Allikas: energy.gov
TAUST
Kõrgefektiivsed mitmeotstarbelised seadmed kasutavad mitut ribalaiust ehk ristmikke, mis on häälestatud absorbeerima päikesespektri konkreetset piirkonda, et luua päikeseelemente, mille kasutegur on üle 45%. Maksimaalne teoreetiline efektiivsus, mida ühe ribalaiusega päikeseelement saab kontsentreerimata päikesevalguse abil saavutada, on umbes 33,5%, peamiselt päikesest kiirgavate footonite laialdase jaotuse tõttu. See efektiivsuse piiramine, mida nimetatakse Shockley-Queisseri piiriks, tuleneb asjaolust, et päikesepatarei avatud vooluringi pinget (Voc) piirab neelava materjali ribalaius ja ribalaiusest madalamate energiatega footonid ei neeldu. Fotonid, mille energia on suurem kui ribalaius, neelduvad, kuid ribalaiusest suurem energia kaob soojusena.
Mitme ühendusega seadmed kasutavad kõrge energiaga footonite absorbeerimiseks kõrge ribalaiusega ülaelementi, lastes samal ajal madalama energiaga footonitel läbi pääseda. Seejärel asetatakse kõrge ribalaiusega ristmiku alla pisut madalama ribalaiusega materjal, et absorbeerida footoneid, millel on pisut vähem energiat (pikemad lainepikkused). Tüüpilised mitmejunktiivsed rakud kasutavad kahte või enamat neelduvat ristmikku ja teoreetiline maksimaalne efektiivsus suureneb ristmike arvuga. Varakult teostatud mitmekihiliste seadmete uurimine võimendas perioodiliste tabelite III ja V veeru elementidest koosnevate pooljuhtide omadusi, nagu galliumindiumfosfaat (GaInP), galliumindium-arseniid (GaInAs) ja gallium-arseniid (GaAs). Kolme ristmikuga seadmed, mis kasutavad III-V pooljuhte, on kontsentreeritud päikesevalguse kasutamisel saavutanud tõhususe üle 45%. Seda arhitektuuri saab kasutada ka teistes päikeseelementide tehnoloogiates ning uuritakse CIGS-ist, CdSe-st, räni, orgaanilistest molekulidest ja muudest materjalidest valmistatud mitmekihilisi elemente.
Varem on mitmeotstarbelisi seadmeid kasutatud peamiselt kosmoses, kus kerge elektritootmise eest on seatud lisatasu, mis võimaldab seda suhteliselt kallist päikeseenergia tehnoloogiat kasutada. Maapealsete rakenduste jaoks võib nende pooljuhtsubstraatide kõrged kulud (näiteks räniga võrreldes) kompenseerida kontsentreerimisoptika abil, kusjuures praegused süsteemid kasutavad peamiselt Fresneli läätsi. Kontsentreeriv optika suurendab päikesepatareis langeva valguse hulka, põhjustades seeläbi suuremat energiatootmist. Kontsentreeruva optika kasutamine eeldab kaheteljelise päikese jälgimise kasutamist, mis tuleb arvestada süsteemi maksumuses.
TEADUSUUNISED
Ehkki III-V mitmikmoodulid on efektiivsemad kui konkureerivad tehnoloogiad, on sellised päikesepatareid praeguste valmistamismeetodite ja materjalide tõttu märkimisväärselt kallimad. Seetõttu on aktiivsed teadusuuringud suunatud nende päikesepatareide toodetud elektrienergia kulude vähendamisele selliste lähenemisviiside kaudu nagu uute põhimikumaterjalide, absorbeerivate materjalide ja valmistamismeetodite väljatöötamine; efektiivsuse suurendamine; laiendades multijunction kontseptsiooni muudele PV-tehnoloogiatele. Lisaks on selliste päikesepatareide maksumuse tõttu aktiivseteks uurimisvaldkondadeks ka usaldusväärsete odavate lahenduste väljatöötamine jälgimiseks ja kontsentreerimiseks, mis toetaksid mitme ühendusega elemente kasutavate PV-süsteemide kulude vähendamist.
Lisateave autasustajate ja ülitõhusate III-V-rakkudega seotud projektide kohta leiate allpool.
Ohio Riiklik Ülikool: Columbuse ülikoolilinnak (fotogalvaanika uurimis- ja arendustegevus)
Arizona osariigi ülikool (fotogalvaanika uuringud ja arendus)
Oregoni ülikool (fotogalvaanika uurimis- ja arendustegevus: väikesed innovaatilised projektid päikeseenergia valdkonnas)
Lõuna-Dakota kaevanduste ja tehnoloogiakool (fotogalvaanika uurimis- ja arendustegevus: väikesed innovaatilised projektid päikeseenergia valdkonnas)
Arizona osariigi ülikool (fotogalvaanika uurimis- ja arendustegevus: väikesed innovaatilised projektid päikeseenergia valdkonnas)
nLiten Energy (Fotogalvaanilised uuringud ja arendus: väikesed innovaatilised projektid päikeseenergias)
California ülikool, Berkeley (järgmise põlvkonna fotogalvaanika II projektid)
California tehnoloogiainstituut (järgmise põlvkonna fotogalvaanika II projektid)
Põhja-Carolina Riiklik Ülikool (rakkude efektiivsuse suurendamise sihtprogramm)
Riiklik taastuvenergia labor (rakupõhise tõhususe suurendamise sihtprogramm)
Ohio Riiklik Ülikool (raku efektiivsuse suurendamise sihtprogramm)
Houstoni ülikool (järgmise põlvkonna fotogalvaanika 3 projekti)
Riiklik taastuvenergia labor (järgmise põlvkonna fotogalvaanika 3 projekti)
KASU
Mitmikühendusega III-V päikesepatareide eelised hõlmavad järgmist:
Spektri sobitamine: ülitõhusaid rakke (> 45%) saab valmistada Päikesespektri lõikude sobitamisel spetsiifiliste neeldumiskihtidega, millel on spetsiifiline ribalaius.
Kristallstruktuur: erinevatel III-V pooljuhtide kombinatsioonidel on sarnased kristallstruktuurid ja ideaalsed omadused päikeseelementide jaoks, sealhulgas pikad eksitoni difusioonipikkused, kandja liikuvus ja ühilduvad absorptsioonispektrid.
TOOTMINE
Traditsioonilised multijunction III-V rakud pannakse kokku epitaksiaalses monoliitses virnas, mille alamrakud on üksteise järel ühendatud tunneli ristmike kaudu. Mitmefunktsioonilise raku konstrueerimine monoliitsesse virna põhjustab materjali piiranguid ja selliste seadmete valmistamine on hõlbustatav, kui alamrakkude üksikutel kihtidel on ühilduvad aatomi võreasendid ja need on omavahel võrdsustatud. See võre sobitamise eelis on põhjus, miks Ge, mida kasutatakse mõne III-V sulamiga sobitatud võrena, kasutatakse MJ-des tavaliselt substraadina ja kitsa riba ribaga rakku. Võre sobitamise piirangutest saab üle täiendava keerukuse, kasutades vahvlite sidumist või metamorfseid puhverkihte.
Tunneli ristmikukiht on konstrueeritud väga legeeritud p ++ ja n ++ kihtide liidese abil. Nende kihtide interaktsiooni tulemuseks on ruumiliselt kitsas ruumilaengu piirkond, mis võimaldab voolu voolata alamrakkude vahel. Alamrakkude ja tunneli ristmike vahelisel pinnal olevatele passiivsetele pinnaseisunditele võib lisada kõrge ribalaiusega kihte, mida nimetatakse aknakihtideks ja tagaküljeväljadeks, mis võivad siis, kui neid ei jäeta, püüda kandjaid kinni ja kiirendada rekombinatsiooni.
Kui alamrakud on ühendatud järjestikku, piirab väikseimat voolu juhtiv alamkell maksimaalset voolu, mis võib läbi seadme voolata. Seetõttu tuleb alamrakkude voolu häälestamiseks teha suuri jõupingutusi. Alamrakkude vaheline luminestsentsühendus võib leevendada mõnda praegusele sobivat kujundusvajadust.
Mitmikühendusega III-V päikeseelemente saab valmistada kasutades molekulaarkiirega epitaksiat (MBE), kuid metallide-orgaaniliste keemilise aurustamise-sadestamise (MOCVD) reaktorite valmistamine on tüüpiline GaInP / GaInAs / Ge-seadmete kaubanduslikul tootmisel. Kihid saab kasvatada vesinikkandjas gaasis trimetüülgalliumist (Ga (CH3) 3), trimetüülindiumist (InC3H9), arsiinist (AsH3) ja fosfiinist (PH3), kasutades lisandeid, nagu vesinikseleniid (H2Se), silaan (SiH6), ja dietüültsink ((C2H5) 2Zn). Kontsentreeruva optika kasutamine võimaldab üksikutel lahtritel olla üsna väike - kohati sama väike kui pliiatsi otsa suurus. Seetõttu võimaldavad need tehnikad sadu päikesepatareisid kasvatada ühekaupa. Rakkude suuruse edasiseks vähendamiseks ja ühest vahvlist kasvatatavate rakkude arvu suurendamiseks tehakse uuringuid, mis aitab vähendada raku maksumust.
