên sử dụng pin GaAs. Năm 1995, vệ tinh thương mại đầu tiên MEASAT đã sử dụng GaAs đơn nối làm nguồn điện chính, và thiết kế mảng năng lượng mặt trời đã xây dựng một cơ sở dữ liệu hoàn chỉnh chứng minh rằng pin GaAs có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng trong toàn bộ vòng đời của tàu vũ trụ. Từ đó, pin GaAs dần thay thế các pin cũ hơn làm đơn vị phát điện cơ bản trên tàu vũ trụ, tiến hóa từng bước từ thiết kế đơn nối sang đa nối.

Tại sao thiết kế thành cấu trúc ba mối nối?

Bất kỳ vật liệu bán dẫn nào cũng chỉ có thể hấp thụ hiệu quả các photon có năng lượng lớn hơn độ rộng vùng cấm của nó. Các photon có năng lượng quá thấp không thể sử dụng được, trong khi các photon có năng lượng quá cao sẽ mất phần năng lượng dư thừa dưới dạng nhiệt (mất mát nhiệt hóa). Độ rộng vùng cấm của pin đơn nối không thể khớp hoàn hảo với quang phổ mặt trời. Lấy pin silicon đơn nối làm ví dụ: nó có thể hấp thụ các photon trong dải 0.3-1.1 μm (300 nm-1100 nm), chủ yếu hoạt động trong dải 0.38 μm-0.7 μm. Đó là lý do tại sao pin silicon đơn nối có hiệu suất tối đa hạn chế, với giới hạn lý thuyết khoảng 29.7%.

Pin ba mối nối chia công việc cho ba pin con, cắt quang phổ mặt trời thành ba đoạn để mỗi pin con hoạt động trong dải phù hợp nhất. Điều này giảm mạnh cả tổn thất nhiệt hóa và tổn thất không khớp quang phổ. Về lý thuyết, pin đa nối có thể đạt hiệu suất gần 50%, cao hơn nhiều so với cấu trúc đơn nối.

Cấu trúc của pin GaAs ba mối nối

Pin GaAs ba mối nối được chia thành ba phần: pin trên, pin giữa và pin dưới. Mỗi phần sử dụng vật liệu chính (vùng nền) khác nhau và đóng vai trò khác nhau.

Pin trên

Thường là AlGaInP / GaInP, với độ rộng vùng cấm khoảng 1.8-1.9 eV. Nó chủ yếu hấp thụ các photon bước sóng ngắn (tia cực tím, ánh sáng xanh). Pin trên hấp thụ các photon năng lượng cao và giảm tổn thất nhiệt hóa.

Pin giữa

Thường là InGaAs hoặc GaAs, với độ rộng vùng cấm khoảng 1.42 eV. Nó chủ yếu hấp thụ các photon bước sóng trung và dài (ánh sáng xanh lục, vàng, đỏ). Pin giữa xử lý các bước sóng trung và dài và đóng góp phần lớn dòng quang điện.

Pin dưới

Thường là Ge, với độ rộng vùng cấm khoảng 0.67 eV. Nó chủ yếu hấp thụ các photon bước sóng dài (hồng ngoại gần). Pin dưới thu nhận ánh sáng hồng ngoại có khả năng xuyên thấu cao.

Bây giờ chúng ta hãy xem xét từng lớp làm gì.

① Lớp tiếp xúc

Nằm ngay phía trên lớp Cap ngoài cùng, đây là lớp bán dẫn mà điện cực kim loại tiếp xúc trực tiếp. Nó thường được pha tạp nặng n⁺⁺-GaAs hoặc n⁺⁺-GaInP. Nhiệm vụ chính của nó là giảm điện trở tiếp xúc—pha tạp nặng giúp nó tạo thành tiếp xúc ohmic tốt với điện cực kim loại và cắt giảm tổn thất điện. Nó cũng bảo vệ vùng hoạt động, cách ly điện cực kim loại khỏi vùng hoạt động nhạy cảm bên dưới (lớp cửa sổ, lớp phát xạ, v.v.) để ngăn ngừa hư hỏng trong quá trình xử lý.

② Lớp Cap

Nằm phía trên lớp cửa sổ và dưới lớp phủ chống phản xạ, giữa màng chống phản xạ và lớp tiếp xúc. Nó thường là GaAs, mặc dù một số thiết kế sử dụng oxit dẫn điện trong suốt (TCO) như ITO. Vai trò chính của nó là hỗ trợ thu dòng điện như một "điện cực phụ", làm việc cùng với lớp tiếp xúc để thu thập và dẫn dòng điện ra ngoài theo chiều ngang—đặc biệt hữu ích cho các thiết kế lưới đường mảnh. Độ dày và chiết suất của nó cũng có thể được điều chỉnh để tham gia vào thiết kế quang học và cung cấp hiệu ứng chống phản xạ phụ trợ.

③ Lớp Cửa sổ

Nằm phía trên lớp phát xạ, thường được làm bằng AlInP, AlGaInP hoặc AlGaAs. Vai trò chính của nó là giảm tái hợp bề mặt: bản chất vật liệu có vùng cấm rộng giúp nó hấp thụ ít ánh sáng, và nó tạo thành một tiếp giáp cao-thấp đẩy các hạt tải điện quang sinh (electron) về phía bên trong lớp phát xạ, cắt giảm tổn thất tái hợp tại các khuyết tật bề mặt. Nó cũng hoạt động như một "chiếc ô", bảo vệ vùng tiếp giáp khỏi hư hỏng trong các quá trình sau như bốc bay điện cực.

④ Lớp Phát xạ

Nằm dưới lớp cửa sổ và trên lớp nền, tạo thành tiếp giáp PN với lớp nền. Nó thường là GaInP hoặc GaAs loại N. Vai trò chính của nó là làm "điện cực dương", thu thập các electron quang sinh và dẫn chúng đến mạch ngoài. Nó cũng cân bằng giữa hấp thụ ánh sáng và thu thập—thông qua việc điều chỉnh cẩn thận độ dày và nồng độ pha tạp, nó đủ dày để hấp thụ ánh sáng bước sóng ngắn nhưng không quá dày để các hạt tải điện tái hợp trong quá trình khuếch tán.

⑤ Lớp Nền

Nằm dưới lớp phát xạ và trên lớp BSF, đây là phần chính của tiếp giáp PN. Nó thường là GaInP hoặc AlGaInP loại P. Là vùng hấp thụ ánh sáng chính, nó là "ngựa thồ" của tế bào trên cùng, hấp thụ hầu hết ánh sáng bước sóng ngắn (xanh lam và tử ngoại), tạo ra các cặp electron-lỗ trống quang sinh, và vận chuyển hiệu quả các lỗ trống quang sinh đến lớp BSF phía sau hoặc điện cực.

⑥ Lớp BSF (Trường Mặt Sau)

Nằm bên dưới đế và phía trên điểm nối tunnel, tạo thành một điểm nối cao-thấp với đế ở mặt sau. Vật liệu thường là p-AlGaInP, AlGaAs có dải rộng, v.v. Vai trò chính của nó là ngăn chặn sự tái hợp hạt tải ngược: lớp BSF tạo ra một "rào cản" ở mặt sau của đế, ngăn các lỗ trống do quang sinh ra tái hợp khi chúng khuếch tán về phía điện cực sau, từ đó tăng điện áp và hiệu suất.

⑦ Bộ phản xạ

Nằm giữa pin trên và pin giữa, hoặc giữa pin giữa và pin dưới. Đây là Bộ phản xạ Bragg phân bố (DBR) được chế tạo từ các vật liệu có chiết suất cao và thấp xen kẽ, như AlAs/AlGaAs hoặc AlInP/AlGaInP. Nhiệm vụ chính của nó là phản xạ lại ánh sáng có bước sóng trung bình đến dài mà pin trên và pin giữa chưa hấp thụ và sắp thoát ra ngoài, cho phép hấp thụ lần thứ hai, nâng cao dòng điện tổng và hiệu suất.

⑧ Điểm nối tunnel

Nằm giữa các pin con, được làm từ các lớp mỏng pha tạp nặng (ví dụ n++GaAs / p++GaAs). Giống như một "đường hầm lượng tử", nó cho phép các hạt tải quang sinh đi qua hiệu quả trong khi vẫn giữ cho mỗi pin con độc lập về điện.

Cấu trúc của pin giữa tương tự như pin trên, chỉ khác về vật liệu, nên chúng tôi không lặp lại ở đây. Dưới đây chúng tôi trình bày ngắn gọn những điểm khác biệt của pin dưới.

⑨ Lớp đệm

Nằm giữa pin dưới và pin giữa, giải quyết vấn đề không tương thích mạng tinh thể. Khi vật liệu pin dưới (ví dụ InGaAs) không khớp hằng số mạng với vật liệu phía trên (ví dụ GaAs), lớp đệm sử dụng cấu trúc "gradient" hoặc "mạng biến dạng" để giải phóng ứng suất dần dần và "chặn" các lệch mạng xuyên, giữ chúng ra khỏi vùng hoạt động của pin dưới, từ đó cải thiện hiệu suất pin.

⑩ Đế pin dưới

Nằm ở phía "dày" của điểm nối PN của pin dưới. Thường là đế Ge loại p. Chức năng chính của nó là hấp thụ ánh sáng hồng ngoại bước sóng dài, đóng vai trò là bộ phận chính tạo ra hạt tải quang sinh trong pin dưới.

Một vài lưu ý

Trong các ký hiệu loại P/N, N++/P++ và các ký hiệu tương tự chỉ mức độ pha tạp nhẹ hay nặng. Cấu trúc pin GaAs ba mối nối được minh họa trong bài viết này đã lược bỏ cấu trúc điện cực, cấu trúc lớp chống phản xạ và các chi tiết tương tự để đơn giản hóa.

Tài liệu tham khảo:

• Pin mặt trời ba mối nối có bộ phản xạ và phương pháp chế tạo - 2022-0804

• Pin mặt trời ba mối nối InGaP/InGaAs/Ge với cấu trúc chống phản xạ vi-nano và phương pháp chế tạo - 2018-0425

• Phương pháp cho pin mặt trời ba mối nối và pin mặt trời ba mối nối - 2020-11-13

Quan điểm của Ooitech

Ooitech tin rằng: pin GaAs ba mối nối, bằng cách phân chia quang phổ mặt trời qua ba pin phụ, mang lại hiệu suất cao và độ tin cậy đã được chứng minh, khiến chúng trở thành lựa chọn hàng đầu cho các sứ mệnh không gian năng lượng cao ngày nay.