تحقیقات فتوولتائیک چند منظوره III-V

- Apr 14, 2020-

منبع: Energy.gov


Multijunction III-V Photovoltaics Research

زمینه

دستگاه های چند منظوره با راندمان بالا از پهنای باند های متعدد یا اتصالات استفاده می کنند که برای جذب یک منطقه خاص از طیف خورشیدی تنظیم شده اند تا سلولهای خورشیدی با راندمان بیش از 45٪ رکورد ایجاد کنند. حداکثر بهره وری نظری که یک سلول خورشیدی تک باند با نور خورشید غیر متمرکز می تواند به دست آورد حدود 33.5٪ است ، در درجه اول به دلیل توزیع گسترده فوتون های خورشیدی ساطع شده. این بازده محدود کننده ، معروف به حد Shockley-Queisser ، از این واقعیت ناشی می شود که ولتاژ مدار باز (Voc) یک سلول خورشیدی توسط پهنای باند ماده جاذب محدود شده و فوتون هایی با انرژی زیر باند قابل جذب نیستند. فوتون هایی که انرژی بیشتری نسبت به باند دارند ، جذب می شوند ، اما انرژی بیشتر از پهنای باند در اثر گرما از بین می رود.


دستگاه های چند منظوره از سلول بالای باند گپ برای جذب فوتونهای پر انرژی استفاده می کنند در حالی که به فوتون های کم انرژی اجازه می دهند از این طریق عبور کنند. ماده ای با پهنای باند کمی پایین تر در زیر محل اتصال پهنای باند قرار داده می شود تا فوتون هایی با انرژی کمی کمتر (طول موج های طولانی تر) جذب شوند. سلولهای چند منظوره معمولی از دو یا چند محل اتصال جاذب استفاده می کنند و حداکثر بازده نظری با تعداد اتصالات افزایش می یابد. تحقیقات اولیه در مورد دستگاه های چند منظوره باعث افزایش ویژگی های نیمه هادی های تشکیل شده از عناصر موجود در ستون های III و V جدول تناوبی ، مانند فسفات گالیم ایندیوم (GaInP) ، گالیم ایندیم آرسنید (GaInAs) و گالیم آرسنید (GaAs) شد. دستگاه های سه اتصال با استفاده از نیمه هادی های III-V با استفاده از نور خورشید غلیظ به راندمان بیش از 45٪ رسیده اند. این معماری همچنین می تواند به فناوریهای دیگر سلولهای خورشیدی منتقل شود ، و سلولهای چند منظوره ساخته شده از CIGS ، CdSe ، سیلیکون ، مولکولهای آلی و سایر مواد مورد بررسی قرار می گیرند.


در گذشته دستگاههای چند منظوره در درجه اول در فضا مورد استفاده قرار می گرفتند ، جایی که حق بیمه ای در تولید نیروی سبک وزن وجود دارد که امکان استفاده از این فناوری نسبتاً پر هزینه خورشیدی را فراهم می آورد. برای کاربردهای زمینی ، هزینه های بالای این بسترهای نیمه هادی (به عنوان مثال در مقایسه با سیلیکون) با استفاده از اپتیک های متمرکز قابل جبران است ، زیرا سیستم های فعلی در درجه اول از لنزهای Fresnel استفاده می کنند. اپتیک های متمرکز میزان حادثه نوری را بر روی سلول خورشیدی افزایش می دهد ، بنابراین منجر به تولید انرژی بیشتر می شود. استفاده از اپتیک متمرکز به استفاده از ردیابی آفتاب دو محور نیاز دارد که باید در هزینه سیستم مورد بررسی قرار گیرد.


دستورالعمل های تحقیق

اگرچه سلولهای III-V چند منظوره راندمان بالاتری نسبت به فناوریهای رقابتی دارند ، اما سلولهای خورشیدی به دلیل تکنیک های ساخت فعلی و مواد بسیار قابل توجه تر هستند. بنابراین ، تلاشهای تحقیقاتی فعال در جهت کاهش هزینه برق تولید شده توسط این سلولهای خورشیدی از طریق رویکردهایی از قبیل تولید مواد جدید بستر ، مواد جاذب و تکنیک های تولید صورت می گیرد. افزایش بهره وری؛ و گسترش مفهوم چند منظوره به سایر فناوریهای PV. علاوه بر این ، به دلیل هزینه چنین سلول های خورشیدی ، توسعه راه حل های کم هزینه قابل اطمینان برای ردیابی و غلظت نیز مناطق فعال تحقیقاتی برای حمایت از کاهش هزینه های سیستم های PV با استفاده از سلول های چند منظوره است.


در مورد جوایز و پروژه های مربوط به سلولهای III-V با راندمان بالا در زیر بیشتر بدانید.

  • دانشگاه ایالتی اوهایو: پردیس کلمبوس (تحقیقات و توسعه فتوولتائیک)

  • دانشگاه ایالتی آریزونا (تحقیقات و توسعه فتوولتائیک)

  • دانشگاه اورگان (تحقیقات و توسعه فتوولتائیک: پروژه های نوآورانه کوچک در خورشیدی)

  • دانشکده معادن و فناوری داکوتای جنوبی (تحقیقات و توسعه فتوولتائیک: پروژه های نوآورانه کوچک در خورشیدی)

  • دانشگاه ایالتی آریزونا (تحقیقات و توسعه فتوولتائیک: پروژه های نوآورانه کوچک در خورشیدی)

  • nLiten Energy (تحقیق و توسعه فتوولتائیک: پروژه های نوآورانه کوچک در خورشیدی)

  • دانشگاه کالیفرنیا ، برکلی (نسل بعدی پروژه های فتوولتائیک II)

  • انستیتوی فناوری کالیفرنیا (نسل بعدی پروژه های فتوولتائیک II)

  • دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی (برنامه اساسی برای پیشرفت کارآیی سلول)

  • آزمایشگاه ملی انرژی تجدیدپذیر (برنامه اساسی برای پیشبرد کارایی سلول)

  • دانشگاه ایالتی اوهایو (برنامه اساسی برای پیشرفت کارآیی سلول)

  • دانشگاه هیوستون (نسل بعدی 3 پروژه فوتوولتائیک)

  • آزمایشگاه ملی انرژی های تجدید پذیر (نسل بعدی 3 پروژه فوتوولتائیک)

فواید

فواید سلولهای خورشیدی چند منظوره III-V شامل موارد زیر است:

  • تطبیق طیف: سلولهای با راندمان بالا (> 45٪) می توانند با تطبیق بخشهای طیف خورشیدی با لایههای جاذب خاص که دارای باندهای خاص هستند ساخته شوند.

  • ساختار کریستالی: ترکیبات مختلف نیمه هادی III-V دارای ساختارهای کریستالی مشابه و خواص ایده آل برای سلولهای خورشیدی از جمله طول پخش طولانی اگزیتون ، تحرک حامل و طیف جذب سازگار است.

تولید

سلول های III-V چند منظوره سنتی در یک پشته یکپارچه اپیتاکسیال با خرده سلولهایی که به صورت سری از طریق اتصالات تونل متصل شده اند ، جمع می شوند. ساختن یک سلول چند منظوره در یک پشته یکپارچه منجر به محدودیت مواد می شود و اگر لایه های جداگانه خرده خرده ها دارای موقعیت مشبک اتمی سازگار باشند و از شبکه جفت شوند ، ساخت چنین وسایلی تسهیل می شود. این مزیت تطابق مشبک به همین دلیل است که Ge ، که از نظر شبکه با برخی آلیاژهای III-V مطابقت دارد ، به طور سنتی به عنوان سلول بستر و باند باریک در MJ's استفاده می شود. با استفاده از اتصال ویفر یا لایه های بافر دگرگونی می توان محدودیت های تطابق شبکه را با پیچیدگی های اضافی برطرف کرد.


لایه اتصال تونل توسط واسط لایه های بسیار doped p ++ و n ++ ساخته شده است. تعامل این لایه ها منجر به یک منطقه با فضای بارشی باریک و باریک می شود که به جریان اجازه می دهد جریان بین خرده سلولها جریان یابد. لایه های پهنای باند که به لایه های پنجره و قسمت های سطح پشتی معروف است ، می تواند به حالت های غیرفعال سطح در رابط بین یک خرده هسته و محل اتصال تونل اضافه شود ، که در صورت عدم توجه باقی مانده ، می تواند حامل ها را به دام بیندازد و سرعت بخشیدن به نوترکیب را افزایش دهد.


اگر subcell ها به صورت سری به هم متصل باشند ، فرعی که کوچکترین جریان را هدایت می کند ، حداکثر جریان موجود در دستگاه را محدود می کند. بنابراین ، تلاش قابل توجهی برای تنظیم جریان subcell ها انجام می شود. اتصال نور در زیر شعاع می تواند برخی از الزامات طراحی منطبق با جریان را آرام کند.


سلولهای خورشیدی چند منظوره III-V با استفاده از تکنیک های پرتو مولکولی (MBE) می توانند ساخته شوند ، اما ساخت آن در رآکتورهای بزرگ رسوب شیمیایی بخار فلزی-آلی (MOCVD) برای تولید در مقیاس تجاری از دستگاه های GaInP / GaInAs / Ge معمولی است. لایه ها را می توان از trimethylgallium (Ga (CH3) 3) ، trimethylindium (InC3H9) ، arsine (AsH3) و فسفین (PH3) در یک گاز حامل هیدروژن و با استفاده از دوپانت هایی مانند هیدروژن سلنید (H2Se) ، سیلان (SiH6) ، رشد داد. و دی اتیل روی ((C2H5) 2Zn). استفاده از اپتیکهای متمرکز باعث می شود سلولهای جداگانه در بعضی مواقع به اندازه اندازه نوک مداد کوچک باشند. بنابراین ، این تکنیک ها باعث می شود که صدها سلول خورشیدی در دسته های واحد رشد کنند. در حال انجام تحقیقات برای کاهش بیشتر اندازه سلول ها و افزایش تعداد سلول هایی که می توانند از یک ویفر واحد رشد کنند ، انجام می شود که به کاهش هزینه هر سلول کمک می کند.