Giriş

Ticari uzay uçuşu büyümeye devam ettikçe, uzay araçları giderek daha fazla elektrik gücüne ihtiyaç duyuyor. Uzay fotovoltaikleri çoğu uzay aracı için ana güç kaynağı olduğundan, güneş hücresi teknolojisi seçimi bir görevin başarısını, maliyet etkinliğini ve pazardaki rekabet gücünü doğrudan şekillendirir.

Şu anda üç ana teknoloji yönü var: galyum arsenit (GaAs), p-tipi heteroeklem (HJT) ve p-tipi HJT/perovskit tandem hücreler. Teknolojinin nereye gittiğine ve uzun vadeli potansiyeline bakıldığında ve her rotanın temel artıları ve eksileri incelendiğinde, GaAs hala önde geliyor. Maliyet zorluklarına rağmen, eşsiz genel performansı, aşırı ortamlarda kanıtlanmış güvenilirliği ve net, büyük maliyet düşürme potansiyeli, GaAs'ı hem bugün hem de önümüzdeki 3-5 yıl içinde yüksek değerli, yüksek güvenilirlikli ticari uzay görevleri için en iyi seçim haline getiriyor.

Üç Bağlantılı GaAs Hücrelerinin Avantajları

Yüksek verimlilik

GaAs bant aralığı (1.42 eV) teorik olarak optimal aralıkta yer alır. Bunun da ötesinde, çok bağlantılı hücreler sırasıyla yüksek, orta ve düşük enerjili fotonları emen GaInP, GaAs ve Ge katmanlarını istifleyerek kullanabilecekleri spektrumu büyük ölçüde genişletir. Uzay fotovoltaikleri için en yeni üç bağlantılı GaAs hücreleri artık %30'un üzerinde güç dönüşüm verimliliğine ulaşıyor.

Yüksek güvenilirlik

Güçlü radyasyon direnci ve mükemmel yüksek sıcaklık kararlılığı, bu hücreleri üst düzey, uzun ömürlü görevlerin temel ihtiyaçlarına mükemmel bir uyum haline getirir. Performans avantajı, daha yüksek maliyeti dengelemeye yeterlidir.

Yörüngede uzun bir geçmişe sahip olgun teknoloji

1965 yılında, eski Sovyetler Birliği'nin Venera 3 uydusu GaAs hücrelerini kullanan ilk uydu oldu. 1995 yılında, ilk ticari haberleşme uydusu MEASAT, ana güç ünitesi olarak tek eklemli GaAs kullandı ve güneş paneli tasarımı, GaAs hücrelerinin bir uzay aracının tüm yaşam döngüsü güç ihtiyaçlarını karşılayabileceğini kanıtlayan eksiksiz bir veri tabanı oluşturdu. O zamandan itibaren GaAs hücreleri, uzay araçlarında temel güç üreten birim olarak eski hücrelerin yerini kademeli olarak aldı ve tek eklemden çok eklemli tasarımlara doğru adım adım evrildi.

Neden Üç Eklemli Bir Yapı Olarak Tasarlansın?

Herhangi bir yarı iletken malzeme, yalnızca bant aralığından daha büyük enerjiye sahip fotonları verimli bir şekilde emebilir. Çok düşük enerjili fotonlar kullanılamazken, çok yüksek enerjili fotonlar fazla enerjiyi ısı olarak kaybeder (termalizasyon kaybı). Tek eklemli bir hücrenin bant aralığı, güneş spektrumuyla mükemmel şekilde eşleşemez. Örnek olarak tek eklemli bir silikon hücreyi ele alalım: 0.3-1.1 μm aralığındaki (300 nm-1100 nm) fotonları emebilir, esas olarak 0.38 μm-0.7 μm bandında çalışır. Bu nedenle tek eklemli silikon hücrelerin verimlilik tavanı sınırlıdır ve teorik limit %29.7 civarındadır.

Üç eklemli bir hücre, işi üç alt hücre arasında bölerek güneş spektrumunu üç parçaya dilimler, böylece her alt hücre en uygun bandında çalışır. Bu, hem termalizasyon kayıplarını hem de spektral uyumsuzluk kayıplarını keskin bir şekilde azaltır. Teoride, çok eklemli hücreler %50 verimliliğe yaklaşabilir, bu tek eklemli bir yapının sağlayabileceğinden çok daha yüksektir.

Üç Eklemli GaAs Hücresinin Yapısı

Üç eklemli GaAs hücresi üç bölüme ayrılır: üst hücre, orta hücre ve alt hücre. Her bölüm farklı ana (taban bölgesi) malzemeleri kullanır ve farklı bir rol oynar.

Üst hücre

Genellikle AlGaInP / GaInP, bant aralığı yaklaşık 1.8-1.9 eV. Esas olarak kısa dalga boylu fotonları (morötesi, mavi ışık) emer. Üst hücre, yüksek enerjili fotonları emer ve termalizasyon kayıplarını azaltır.

Orta hücre

Genellikle InGaAs veya GaAs, bant aralığı yaklaşık 1.42 eV. Esas olarak orta ve uzun dalga boylu fotonları (yeşil, sarı, kırmızı ışık) emer. Orta hücre, orta ve uzun dalga boylarını işler ve fotovoltaik akımın çoğunu sağlar.

Alt hücre

Genellikle Ge, bant aralığı yaklaşık 0.67 eV. Esas olarak uzun dalga boylu fotonları (yakın kızılötesi) emer. Alt hücre, yüksek nüfuz gücüne sahip kızılötesi ışığı yakalar.

Şimdi her katmanın ne yaptığını inceleyelim.

① Temas Katmanı

En dıştaki Cap katmanının hemen üzerinde yer alan, metal elektrotun doğrudan temas ettiği yarı iletken katmandır. Genellikle ağır katkılı n⁺⁺-GaAs veya n⁺⁺-GaInP'dir. Ana görevi kontak direncini düşürmektir—ağır katkılama, metal elektrotla iyi bir omik kontak oluşturmasına yardımcı olur ve elektriksel kayıpları azaltır. Ayrıca aktif bölgeyi korur, metal elektrodu altındaki hassas aktif bölgeden (pencere katmanı, emitör vb.) izole ederek işlem hasarını önler.

② Cap Katmanı

Pencere katmanının üstünde ve yansıma önleyici kaplamanın altında, yansıma önleyici film ile kontak katmanı arasında yer alır. Genellikle GaAs'tır, ancak bazı tasarımlarda ITO gibi şeffaf iletken oksitler (TCO) kullanılır. Ana rolü, bir "yardımcı elektrot" olarak akım toplamaya yardımcı olmaktır; kontak katmanıyla birlikte çalışarak akımı yanal olarak toplar ve yönlendirir—özellikle ince çizgili ızgara tasarımlarında kullanışlıdır. Kalınlığı ve kırılma indisi, optik tasarıma katılmak ve yardımcı bir yansıma önleyici etki sağlamak için ayarlanabilir.

③ Pencere Katmanı

Emitörün üzerinde yer alır, genellikle AlInP, AlGaInP veya AlGaAs'tan yapılır. Ana rolü yüzey rekombinasyonunu azaltmaktır: malzemenin geniş bant aralığı sayesinde az ışık emer ve bir yüksek-düşük bağlantı oluşturarak foto-üretilmiş taşıyıcıları (elektronları) emitörün içine doğru iter, yüzey kusurlarındaki rekombinasyon kayıplarını azaltır. Ayrıca bir "şemsiye" görevi görerek, elektrot buharlaştırma gibi sonraki işlemler sırasında bağlantı bölgesini hasardan korur.

④ Emitör

Pencere katmanının altında ve bazın üstünde yer alır, baz ile bir PN bağlantısı oluşturur. Genellikle N-tipi GaInP veya GaAs'tır. Ana rolü "pozitif elektrot" görevi yaparak foto-üretilmiş elektronları toplamak ve harici devreye iletmektir. Ayrıca ışık emilimi ile toplama arasında denge kurar—kalınlık ve katkılama konsantrasyonunun dikkatli ayarlanmasıyla, kısa dalga boylu ışığı emecek kadar kalın, ancak taşıyıcıların difüzyon sırasında rekombine olmayacağı kadar incedir.

⑤ Baz

Emitörün altında ve BSF katmanının üstünde yer alır, PN bağlantısının ana gövdesidir. Genellikle p-tipi GaInP veya AlGaInP'dir. Ana ışık emici bölge olarak üst hücrenin "işgücü"dür, kısa dalga boylu ışığın (mavi ve ultraviyole) çoğunu emer, foto-üretilmiş elektron-boşluk çiftleri oluşturur ve foto-üretilmiş boşlukları arka BSF katmanına veya elektrota verimli bir şekilde taşır.

⑥ BSF Katmanı (Arka Yüzey Alanı)

Tabanın altında ve tünel birleşiminin üstünde yer alır, arka tarafta tabanla yüksek-düşük bir birleşim oluşturur. Malzeme genellikle geniş bant aralıklı p-AlGaInP, AlGaAs vb.'dir. Ana rolü ters yöndeki taşıyıcı rekombinasyonunu bastırmaktır: BSF katmanı, tabanın arkasında bir "bariyer" oluşturarak fotojenere edilmiş deliklerin arka elektroda doğru yayılırken rekombine olmasını engeller, böylece voltajı ve verimliliği artırır.

⑦ Reflektör

Üst hücre ile orta hücre arasında veya orta hücre ile alt hücre arasında yer alır. Yüksek ve düşük kırılma indisli malzemelerin (AlAs/AlGaAs veya AlInP/AlGaInP gibi) dönüşümlü olarak büyütülmesiyle oluşturulan bir Dağıtılmış Bragg Reflektörüdür (DBR). Ana görevi, üst ve orta hücreler tarafından emilmeyen ve kaçmak üzere olan orta-uzun dalga boylu ışığı geri yansıtarak ikinci bir emilim geçişi sağlamak ve böylece genel akımı ve verimliliği artırmaktır.

⑧ Tünel Birleşimi

Alt hücreler arasında yer alır, ağır katkılı ince katmanlardan (n++GaAs / p++GaAs gibi) yapılmıştır. Bir "kuantum tüneli" gibi, fotojenere edilmiş taşıyıcıların verimli bir şekilde geçmesine izin verirken her bir alt hücreyi elektriksel olarak bağımsız tutar.

Orta hücrenin yapısı üst hücreninkine benzer, sadece malzemeler farklıdır, bu yüzden burada tekrarlamayacağız. Aşağıda alt hücrenin farklı olan yönlerini kısaca ele alıyoruz.

⑨ Tampon Katman

Alt hücre ile orta hücre arasında sıkıştırılmıştır, örgü uyumsuzluğu sorununu çözer. Alt hücre malzemesi (InGaAs gibi) üst malzemenin (GaAs gibi) örgü sabitiyle eşleşmediğinde, tampon katman "kademeli" veya "metamorfik örgü" yapısı kullanarak stresi kademeli olarak serbest bırakır ve treading dislokasyonları "durdurarak" bunların alt hücrenin aktif bölgesine girmesini engeller, böylece hücre performansını iyileştirir.

⑩ Alt Hücre Tabanı

Alt hücrenin PN birleşiminin "kalın" tarafında yer alır. Genellikle p-tipi Ge alt tabakadır. Ana işlevi uzun dalga boylu kızılötesi ışığı absorbe etmek, alt hücrede fotojenere edilmiş taşıyıcıların üretilmesinde ana iş gücü olarak hizmet etmektir.

Birkaç Not

P/N tipi etiketlerde N++/P++ ve benzeri işaretler hafif ve ağır katkılamayı belirtir. Bu makalede gösterilen üç bağlantılı GaAs hücre yapısı, basitlik adına elektrot yapısı, yansıma önleyici katman yapısı ve benzeri detayları atlamıştır.

Referanslar:

• Reflektörlü üç bağlantılı güneş hücresi ve üretim yöntemi - 2022-0804

• InGaP/InGaAs/Ge üç bağlantılı güneş hücresi, mikro-nano yansıma önleyici yapıya sahip ve üretim yöntemi - 2018-0425

• Üç bağlantılı güneş hücresi için bir yöntem ve üç bağlantılı güneş hücresi - 2020-11-13

Ooitech'in Görüşü

Ooitech inanıyor: üç bağlantılı GaAs hücreleri, güneş spektrumunu üç alt hücreye bölerek, bugünün yüksek değerli uzay güç görevleri için onları lider seçenek haline getiren yüksek verimlilik ve kanıtlanmış güvenilirlik sunar.