مقدمه

با رشد مداوم پروازهای فضایی تجاری، فضاپیماها به انرژی الکتریکی بیشتری نیاز دارند. فتوولتائیک فضایی به عنوان منبع اصلی انرژی برای اکثر فضاپیماها عمل می‌کند، بنابراین انتخاب فناوری سلول خورشیدی مستقیماً بر موفقیت مأموریت، مقرون‌به‌صرفه بودن و رقابت‌پذیری آن در بازار تأثیر می‌گذارد.

در حال حاضر، سه جهت فناوری اصلی وجود دارد: آرسنید گالیم (GaAs)، هتروجانکشن نوع p (HJT) و سلول‌های تاندوم HJT نوع p/پرووسکایت. با نگاهی به مسیر فناوری و پتانسیل بلندمدت آن، و بررسی مزایا و معایب اصلی هر مسیر، GaAs همچنان در صدر قرار دارد. با وجود چالش‌های هزینه، عملکرد همه‌جانبه بی‌نظیر، قابلیت اطمینان اثبات‌شده در محیط‌های شدید و فضای واضح و قابل توجه برای کاهش هزینه، GaAs را به بهترین انتخاب برای مأموریت‌های فضایی تجاری با ارزش بالا و قابلیت اطمینان بالا در حال حاضر و طی 3-5 سال آینده تبدیل می‌کند.

مزایای سلول‌های GaAs سه پیوندی

بازده بالا

گاف انرژی GaAs (1.42 eV) دقیقاً در محدوده بهینه نظری قرار دارد. علاوه بر این، سلول‌های چند پیوندی لایه‌های GaInP، GaAs و Ge را روی هم قرار می‌دهند که به ترتیب فوتون‌های با انرژی بالا، متوسط و پایین را جذب می‌کنند، که این امر طیف قابل استفاده را بسیار گسترش می‌دهد. جدیدترین سلول‌های GaAs سه پیوندی برای فتوولتائیک فضایی اکنون به بازده تبدیل توان بالای 30٪ می‌رسند.

قابلیت اطمینان بالا

مقاومت قوی در برابر تشعشع و پایداری عالی در دمای بالا، این سلول‌ها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای نیازهای اصلی مأموریت‌های بلندمدت و با کیفیت بالا تبدیل می‌کند. برتری عملکرد به اندازه‌ای است که هزینه بالاتر را جبران کند.

فناوری بالغ با سابقه طولانی در مدار

در سال 1965، ماهواره ونرا 3 اتحاد جماهیر شوروی سابق اولین ماهواره‌ای بود که از سلول‌های GaAs استفاده کرد. در سال 1995، اولین ماهواره ارتباطی تجاری MEASAT از GaAs تک اتصالی به عنوان واحد قدرت اصلی خود استفاده کرد و طراحی آرایه خورشیدی یک پایگاه داده کامل ایجاد کرد که ثابت می‌کرد سلول‌های GaAs می‌توانند نیازهای قدرت چرخه کامل عمر یک فضاپیما را برآورده کنند. از آن زمان به بعد، سلول‌های GaAs به تدریج جایگزین سلول‌های قدیمی‌تر به عنوان واحد اصلی تولید برق در فضاپیماها شدند و گام به گام از طرح‌های تک اتصالی به چند اتصالی تکامل یافتند.

چرا آن را به صورت ساختار سه اتصالی طراحی کنیم؟

هر ماده نیمه‌هادی فقط می‌تواند فوتون‌هایی با انرژی بیشتر از شکاف باند خود را به طور مؤثر جذب کند. فوتون‌هایی با انرژی خیلی کم قابل استفاده نیستند، در حالی که فوتون‌هایی با انرژی خیلی زیاد انرژی اضافی را به صورت گرما از دست می‌دهند (اتلاف حرارتی). شکاف باند یک سلول تک اتصالی نمی‌تواند به طور کامل با طیف خورشیدی مطابقت داشته باشد. به عنوان مثال یک سلول سیلیکونی تک اتصالی را در نظر بگیرید: می‌تواند فوتون‌ها را در محدوده 0.3-1.1 میکرومتر (300 نانومتر-1100 نانومتر) جذب کند، عمدتاً در باند 0.38 میکرومتر-0.7 میکرومتر کار می‌کند. به همین دلیل است که سلول‌های سیلیکونی تک اتصالی سقف بازده محدودی دارند و حد تئوری حدود 29.7٪ است.

یک سلول سه اتصالی کار را بین سه زیرسلول تقسیم می‌کند و طیف خورشیدی را به سه بخش تقسیم می‌کند تا هر زیرسلول در بهترین باند مناسب خود کار کند. این کار هم تلفات حرارتی و هم تلفات عدم تطابق طیفی را به شدت کاهش می‌دهد. در تئوری، سلول‌های چند اتصالی می‌توانند به بازده نزدیک به 50٪ دست یابند که بسیار بالاتر از آن چیزی است که یک ساختار تک اتصالی می‌تواند ارائه دهد.

ساختار یک سلول GaAs سه اتصالی

سلول GaAs سه اتصالی به سه بخش تقسیم می‌شود: سلول بالایی، سلول میانی و سلول پایینی. هر بخش از مواد اصلی (ناحیه پایه) متفاوتی استفاده می‌کند و نقش متفاوتی ایفا می‌کند.

سلول بالایی

معمولاً AlGaInP / GaInP، با شکاف باند حدود 1.8-1.9 eV. عمدتاً فوتون‌های با طول موج کوتاه (فرابنفش، نور آبی) را جذب می‌کند. سلول بالایی فوتون‌های پرانرژی را جذب کرده و تلفات حرارتی را کاهش می‌دهد.

سلول میانی

معمولاً InGaAs یا GaAs، با شکاف باند حدود 1.42 eV. عمدتاً فوتون‌های با طول موج متوسط و بلند (نور سبز، زرد، قرمز) را جذب می‌کند. سلول میانی طول موج‌های متوسط تا بلند را مدیریت می‌کند و بیشتر جریان نوری را تأمین می‌کند.

سلول پایینی

معمولاً Ge، با شکاف باند حدود 0.67 eV. عمدتاً فوتون‌های با طول موج بلند (نزدیک مادون قرمز) را جذب می‌کند. سلول پایینی نور مادون قرمز با نفوذ بالا را جذب می‌کند.

حال بیایید ببینیم هر لایه چه کاری انجام می‌دهد.

① لایه تماس

درست در بالای لایه Cap بیرونی قرار دارد، این لایه نیمه‌هادی است که الکترود فلزی مستقیماً با آن تماس دارد. معمولاً از نوع n⁺⁺-GaAs یا n⁺⁺-GaInP با آلایش سنگین است. وظیفه اصلی آن کاهش مقاومت تماسی است - آلایش سنگین به تشکیل یک تماس اهمی خوب با الکترود فلزی کمک کرده و تلفات الکتریکی را کاهش می‌دهد. همچنین از ناحیه فعال محافظت می‌کند و الکترود فلزی را از ناحیه فعال حساس زیرین (لایه پنجره، امیتر و غیره) جدا می‌کند تا از آسیب فرآیندی جلوگیری کند.

② لایه Cap

در بالای لایه پنجره و زیر پوشش ضدبازتاب، بین فیلم ضدبازتاب و لایه تماس قرار دارد. معمولاً از GaAs است، اگرچه برخی طرح‌ها از اکسیدهای رسانای شفاف (TCO) مانند ITO استفاده می‌کنند. نقش اصلی آن کمک به جمع‌آوری جریان به عنوان یک "الکترود کمکی" است که با لایه تماس برای جمع‌آوری و هدایت جریان به صورت جانبی کار می‌کند - به ویژه برای طرح‌های شبکه خطی ظریف مفید است. ضخامت و ضریب شکست آن را می‌توان برای شرکت در طراحی نوری و ارائه اثر ضدبازتاب کمکی تنظیم کرد.

③ لایه پنجره

در بالای امیتر قرار دارد و معمولاً از AlInP، AlGaInP یا AlGaAs ساخته می‌شود. نقش اصلی آن کاهش بازترکیب سطحی است: ماهیت باندگپ عریض ماده باعث جذب کم نور می‌شود و یک اتصال بالا-پایین تشکیل می‌دهد که حامل‌های فوتوتولید شده (الکترون‌ها) را به سمت داخل امیتر هدایت کرده و تلفات بازترکیب در نقص‌های سطحی را کاهش می‌دهد. همچنین به عنوان یک "چتر" عمل کرده و از ناحیه اتصال در برابر آسیب در فرآیندهای بعدی مانند تبخیر الکترود محافظت می‌کند.

④ امیتر

در زیر لایه پنجره و بالای بیس قرار دارد و یک اتصال PN با بیس تشکیل می‌دهد. معمولاً از نوع N از GaInP یا GaAs است. نقش اصلی آن به عنوان "الکترود مثبت"، جمع‌آوری الکترون‌های فوتوتولید شده و هدایت آنها به مدار خارجی است. همچنین جذب نور و جمع‌آوری را متعادل می‌کند - با تنظیم دقیق ضخامت و غلظت آلایش، به اندازه کافی ضخیم است تا نور با طول موج کوتاه را جذب کند اما آنقدر ضخیم نیست که حامل‌ها در حین انتشار بازترکیب شوند.

⑤ بیس

در زیر امیتر و بالای لایه BSF قرار دارد، این بدنه اصلی اتصال PN است. معمولاً از نوع p از GaInP یا AlGaInP است. به عنوان ناحیه اصلی جذب نور، "کارگر" سلول بالایی است که بیشتر نور با طول موج کوتاه (آبی و فرابنفش) را جذب کرده، جفت‌های الکترون-حفره فوتوتولید شده را تولید می‌کند و حفره‌های فوتوتولید شده را به طور کارآمد به لایه BSF پشتی یا الکترود منتقل می‌کند.

⑥ لایه BSF (میدان سطح پشتی)

در زیر پایه و بالای اتصال تونل قرار دارد و یک اتصال بالا-پایین با پایه در سمت پشتی تشکیل می‌دهد. ماده معمولاً یک نوارگسترده p-AlGaInP، AlGaAs و مانند آن است. نقش اصلی آن سرکوب بازترکیب حامل‌های معکوس است: لایه BSF یک "سد" در پشت پایه ایجاد می‌کند که از بازترکیب حفره‌های تولید شده توسط نور در حین انتشار به سمت الکترود پشتی جلوگیری می‌کند و در نتیجه ولتاژ و بازده را افزایش می‌دهد.

⑦ بازتابنده

بین سلول بالایی و سلول میانی، یا بین سلول میانی و سلول پایینی قرار دارد. این یک بازتابنده براگ توزیع‌شده (DBR) است که از مواد با ضریب شکست بالا و پایین متناوب مانند AlAs/AlGaAs یا AlInP/AlGaInP رشد می‌کند. وظیفه اصلی آن بازتاب نور با طول موج متوسط تا بلند است که توسط سلول‌های بالایی و میانی جذب نشده و در حال خروج است، تا امکان عبور دوم برای جذب فراهم شود و جریان کلی و بازده افزایش یابد.

⑧ اتصال تونل

بین سلول‌های فرعی قرار دارد و از لایه‌های نازک با آلایش سنگین (مانند n++GaAs / p++GaAs) ساخته شده است. مانند یک "تونل کوانتومی" عمل می‌کند و به حامل‌های تولید شده توسط نور اجازه می‌دهد به طور کارآمد عبور کنند در حالی که هر سلول فرعی را از نظر الکتریکی مستقل نگه می‌دارد.

ساختار سلول میانی مشابه سلول بالایی است، فقط با مواد متفاوت، بنابراین در اینجا تکرار نمی‌کنیم. در زیر به طور مختصر تفاوت‌های سلول پایینی را توضیح می‌دهیم.

⑨ لایه بافر

بین سلول پایینی و سلول میانی قرار دارد و مشکل عدم تطابق شبکه را حل می‌کند. هنگامی که ماده سلول پایینی (مانند InGaAs) با ثابت شبکه ماده بالایی (مانند GaAs) مطابقت ندارد، لایه بافر با استفاده از ساختار "درجه‌بندی شده" یا "شبکه دگردیسی" به تدریج تنش را آزاد می‌کند و نابجایی‌های نفوذی را "رهگیری" می‌کند و آنها را از ناحیه فعال سلول پایینی دور نگه می‌دارد و در نتیجه عملکرد سلول را بهبود می‌بخشد.

⑩ پایه سلول پایینی

در سمت "ضخیم" اتصال PN سلول پایینی قرار دارد. معمولاً یک زیرلایه ژرمانیوم نوع p است. وظیفه اصلی آن جذب نور مادون قرمز با طول موج بلند است و به عنوان نیروی کار اصلی برای تولید حامل‌های تولید شده توسط نور در سلول پایینی عمل می‌کند.

چند نکته

در برچسب‌های نوع P/N، N++/P++ و موارد مشابه نشان‌دهنده آلایش سبک در مقابل سنگین است. ساختار سلول سه‌گانه GaAs نشان‌داده‌شده در این مقاله، ساختار الکترود، ساختار لایه ضدبازتاب و موارد مشابه را برای سادگی حذف کرده است.

منابع:

• سلول خورشیدی سه‌اتصالی با بازتابنده و روش ساخت آن - 2022-0804

• سلول خورشیدی سه اتصالی InGaP/InGaAs/Ge با ساختار ضد انعکاس میکرو-نانو و روش ساخت آن - 2018-0425

• روشی برای سلول خورشیدی سه اتصالی و سلول خورشیدی سه اتصالی - 2020-11-13

دیدگاه Ooitech

Ooitech معتقد است: سلول‌های GaAs سه اتصالی، با تقسیم طیف خورشیدی در سه زیرسلول، بازده بالا و قابلیت اطمینان اثبات‌شده‌ای را ارائه می‌دهند که آنها را به انتخاب برتر برای مأموریت‌های فضایی پرقدرت امروزی تبدیل می‌کند.