المصدر: energy.gov
خلفية
تستخدم الأجهزة متعددة الوصلات عالية الكفاءة فجوات نطاق متعددة ، أو تقاطعات ، يتم ضبطها لامتصاص منطقة معينة من الطيف الشمسي لإنشاء خلايا شمسية ذات كفاءات قياسية تزيد عن 45٪. تبلغ الكفاءة النظرية القصوى التي يمكن أن تحققها الخلية الشمسية ذات فجوة واحدة مع ضوء الشمس غير المركز حوالي 33.5٪ ، ويرجع ذلك أساسًا إلى التوزيع الواسع للفوتونات المنبعثة من الطاقة الشمسية. تنشأ هذه الكفاءة المحددة ، والمعروفة باسم حد Shockley-Queisser ، من حقيقة أن جهد الدائرة المفتوحة (Voc) للخلية الشمسية محدود بواسطة فجوة النطاق للمادة الماصة وأن الفوتونات ذات الطاقات تحت فجوة النطاق لا يتم امتصاصها. يتم امتصاص الفوتونات التي لها طاقات أكبر من فجوة النطاق ، ولكن الطاقة الأكبر من فجوة النطاق تضيع كحرارة.
تستخدم الأجهزة متعددة الوصلات خلية علوية ذات فجوة عالية لامتصاص الفوتونات عالية الطاقة مع السماح للفوتونات ذات الطاقة المنخفضة بالمرور. يتم بعد ذلك وضع مادة ذات فجوة نطاق أقل بقليل أسفل تقاطع فجوة النطاق العالي لامتصاص الفوتونات بطاقة أقل قليلاً (أطوال موجية أطول). تستخدم الخلايا متعددة الوصلات النموذجية اثنين أو أكثر من الوصلات الممتصة ، وتزداد الكفاءة القصوى النظرية مع عدد الوصلات. استفاد البحث المبكر في الأجهزة متعددة الوصلات من خصائص أشباه الموصلات المكونة من عناصر في العمودين الثالث والخامس من الجدول الدوري ، مثل فوسفات إنديوم الغاليوم (GaInP) ، زرنيخ إنديوم الغاليوم (GaInAs) ، زرنيخيد الغاليوم (GaAs). وصلت الأجهزة ثلاثية الوصلات التي تستخدم أشباه الموصلات III-V إلى كفاءات أكبر من 45٪ باستخدام أشعة الشمس المركزة. يمكن أيضًا نقل هذه البنية إلى تقنيات الخلايا الشمسية الأخرى ، ويتم التحقيق في الخلايا متعددة الوصلات المصنوعة من CIGS و CdSe والسيليكون والجزيئات العضوية والمواد الأخرى.
في الماضي ، تم استخدام الأجهزة متعددة الوصلات في المقام الأول في الفضاء ، حيث تم وضع قسط على توليد الطاقة خفيف الوزن ، والذي يسمح باستخدام هذه التكنولوجيا الشمسية عالية التكلفة نسبيًا. بالنسبة للتطبيقات الأرضية ، يمكن تعويض التكاليف المرتفعة لركائز أشباه الموصلات هذه (مقارنة بالسيليكون ، على سبيل المثال) باستخدام البصريات المركزة ، مع استخدام الأنظمة الحالية بشكل أساسي لعدسات فريسنل. تعمل البصريات المركزة على زيادة كمية حادثة الضوء على الخلية الشمسية ، مما يؤدي إلى المزيد من إنتاج الطاقة. يتطلب استخدام البصريات المركزة استخدام تتبع أشعة الشمس ثنائي المحور ، والذي يجب أخذه بعين الاعتبار في تكلفة النظام.
اتجاهات البحث
على الرغم من أن الخلايا III-V متعددة الوصلات لديها كفاءات أعلى من التقنيات المنافسة ، فإن هذه الخلايا الشمسية أكثر تكلفة بكثير بسبب تقنيات ومواد التصنيع الحالية. لذلك ، يتم توجيه الجهود البحثية النشطة لخفض تكلفة الكهرباء التي تولدها هذه الخلايا الشمسية من خلال نهج مثل تطوير مواد الركيزة الجديدة ، والمواد الممتصة ، وتقنيات التصنيع ؛ زيادة الكفاءة ؛ وتوسيع مفهوم تعدد الوصلات ليشمل تقنيات PV الأخرى. علاوة على ذلك ، وبسبب تكلفة هذه الخلايا الشمسية ، فإن تطوير حلول موثوقة منخفضة التكلفة للتتبع والتركيز هي أيضًا مجالات بحث نشطة لدعم تخفيضات تكلفة الأنظمة الكهروضوئية التي تستخدم الخلايا متعددة الوصلات.
تعرف على المزيد حول الفائزين والمشاريع التي تتضمن خلايا III-V عالية الكفاءة أدناه.
جامعة ولاية أوهايو: حرم كولومبوس (أبحاث وتطوير الخلايا الكهروضوئية)
جامعة ولاية أريزونا (بحث وتطوير الخلايا الكهروضوئية)
جامعة أوريغون (بحث وتطوير الخلايا الكهروضوئية: مشاريع صغيرة مبتكرة في الطاقة الشمسية)
مدرسة ساوث داكوتا للمناجم والتكنولوجيا (بحث وتطوير الخلايا الكهروضوئية: مشاريع مبتكرة صغيرة في الطاقة الشمسية)
جامعة ولاية أريزونا (بحث وتطوير الخلايا الكهروضوئية: مشاريع صغيرة مبتكرة في الطاقة الشمسية)
nLiten Energy (البحث والتطوير في الخلايا الكهروضوئية: مشاريع صغيرة مبتكرة في الطاقة الشمسية)
جامعة كاليفورنيا ، بيركلي (الجيل الثاني من مشاريع الخلايا الكهروضوئية)
معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (الجيل الثاني من مشاريع الخلايا الكهروضوئية الثانية)
جامعة ولاية نورث كارولينا (البرنامج التأسيسي لتعزيز كفاءة الخلية)
المختبر الوطني للطاقة المتجددة (البرنامج التأسيسي لتعزيز كفاءة الخلايا)
جامعة ولاية أوهايو (البرنامج التأسيسي لتعزيز كفاءة الخلية)
جامعة هيوستن (مشاريع الجيل الثالث من الخلايا الكهروضوئية)
المختبر الوطني للطاقة المتجددة (الجيل التالي من الخلايا الكهروضوئية 3)
فوائد
تشمل فوائد الخلايا الشمسية متعددة الوصلات III-V ما يلي:
مطابقة الطيف: يمكن تصنيع الخلايا عالية الكفاءة (> 45٪) عن طريق مطابقة أقسام من الطيف الشمسي مع طبقات امتصاص معينة لها فجوات نطاق محددة.
التركيب البلوري: تحتوي المجموعات المختلفة من أشباه الموصلات III-V على هياكل بلورية مماثلة وخصائص مثالية للخلايا الشمسية ، بما في ذلك أطوال انتشار الإكسيتون الطويلة ، وحركة الناقل ، وأطياف الامتصاص المتوافقة.
إنتاج
يتم تجميع الخلايا التقليدية III-V متعددة الوصلات في كومة متجانسة متجانسة مع خلايا فرعية متصلة في سلسلة من خلال تقاطعات النفق. يؤدي إنشاء خلية متعددة الوصلات في رصة متجانسة إلى قيود مادية ، ويتم تسهيل تصنيع هذه الأجهزة إذا كانت الطبقات الفردية من الخلايا الفرعية لها مواضع شعرية ذرية متوافقة ومتطابقة مع الشبكة. هذه الميزة لمطابقة الشبكة هي السبب في أن Ge ، التي تتناسب مع بعض السبائك III-V ، تستخدم تقليديًا كركيزة وخلية فجوة نطاق ضيقة في MJ. يمكن التغلب على قيود مطابقة الشبكة مع التعقيد الإضافي باستخدام طبقات الرقاقة أو الطبقات العازلة المتحولة.
يتم إنشاء طبقة تقاطع النفق من خلال واجهة طبقات p ++ المنشقة للغاية و n ++. ينتج عن تفاعل هذه الطبقات منطقة شحنة فضائية ضيقة مكانيًا ، مما يسمح للتيار بالتدفق بين الخلايا الفرعية. يمكن إضافة طبقات ذات فجوة عالية ، تُعرف باسم طبقات النوافذ وحقول السطح الخلفي ، لتخفيف حالات السطح عند الواجهة بين الخلية الفرعية وتقاطع النفق ، والتي إذا تركت دون حراك ، يمكنها احتجاز الناقلات وتسريع إعادة التركيب.
إذا كانت الخلايا الفرعية متصلة في سلسلة ، فإن الخلية الفرعية التي تجري أصغر تيار يحد من التيار الأقصى الذي يمكن أن يتدفق عبر الجهاز. لذلك ، يتم بذل جهد كبير في ضبط تيار الخلايا الفرعية. يمكن لإقران الانارة بين الخلايا الفرعية تخفيف بعض متطلبات التصميم المطابقة الحالية.
يمكن تصنيع الخلايا الشمسية متعددة الوصلات III-V باستخدام تقنيات epitaxy الحزم الجزيئية (MBE) ، ولكن التصنيع في مفاعلات كبيرة لترسيب البخار الكيميائي المعدني العضوي (MOCVD) هو نموذجي للإنتاج على نطاق تجاري لأجهزة GaInP / GaInAs / Ge. يمكن زراعة الطبقات من ثلاثي ميثيل الغاليوم (Ga (CH3) 3) ، ثلاثي ميثيل إنديوم (InC3H9) ، أرسين (AsH3) ، والفوسفين (PH3) في غاز حامل الهيدروجين واستخدام dopants مثل سيلينيد الهيدروجين (H2Se) ، سيلان (SiH6) ، و ثنائي إيثيل الزنك ((C2H5) 2Zn). يسمح استخدام البصريات المركزة للخلايا الفردية أن تكون صغيرة جدًا - في بعض الأحيان ، صغيرة مثل حجم طرف قلم رصاص. لذلك ، تسمح هذه التقنيات بزراعة مئات الخلايا الشمسية على دفعات واحدة. يتم إجراء الأبحاث لزيادة تقليل حجم الخلايا وزيادة عدد الخلايا التي يمكن زراعتها من رقاقة واحدة ، مما سيساعد على تقليل التكلفة لكل خلية.
