Triple-Junction GaAs-zonnecellen: een gedetailleerde blik op de mainstream ruimtefotovoltaïsche structuur

Inleiding

Nu commerciële ruimtevaart blijft groeien, hebben ruimtevaartuigen steeds meer elektrisch vermogen nodig. Ruimtefotovoltaïek dient als de belangrijkste stroombron voor de meeste ruimtevaartuigen, dus de keuze van zonneceltechnologie bepaalt direct of een missie slaagt, hoe kosteneffectief het is en hoe concurrerend het blijft op de markt.

Op dit moment zijn er drie belangrijke technologierichtingen: galliumarsenide (GaAs), p-type heterojunctie (HJT) en p-type HJT/perovskiet tandemcellen. Kijkend naar waar de technologie naartoe gaat en het langetermijnpotentieel, en diepgravend naar de kernvoor- en nadelen van elke route, komt GaAs nog steeds als beste naar voren. Ondanks de kostenuitdagingen maken de ongeëvenaarde allround prestaties, bewezen betrouwbaarheid in extreme omgevingen en duidelijke, aanzienlijke ruimte voor kostenreductie GaAs de beste keuze voor hoogwaardige, hoogbetrouwbare commerciële ruimtemissies, zowel nu als in de komende 3-5 jaar.

De Voordelen van Triple-Junctie GaAs-cellen

Hoog rendement

De GaAs-bandgap (1,42 eV) ligt precies in het theoretisch optimale bereik. Bovendien stapelen multi-junctiecellen GaInP-, GaAs- en Ge-lagen die respectievelijk hoog-, midden- en laagenergetische fotonen absorberen, wat het spectrum dat ze kunnen gebruiken aanzienlijk verbreedt. De nieuwste triple-junctie GaAs-cellen voor ruimtefotovoltaïek bereiken nu stroomconversierendementen boven 30%.

Hoge betrouwbaarheid

Sterke stralingsbestendigheid en uitstekende hoge-temperatuurstabiliteit maken deze cellen perfect geschikt voor de kernbehoeften van hoogwaardige, langdurige missies. De prestatievoorsprong is voldoende om de hogere kosten te compenseren.

Volwassen technologie met een lange staat van dienst in een baan om de aarde

In 1965 gebruikte de voormalige Sovjet-Unie's Venera 3-satelliet als eerste GaAs-cellen. In 1995 gebruikte de eerste commerciële communicatiesatelliet MEASAT enkelvoudige GaAs als hoofdkrachtbron, en het ontwerp van het zonnepaneel bouwde een complete database op die bewees dat GaAs-cellen aan de volledige levenscyclus stroombehoeften van een ruimtevaartuig konden voldoen. Vanaf dat moment vervingen GaAs-cellen geleidelijk oudere cellen als de basisstroomgenererende eenheid op ruimtevaartuigen, evoluerend stap voor stap van enkelvoudige naar meervoudige junctie-ontwerpen.

Waarom Ontwerpen als een Drievoudige Junctie Structuur?

Elk halfgeleidermateriaal kan alleen fotonen met energie groter dan zijn bandgap efficiënt absorberen. Fotonen met te weinig energie kunnen niet worden gebruikt, terwijl fotonen met te veel energie het overschot als warmte verliezen (thermalisatieverlies). De bandgap van een enkelvoudige junctiecel kan niet perfect overeenkomen met het zonnespectrum. Neem een enkelvoudige siliciumcel als voorbeeld: deze kan fotonen absorberen in het bereik van 0,3-1,1 μm (300 nm-1100 nm), voornamelijk werkend in de band van 0,38 μm-0,7 μm. Daarom hebben enkelvoudige siliciumcellen een beperkt efficiëntieplafond, met een theoretische limiet van ongeveer 29,7%.

Een drievoudige junctiecel verdeelt het werk over drie subcellen, waarbij het zonnespectrum in drie segmenten wordt gesneden zodat elke subcel in zijn best passende band werkt. Dit vermindert zowel thermalisatieverliezen als spectrale mismatchverliezen scherp. In theorie kunnen meervoudige junctiecellen bijna 50% efficiëntie bereiken, veel hoger dan wat een enkelvoudige junctiestructuur kan leveren.

De Structuur van een Drievoudige Junctie GaAs-cel

De drievoudige junctie GaAs-cel is verdeeld in drie delen: de bovenste cel, de middelste cel en de onderste cel. Elk deel gebruikt verschillende hoofd (basisgebied) materialen en speelt een andere rol.

Bovenste cel

Meestal AlGaInP / GaInP, met een bandgap rond 1,8-1,9 eV. Het absorbeert voornamelijk kortegolflengte fotonen (ultraviolet, blauw licht). De bovenste cel neemt hoogenergetische fotonen op en vermindert thermalisatieverliezen.

Middelste cel

Meestal InGaAs of GaAs, met een bandgap rond 1,42 eV. Het absorbeert voornamelijk midden- en langegolflengte fotonen (groen, geel, rood licht). De middelste cel verwerkt de midden- tot lange golflengten en levert het grootste deel van de fotostroom.

Onderste cel

Meestal Ge, met een bandgap rond 0,67 eV. Het absorbeert voornamelijk langegolflengte fotonen (nabij-infrarood). De onderste cel vangt het sterk doordringende infraroodlicht op.

Laten we nu doorlopen wat elke laag doet.

① Contactlaag

Direct boven de buitenste Cap-laag bevindt zich de halfgeleiderlaag die het metaalelektrode direct raakt. Deze is meestal zwaar gedoteerd n⁺⁺-GaAs of n⁺⁺-GaInP. De belangrijkste functie is het verlagen van de contactweerstand—zware dotering helpt bij het vormen van een goed ohms contact met het metaalelektrode en vermindert elektrische verliezen. Het beschermt ook het actieve gebied, door het metaalelektrode te isoleren van het delicate actieve gebied eronder (vensterlaag, emitter, enz.) om procesbeschadiging te voorkomen.

② Cap-laag

Boven de vensterlaag en onder de antireflectiecoating, gelegen tussen de antireflectiefilm en de contactlaag. Het is meestal GaAs, hoewel sommige ontwerpen transparante geleidende oxiden (TCO) zoals ITO gebruiken. De belangrijkste rol is het ondersteunen van stroomcollectie als een "hulpelektrode", samen met de contactlaag om stroom lateraal te verzamelen en af te voeren—vooral nuttig bij fijnlijnige roosterontwerpen. De dikte en brekingsindex kunnen ook worden afgestemd om deel te nemen aan optisch ontwerp en een extra antireflectie-effect te bieden.

③ Vensterlaag

Boven de emitter, meestal gemaakt van AlInP, AlGaInP of AlGaAs. De belangrijkste rol is het verminderen van oppervlakterecombinatie: het materiaal heeft een brede bandafstand, waardoor het weinig licht absorbeert, en het vormt een hoog-laag junctie die foto-gegenereerde dragers (elektronen) naar het binnenste van de emitter duwt, waardoor recombinatieverliezen aan oppervlaktedefecten worden verminderd. Het fungeert ook als een "paraplu", die het junctiegebied beschermt tegen schade tijdens latere processen zoals elektrodeverdamping.

④ Emitter

Onder de vensterlaag en boven de basis, vormt een PN-junctie met de basis. Het is meestal N-type GaInP of GaAs. De belangrijkste rol is het fungeren als de "positieve elektrode", het verzamelen van foto-gegenereerde elektronen en het geleiden naar het externe circuit. Het balanceert ook lichtabsorptie en collectie—door zorgvuldige afstemming van dikte en doteringsconcentratie is het dik genoeg om kortgolvig licht te absorberen, maar niet zo dik dat dragers recombineren tijdens diffusie.

⑤ Basis

Onder de emitter en boven de BSF-laag, dit is het hoofdlichaam van de PN-junctie. Het is meestal p-type GaInP of AlGaInP. Als het belangrijkste lichtabsorberende gebied is het de "werkpaard" van de bovenste cel, absorbeert het meeste kortgolvige licht (blauw en ultraviolet), genereert foto-gegenereerde elektron-gat paren, en transporteert efficiënt de foto-gegenereerde gaten naar de achterste BSF-laag of elektrode.

⑥ BSF-laag (Back Surface Field)

Gelegen onder de basis en boven de tunneljunctie, vormt een hoge-lage junctie met de basis aan de achterzijde. Het materiaal is meestal een breedbandgap p-AlGaInP, AlGaAs, en dergelijke. De belangrijkste rol is het onderdrukken van recombinatie van tegengestelde ladingsdragers: de BSF-laag creëert een "barrière" aan de achterkant van de basis die voorkomt dat foto-gegenereerde gaten recombineren terwijl ze naar de achterelektrode diffunderen, waardoor de spanning en efficiëntie worden verhoogd.

⑦ Reflector

Gelegen tussen de bovenste cel en de middelste cel, of tussen de middelste cel en de onderste cel. Het is een Distributed Bragg Reflector (DBR) opgebouwd uit afwisselende materialen met hoge en lage brekingsindex, zoals AlAs/AlGaAs of AlInP/AlGaInP. De belangrijkste taak is het terugkaatsen van het midden- tot langgolvige licht dat de bovenste en middelste cellen nog niet hebben geabsorbeerd en dreigt te ontsnappen, waardoor een tweede absorptie mogelijk wordt die de totale stroom en efficiëntie verhoogt.

⑧ Tunneljunctie

Gelegen tussen de subcellen, gemaakt van zwaar gedoteerde dunne lagen (zoals n++GaAs / p++GaAs). Als een "kwantumtunnel" laat het foto-gegenereerde ladingsdragers efficiënt passeren terwijl elke subcel elektrisch onafhankelijk blijft.

De structuur van de middelste cel is vergelijkbaar met die van de bovenste cel, alleen met andere materialen, dus herhalen we dat hier niet. Hieronder bespreken we kort wat er anders is aan de onderste cel.

⑨ Bufferlaag

Ingesloten tussen de onderste cel en de middelste cel, lost het het rooster-mismatch probleem op. Wanneer het materiaal van de onderste cel (zoals InGaAs) niet overeenkomt met de roosterconstante van het bovenste materiaal (zoals GaAs), gebruikt de bufferlaag een "gegradeerde" of "metamorfe rooster" structuur om geleidelijk spanning te ontlasten en doorgaande dislocaties te "onderscheppen", waardoor ze buiten het actieve gebied van de onderste cel blijven en de celprestaties verbeteren.

⑩ Basis van de onderste cel

Gelegen aan de "dikke" kant van de PN-junctie van de onderste cel. Het is meestal een p-type Ge-substraat. De belangrijkste functie is het absorberen van langgolvig infrarood licht, als werkpaard voor het genereren van foto-gegenereerde ladingsdragers in de onderste cel.

Enkele opmerkingen

In de P/N-type labels geven N++/P++ en dergelijke aanduidingen lichte versus zware dotering aan. De in dit artikel geïllustreerde triple-junctie GaAs-celstructuur laat de elektrodestructuur, antireflectielaagstructuur en dergelijke omwille van de eenvoud weg.

Referenties:

• Triple-junctie zonnecel met een reflector en de fabricagemethode ervan - 2022-0804

• InGaP/InGaAs/Ge triple-junctie zonnecel met een micro-nano antireflectiestructuur en de fabricagemethode ervan - 2018-0425

• Een methode voor een triple-junctie zonnecel en de triple-junctie zonnecel - 2020-11-13

Ooitech's Visie

Ooitech gelooft: triple-junctie GaAs-cellen, door het zonne-spectrum over drie subcellen te splitsen, leveren de hoge efficiëntie en bewezen betrouwbaarheid die ze de leidende keuze maken voor de huidige hoogwaardige ruimtevaartmissies.