เซลล์แสงอาทิตย์ GaAs แบบสามรอยต่อ: การเจาะลึกโครงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์อวกาศกระแสหลัก
สารบัญ
บทนำ
เมื่อการบินอวกาศเชิงพาณิชย์เติบโตขึ้น ยานอวกาศต้องการพลังงานไฟฟ้ามากขึ้นเรื่อยๆ โฟโตวอลเทอิกในอวกาศเป็นแหล่งพลังงานหลักสำหรับยานอวกาศส่วนใหญ่ ดังนั้นการเลือกเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์จึงส่งผลโดยตรงต่อความสำเร็จของภารกิจ ความคุ้มค่า และความสามารถในการแข่งขันในตลาด
ปัจจุบันมีทิศทางเทคโนโลยีหลักสามประการ ได้แก่ แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs), เฮเทอโรจังก์ชันชนิด p (HJT) และเซลล์คู่ HJT ชนิด p/เพอรอฟสไกต์ เมื่อพิจารณาทิศทางของเทคโนโลยีและศักยภาพในระยะยาว รวมถึงข้อดีข้อเสียหลักของแต่ละเส้นทาง GaAs ยังคงเป็นตัวเลือกอันดับหนึ่ง แม้จะมีต้นทุนที่ท้าทาย แต่ประสิทธิภาพโดยรวมที่ไม่มีใครเทียบ ความน่าเชื่อถือที่พิสูจน์แล้วในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง และพื้นที่ในการลดต้นทุนที่ชัดเจนและมากมาย ทำให้ GaAs เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับภารกิจอวกาศเชิงพาณิชย์ที่มีมูลค่าสูงและความน่าเชื่อถือสูงทั้งในปัจจุบันและในอีก 3-5 ปีข้างหน้า
ข้อดีของเซลล์ GaAs แบบสามรอยต่อ
ประสิทธิภาพสูง
ช่องว่างแถบพลังงานของ GaAs (1.42 eV) อยู่ในช่วงที่เหมาะสมที่สุดในทางทฤษฎี นอกจากนี้ เซลล์แบบหลายรอยต่อยังซ้อนชั้น GaInP, GaAs และ Ge ซึ่งดูดซับโฟตอนพลังงานสูง กลาง และต่ำตามลำดับ ซึ่งช่วยขยายสเปกตรัมที่ใช้ได้อย่างมาก เซลล์ GaAs แบบสามรอยต่อรุ่นล่าสุดสำหรับโฟโตวอลเทอิกในอวกาศมีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูงกว่า 30%
ความน่าเชื่อถือสูง
ความทนทานต่อรังสีที่แข็งแกร่งและเสถียรภาพที่อุณหภูมิสูงที่ดีเยี่ยมทำให้เซลล์เหล่านี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับความต้องการหลักของภารกิจระยะยาวที่มีประสิทธิภาพสูง ความได้เปรียบด้านประสิทธิภาพเพียงพอที่จะชดเชยต้นทุนที่สูงขึ้น
เทคโนโลยีที่成熟และมีประวัติการใช้งานในวงโคจรยาวนาน
ย้อนกลับไปในปี 1965 ดาวเทียม Venera 3 ของอดีตสหภาพโซเวียตเป็นดวงแรกที่ใช้เซลล์ GaAs ในปี 1995 ดาวเทียมสื่อสารเชิงพาณิชย์ดวงแรก MEASAT ใช้ GaAs แบบรอยต่อเดี่ยวเป็นหน่วยพลังงานหลัก และการออกแบบแผงโซลาร์เซลล์ได้สร้างฐานข้อมูลที่สมบูรณ์ซึ่งพิสูจน์ว่าเซลล์ GaAs สามารถตอบสนองความต้องการพลังงานตลอดอายุการใช้งานของยานอวกาศได้ ตั้งแต่นั้นมา เซลล์ GaAs ก็ค่อยๆ เข้ามาแทนที่เซลล์รุ่นเก่าในฐานะหน่วยผลิตพลังงานพื้นฐานบนยานอวกาศ โดยพัฒนาจากรอยต่อเดี่ยวไปเป็นแบบหลายรอยต่อทีละขั้น
ทำไมต้องออกแบบเป็นโครงสร้างสามรอยต่อ?
วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ใดๆ ก็สามารถดูดซับโฟตอนที่มีพลังงานมากกว่าแบนด์แก๊ปของมันได้อย่างมีประสิทธิภาพเท่านั้น โฟตอนที่มีพลังงานน้อยเกินไปจะไม่สามารถนำมาใช้ได้ ในขณะที่โฟตอนที่มีพลังงานมากเกินไปจะสูญเสียพลังงานส่วนเกินไปเป็นความร้อน (การสูญเสียจากการระบายความร้อน) เซลล์รอยต่อเดี่ยวมีแบนด์แก๊ปที่ไม่สามารถจับคู่กับสเปกตรัมแสงอาทิตย์ได้อย่างสมบูรณ์แบบ ยกตัวอย่างเซลล์ซิลิคอนรอยต่อเดี่ยว: มันสามารถดูดซับโฟตอนในช่วง 0.3-1.1 μm (300 nm-1100 nm) โดยทำงานหลักในช่วง 0.38 μm-0.7 μm นั่นคือเหตุผลที่เซลล์ซิลิคอนรอยต่อเดี่ยวมีขีดจำกัดประสิทธิภาพที่จำกัด โดยมีขีดจำกัดทางทฤษฎีประมาณ 29.7%
เซลล์สามรอยต่อแบ่งการทำงานออกเป็นสามเซลล์ย่อย โดยตัดสเปกตรัมแสงอาทิตย์ออกเป็นสามส่วนเพื่อให้แต่ละเซลล์ย่อยทำงานในแถบที่เหมาะสมที่สุด ซึ่งช่วยลดทั้งการสูญเสียจากการระบายความร้อนและการสูญเสียจากการไม่ตรงกันของสเปกตรัมได้อย่างมาก ในทางทฤษฎี เซลล์หลายรอยต่อสามารถมีประสิทธิภาพใกล้ถึง 50% ซึ่งสูงกว่าโครงสร้างรอยต่อเดี่ยวมาก
โครงสร้างของเซลล์ GaAs สามรอยต่อ
เซลล์ GaAs สามรอยต่อแบ่งออกเป็นสามส่วน: เซลล์บน เซลล์กลาง และเซลล์ล่าง แต่ละส่วนใช้วัสดุหลัก (บริเวณฐาน) ที่แตกต่างกันและมีบทบาทที่แตกต่างกัน
เซลล์บน
โดยปกติคือ AlGaInP / GaInP มีแบนด์แก๊ปประมาณ 1.8-1.9 eV ดูดซับโฟตอนความยาวคลื่นสั้นเป็นหลัก (รังสีอัลตราไวโอเลต, แสงสีน้ำเงิน) เซลล์บนดูดซับโฟตอนพลังงานสูงและลดการสูญเสียจากการระบายความร้อน
เซลล์กลาง
โดยปกติคือ InGaAs หรือ GaAs มีแบนด์แก๊ปประมาณ 1.42 eV ดูดซับโฟตอนความยาวคลื่นปานกลางถึงยาวเป็นหลัก (แสงสีเขียว, สีเหลือง, สีแดง) เซลล์กลางจัดการกับความยาวคลื่นปานกลางถึงยาวและมีส่วนสร้างกระแสไฟมากที่สุด
เซลล์ล่าง
โดยปกติคือ Ge มีแบนด์แก๊ปประมาณ 0.67 eV ดูดซับโฟตอนความยาวคลื่นยาวเป็นหลัก (อินฟราเรดใกล้) เซลล์ล่างจับแสงอินฟราเรดที่ทะลุทะลวงสูง
ตอนนี้เรามาดูกันว่าแต่ละชั้นทำหน้าที่อะไร
① ชั้นสัมผัส
ชั้นนี้อยู่เหนือชั้น Cap ด้านนอกสุดโดยตรง เป็นชั้นสารกึ่งตัวนำที่อิเล็กโทรดโลหะสัมผัสโดยตรง มักเป็น n⁺⁺-GaAs หรือ n⁺⁺-GaInP ที่โดปหนัก หน้าที่หลักคือลดความต้านทานสัมผัส การโดปหนักช่วยให้เกิดโอห์มิกคอนแทคที่ดีกับอิเล็กโทรดโลหะและลดการสูญเสียทางไฟฟ้า นอกจากนี้ยังปกป้องบริเวณแอคทีฟ โดยแยกอิเล็กโทรดโลหะออกจากบริเวณแอคทีฟที่บอบบางด้านล่าง (ชั้นหน้าต่าง, อิมิตเตอร์ ฯลฯ) เพื่อป้องกันความเสียหายจากกระบวนการผลิต
② ชั้น Cap
อยู่เหนือชั้นหน้าต่างและใต้สารเคลือบป้องกันแสงสะท้อน ระหว่างฟิล์มป้องกันแสงสะท้อนและชั้นคอนแทค โดยทั่วไปเป็น GaAs แม้ว่าบางแบบจะใช้สารนำไฟฟ้าโปร่งใส (TCO) เช่น ITO หน้าที่หลักคือช่วยในการเก็บรวบรวมกระแสในฐานะ "อิเล็กโทรดเสริม" ร่วมกับชั้นคอนแทคในการรวบรวมและนำกระแสออกทางด้านข้าง โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีประโยชน์สำหรับการออกแบบกริดเส้นละเอียด ความหนาและดัชนีหักเหของชั้นนี้สามารถปรับแต่งเพื่อมีส่วนร่วมในการออกแบบเชิงแสงและให้ผลเสริมในการป้องกันแสงสะท้อน
③ ชั้นหน้าต่าง
อยู่เหนืออิมิตเตอร์ มักทำจาก AlInP, AlGaInP หรือ AlGaAs หน้าที่หลักคือลดการรวมตัวที่พื้นผิว: เนื่องจากวัสดุมีแถบพลังงานกว้างจึงดูดซับแสงน้อย และสร้างรอยต่อสูง-ต่ำที่ผลักพาหะที่สร้างจากแสง (อิเล็กตรอน) เข้าสู่ภายในอิมิตเตอร์ ลดการสูญเสียจากการรวมตัวที่ตำแหน่งบกพร่องบนพื้นผิว นอกจากนี้ยังทำหน้าที่เป็น "ร่ม" ปกป้องบริเวณรอยต่อจากความเสียหายระหว่างกระบวนการหลัง เช่น การระเหยอิเล็กโทรด
④ อิมิตเตอร์
อยู่ใต้ชั้นหน้าต่างและเหนือเบส เกิดเป็นรอยต่อ PN กับเบส โดยทั่วไปเป็น N-type GaInP หรือ GaAs หน้าที่หลักคือทำหน้าที่เป็น "ขั้วบวก" รวบรวมอิเล็กตรอนที่สร้างจากแสงและนำไปยังวงจรภายนอก นอกจากนี้ยังปรับสมดุลระหว่างการดูดซับแสงและการรวบรวม โดยการปรับความหนาและความเข้มข้นของสารเจืออย่างระมัดระวัง ให้หนาพอที่จะดูดซับแสงความยาวคลื่นสั้น แต่ไม่หนาจนพาหะรวมตัวระหว่างการแพร่
⑤ เบส
อยู่ใต้ชั้นอิมิตเตอร์และเหนือชั้น BSF เป็นส่วนหลักของรอยต่อ PN โดยทั่วไปเป็น p-type GaInP หรือ AlGaInP ในฐานะบริเวณดูดซับแสงหลัก เป็น "ม้าทำงาน" ของเซลล์บน ดูดซับแสงความยาวคลื่นสั้นส่วนใหญ่ (สีน้ำเงินและอัลตราไวโอเลต) สร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮลที่เกิดจากแสง และขนส่งโฮลที่เกิดจากแสงไปยังชั้น BSF ด้านหลังหรืออิเล็กโทรดอย่างมีประสิทธิภาพ
⑥ ชั้น BSF (สนามหลังเซลล์)
อยู่ใต้ฐานและเหนือรอยต่ออุโมงค์ ก่อให้เกิดรอยต่อสูง-ต่ำกับฐานทางด้านหลัง วัสดุมักเป็น p-AlGaInP, AlGaAs แบบแถบกว้าง เป็นต้น หน้าที่หลักคือยับยั้งการรวมตัวของพาหะย้อนกลับ: ชั้น BSF สร้าง "สิ่งกีดขวาง" ที่ด้านหลังของฐาน ซึ่งหยุดไม่ให้โฮลที่เกิดจากแสงถูกรวมตัวใหม่เมื่อแพร่ไปยังขั้วไฟฟ้าด้านหลัง จึงช่วยเพิ่มแรงดันและประสิทธิภาพ
⑦ ตัวสะท้อนแสง
อยู่ระหว่างเซลล์บนและเซลล์กลาง หรือระหว่างเซลล์กลางและเซลล์ล่าง เป็น Distributed Bragg Reflector (DBR) ที่ปลูกจากวัสดุสลับกันที่มีดัชนีหักเหสูงและต่ำ เช่น AlAs/AlGaAs หรือ AlInP/AlGaInP หน้าที่หลักคือสะท้อนแสงความยาวคลื่นปานกลางถึงยาวที่เซลล์บนและเซลล์กลางยังไม่ดูดซับและกำลังจะหลุดออกไปกลับมา ทำให้มีการดูดซับรอบที่สองซึ่งช่วยเพิ่มกระแสและประสิทธิภาพโดยรวม
⑧ รอยต่ออุโมงค์
อยู่ระหว่างเซลล์ย่อย ทำจากชั้นบางที่โดปหนัก (เช่น n++GaAs / p++GaAs) เหมือน "อุโมงค์ควอนตัม" ที่ให้พาหะที่เกิดจากแสงผ่านได้อย่างมีประสิทธิภาพในขณะที่รักษาความเป็นอิสระทางไฟฟ้าของแต่ละเซลล์ย่อย
โครงสร้างของเซลล์กลางคล้ายกับเซลล์บน เพียงแต่วัสดุต่างกัน ดังนั้นจะไม่กล่าวซ้ำ ด้านล่างนี้จะกล่าวถึงสิ่งที่แตกต่างของเซลล์ล่างโดยย่อ
⑨ ชั้นบัฟเฟอร์
ประกบระหว่างเซลล์ล่างและเซลล์กลาง แก้ปัญหาความไม่เข้ากันของแลตทิซ เมื่อวัสดุเซลล์ล่าง (เช่น InGaAs) ไม่ตรงกับค่าคงที่แลตทิซของวัสดุด้านบน (เช่น GaAs) ชั้นบัฟเฟอร์ใช้โครงสร้าง "แบบค่อยเป็นค่อยไป" หรือ "เมตามอร์ฟิกแลตทิซ" เพื่อค่อยๆ ปลดปล่อยความเครียดและ "สกัดกั้น" ข้อบกพร่องแบบเกลียว (threading dislocations) ไม่ให้เข้าไปในบริเวณทำงานของเซลล์ล่าง จึงช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลล์
⑩ ฐานเซลล์ล่าง
อยู่ด้าน "หนา" ของรอยต่อ PN ของเซลล์ล่าง โดยทั่วไปเป็นซับสเตรต Ge ชนิด p หน้าที่หลักคือดูดซับแสงอินฟราเรดความยาวคลื่นยาว ทำหน้าที่เป็นตัวหลักในการสร้างพาหะที่เกิดจากแสงในเซลล์ล่าง
หมายเหตุบางประการ
ในป้ายกำกับชนิด P/N, N++/P++ และเครื่องหมายที่คล้ายกันบ่งบอกถึงการโดปเบาหรือหนัก โครงสร้างเซลล์ GaAs สามรอยต่อที่แสดงในบทความนี้ละเว้นโครงสร้างขั้วไฟฟ้า โครงสร้างชั้นป้องกันการสะท้อน และรายละเอียดที่คล้ายกันเพื่อความเรียบง่าย
เอกสารอ้างอิง:
เซลล์แสงอาทิตย์สามรอยต่อที่มีตัวสะท้อนแสงและวิธีการผลิต - 2022-0804
เซลล์แสงอาทิตย์แบบสามรอยต่อ InGaP/InGaAs/Ge ที่มีโครงสร้างป้องกันการสะท้อนระดับไมโคร-นาโน และวิธีการผลิต - 2018-0425
วิธีการสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์แบบสามรอยต่อและเซลล์แสงอาทิตย์แบบสามรอยต่อ - 2020-11-13
มุมมองของ Ooitech
Ooitech เชื่อว่า: เซลล์ GaAs แบบสามรอยต่อ โดยการแบ่งสเปกตรัมแสงอาทิตย์ผ่านเซลล์ย่อยสามเซลล์ ให้ประสิทธิภาพสูงและความน่าเชื่อถือที่พิสูจน์แล้ว ทำให้เป็นตัวเลือกชั้นนำสำหรับภารกิจอวกาศที่ใช้พลังงานสูงในปัจจุบัน
