Tế bào mặt trời GaAs ba lớp — Cấu trúc và lợi ích

Câu trả lời nhanh: Pin mặt trời GaAs ba lớp xếp chồng ba lớp tiếp giáp quang điện, mỗi lớp được điều chỉnh để hấp thụ một dải khác nhau của quang phổ mặt trời, trên nền đế gallium arsenide. Vì mỗi lớp tiếp giáp chỉ chuyển đổi các photon mà nó được ghép phù hợp, và ánh sáng không được sử dụng sẽ truyền qua lớp bên dưới, nên cấu trúc xếp chồng chuyển đổi được nhiều phần của quang phổ hơn so với pin silicon một lớp. Đây là lý do tại sao pin GaAs ba lớp vượt quá 30% hiệu suất dưới điều kiện hội tụ, so với khoảng 22% đến 24% đối với silicon thông thường. Đánh đổi là chi phí: epitaxy GaAs trên đế germanium hoặc GaAs đắt hơn nhiều bậc về mỗi watt so với silicon, vì vậy công nghệ này chỉ giới hạn trong quang điện hội tụ và tàu vũ trụ, nơi công suất trên mỗi kilogram quan trọng hơn chi phí trên mỗi watt. Các mảng vũ trụ sử dụng chúng vì khối lượng và diện tích gấp gọn là những hạn chế giới hạn.

Sản xuất mô-đun PV · bởi Jerry, Ooitech

Giới thiệu

Khi hoạt động không gian thương mại không ngừng phát triển, tàu vũ trụ cần ngày càng nhiều năng lượng điện. Quang điện không gian là nguồn năng lượng chính cho hầu hết tàu vũ trụ, vì vậy việc lựa chọn công nghệ pin mặt trời quyết định trực tiếp liệu một sứ mệnh có thành công hay không, mức độ hiệu quả về chi phí và khả năng cạnh tranh trên thị trường.

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

Ưu điểm của pin GaAs ba lớp tiếp giáp

Hiệu suất cao

Dải năng lượng (bandgap) của GaAs (1,42 eV) nằm đúng trong khoảng tối ưu về mặt lý thuyết. Hơn nữa, pin đa lớp tiếp giáp xếp chồng các lớp GaInP, GaAs và Ge lần lượt hấp thụ photon năng lượng cao, trung bình và thấp, giúp mở rộng đáng kể phổ ánh sáng có thể sử dụng. Các pin GaAs ba lớp tiếp giáp 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 những pin này hoàn toàn phù hợp 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 thành tích dài trên quỹ đạo

Từ năm 1965, vệ tinh Venera 3 của Liên Xô cũ đã trở thành vệ tinh đầu tiên sử dụng pin GaAs. Năm 1995, vệ tinh thông tin thương mại đầu tiên MEASAT sử dụng GaAs đơn lớp tiếp giáp làm đơn vị nguồn chính, và thiết kế mảng pin mặt trời đã xây dựng cơ sở dữ liệu hoàn chỉnh chứng minh pin GaAs có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng toàn 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 lớp tiếp giáp sang đa lớp tiếp giáp.

Tại sao thiết kế cấu trúc ba lớp tiếp giáp?

Bất kỳ vật liệu bán dẫn nào cũng chỉ có thể hấp thụ hiệu quả các photon có năng lượng lớn hơn dải năng lượng của nó. Photon có năng lượng quá thấp không thể sử dụng, trong khi photon có năng lượng quá cao sẽ mất phần dư thừa dưới dạng nhiệt (tổn thất nhiệt hóa). Dải năng lượng của pin đơn lớp tiếp giáp không thể khớp hoàn hảo với phổ mặt trời. Lấy pin silicon đơn lớp tiếp giáp làm ví dụ: nó có thể hấp thụ photon trong khoảng 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 pin silicon đơn lớp tiếp giáp có giới hạn hiệu suất hạn chế, với giới hạn lý thuyết khoảng 29,7%.

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

Cấu trúc của pin GaAs ba lớp tiếp giáp

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

Lớp trên

Thường là AlGaInP / GaInP, với dải năng lượng khoảng 1,8-1,9 eV. Nó chủ yếu hấp thụ photon bước sóng ngắn (tia cực tím, ánh sáng xanh). Lớp trên hấp thụ photon năng lượng cao và giảm tổn thất nhiệt hóa.

Lớp giữa

Thường là InGaAs hoặc GaAs, với dải năng lượng khoảng 1,42 eV. Nó chủ yếu hấp thụ photon bước sóng trung bình và dài (ánh sáng xanh lá, vàng, đỏ). Lớp giữa xử lý bước sóng trung bình đến dài và đóng góp phần lớn dòng quang điện.

Lớp dưới

Thường là Ge, với dải năng lượng khoảng 0,67 eV. Nó chủ yếu hấp thụ photon bước sóng dài (cận hồng ngoại). Lớp dưới bắt ánh sáng hồng ngoại có khả năng xuyên thấu cao.

Bây giờ hãy cùng tìm hiểu chức năng của từng lớp.

① Lớp tiếp xúc

Nằm ngay trên lớp Cap ngoài cùng, đây là lớp bán dẫn mà điện cực kim loại tiếp xúc trực tiếp. Nó thường là n⁺⁺-GaAs hoặc n⁺⁺-GaInP pha tạp nặng. Nhiệm vụ chính là giảm điện trở tiếp xúc—pha tạp nặng giúp nó tạo tiếp xúc ohmic tốt với điện cực kim loại và 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, emitter, v.v.) để ngăn hư hỏng trong quá trình xử lý.

② Lớp Cap

Nằm trên lớp cửa sổ và dưới lớp phủ chống phản xạ, nằm 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 là hỗ trợ thu dòng điện như một "điện cực phụ", phối hợp với lớp tiếp xúc để thu và dẫn dòng điện theo chiều ngang—đặc biệt hữu ích cho thiết kế lưới dòng mảnh. Độ dày và chiết suất của nó cũng có thể được điều chỉnh để tham gia thiết kế quang học và cung cấp hiệu ứng chống phản xạ phụ.

③ Lớp cửa sổ

Nằm trên emitter, thường làm bằng AlInP, AlGaInP hoặc AlGaAs. Vai trò chính là giảm tái hợp bề mặt: bản chất dải năng lượng rộng của vật liệu nghĩa là nó hấp thụ ít ánh sáng, và nó tạo thành tiếp giáp cao-thấp đẩy các hạt tải quang sinh (electron) về phía bên trong emitter, 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 quy trình sau như bay hơi điện cực.

④ Emitter

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 là hoạt động như "điện cực dương", thu electron quang sinh và dẫn chúng đến mạch ngoài. Nó cũng cân bằng giữa hấp thụ ánh sáng và thu thập—thông qua 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 đến mức các hạt tải tái hợp trong quá trình khuếch tán.

⑤ Lớp nền

Nằm bên dưới lớp phát xạ và bên trên lớp BSF, đây là phần thân chính của chuyển tiếp PN. Nó thường là GaInP hoặc AlGaInP loại p. Là vùng hấp thụ ánh sáng chính, nó là "con ngựa thồ" của pin trên cùng, hấp thụ phần lớn 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 hoặc điện cực phía sau.

⑥ Lớp BSF (Trường mặt sau)

Nằm bên dưới lớp đế và bên trên chuyển tiếp đường hầm, tạo thành chuyển tiếp cao-thấp với lớp đế ở mặt sau. Vật liệu thường là p-AlGaInP, AlGaAs có độ rộng vùng cấm lớn, và tương tự. Vai trò chính của nó là ngăn chặn tái hợp hạt tải ngược: lớp BSF tạo ra một "rào cản" ở mặt sau lớp đế, ngăn các lỗ trống quang sinh bị tái hợp khi chúng khuếch tán về phía điện cực sau, từ đó nâng cao điện áp và hiệu suất.

⑦ Lớp phản xạ

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

⑧ Chuyển tiếp đường hầm

Nằm giữa các pin con, được làm từ các lớp mỏng pha tạp nặng (như 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 giữ cho mỗi pin con độc lập về mặt điện.

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

⑨ Lớp đệm

Nằm xen giữa pin dưới cùng và pin giữa, nó giải quyết vấn đề sai lệch mạng tinh thể. Khi vật liệu pin dưới cùng (như InGaAs) không khớp với hằng số mạng của vật liệu phía trên (như GaAs), lớp đệm sử dụng cấu trúc "chuyển tiếp dần" hoặc "mạng biến đổi" để giải phóng dần ứng suất và "chặn" các lệch mạng xuyên, giữ chúng không xâm nhập vào vùng hoạt động của pin dưới cùng, từ đó cải thiện hiệu suất pin.

⑩ Lớp đế pin dưới cùng

Nằm ở phía "dày" của chuyển tiếp PN của pin dưới cùng. Nó 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 con ngựa thồ tạo ra các hạt tải quang sinh trong pin dưới cùng.

Một vài lưu ý

Trong các nhãn loại P/N, các ký hiệu N++/P++ và tương tự chỉ mức pha tạp nhẹ so với nặng. Cấu trúc pin GaAs ba chuyển tiếp 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 chuyển tiếp với gương phản xạ và phương pháp chế tạo - 2022-0804

• Pin mặt trời ba chuyển tiếp 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 chuyển tiếp và pin mặt trời ba chuyển tiếp - 2020-11-13

Quan điểm của Ooitech

Ooitech tin rằng: pin GaAs ba chuyển tiếp, bằng cách phân chia phổ mặt trời thành ba pin con, mang lại hiệu suất cao và độ tin cậy đã được chứng minh, khiến chúng trở thành lựa chọn hàng đầu cho các nhiệm vụ năng lượng không gian giá trị cao ngày nay.