ที่มา: energy.gov
พื้นหลัง
อุปกรณ์มัลติฟังก์ชั่นประสิทธิภาพสูงใช้หลาย bandgaps หรือ junctions ที่ปรับจูนเพื่อดูดซับขอบเขตเฉพาะของสเปกตรัมพลังงานแสงอาทิตย์เพื่อสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพการบันทึกมากกว่า 45% ประสิทธิภาพ ทางทฤษฎีสูงสุด ที่เซลล์สุริยะแบบแบนด์เดียวสามารถทำได้เมื่อแสงอาทิตย์ไม่เข้มข้นประมาณ 33.5% ส่วนใหญ่เกิดจากการกระจายตัวของโฟตอนที่ปล่อยออกจากดวงอาทิตย์ในวงกว้าง ประสิทธิภาพการ จำกัด นี้เรียกว่าขีด จำกัด Shockley-Queisser เกิดขึ้นจากข้อเท็จจริงที่ว่าแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด (Voc) ของเซลล์แสงอาทิตย์ถูก จำกัด โดย bandgap ของวัสดุดูดซับและโฟตอนที่มีพลังงานต่ำกว่า bandgap จะไม่ถูกดูดซับ โฟตอนที่มีพลังงานสูงกว่า bandgap จะถูกดูดซับ แต่พลังงานที่มากกว่า bandgap จะสูญเสียไปเนื่องจากความร้อน
อุปกรณ์มัลติฟังก์ชั่นใช้เซลล์บนสุดของแถบความถี่สูงเพื่อดูดซับโฟตอนพลังงานสูงในขณะที่ปล่อยให้โฟตอนพลังงานต่ำผ่านได้ วัสดุที่มี bandgap ที่ต่ำกว่าเล็กน้อยจะถูกวางไว้ใต้ทางแยก bandgap ที่สูงเพื่อดูดซับโฟตอนที่มีพลังงานน้อยกว่าเล็กน้อย (ความยาวคลื่นที่ยาวกว่า) เซลล์แบบมัลติฟังก์ชันทั่วไปใช้จุดแยกสองจุดขึ้นไปที่น่าสนใจและประสิทธิภาพสูงสุดทางทฤษฎีจะเพิ่มขึ้นตามจำนวนทางแยก การวิจัยก่อนหน้านี้เกี่ยวกับอุปกรณ์หลายหน้าที่ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์ประกอบด้วยองค์ประกอบในคอลัมน์ III และ V ของตารางธาตุเช่นแกลเลียมอินเดียมฟอสเฟต (GaInP) แกลเลียมอินเดียม arsenide (GaInAs) และแกลเลียม arsenide (GaAs) อุปกรณ์สามแยกที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์ III-V มีประสิทธิภาพมากกว่า 45% โดยใช้แสงแดดเข้มข้น สถาปัตยกรรมนี้ยังสามารถถ่ายโอนไปยังเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์อื่น ๆ และเซลล์มัลติฟังก์ชันที่ทำจาก CIGS, CdSe, ซิลิคอน, โมเลกุลของสารอินทรีย์และวัสดุอื่น ๆ ที่กำลังถูกตรวจสอบ
ในอดีตอุปกรณ์มัลติฟังก์ชั่นถูกนำไปใช้ในอวกาศเป็นหลักซึ่งมีพรีเมี่ยมวางอยู่บนการผลิตไฟฟ้าที่มีน้ำหนักเบาซึ่งช่วยให้สามารถใช้เทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีราคาค่อนข้างสูง สำหรับการใช้งานภาคพื้นดินค่าใช้จ่ายสูงของสารตั้งต้นเซมิคอนดักเตอร์เหล่านี้ (เมื่อเทียบกับซิลิกอนเป็นต้น) อาจถูกชดเชยด้วยการใช้เลนส์โฟกัสกับระบบปัจจุบันที่ใช้เลนส์เฟรสเป็นหลัก เลนส์ที่มุ่งเน้นจะเพิ่มปริมาณของแสงที่ตกกระทบบนโซล่าร์เซลล์จึงนำไปสู่การผลิตพลังงานที่มากขึ้น การใช้ออพติคอลโฟกัสจำเป็นต้องใช้การติดตามอาทิตย์แบบสองแกนซึ่งจะต้องคำนึงถึงต้นทุนของระบบ
ทิศทางการวิจัย
ถึงแม้ว่าเซลล์แบบ III-V แบบหลายจุดจะมีประสิทธิภาพสูงกว่าเทคโนโลยีที่แข่งขันกัน แต่เซลล์สุริยะนั้นมีราคาสูงกว่ามากเนื่องจากเทคนิคการผลิตและวัสดุในปัจจุบัน ดังนั้นความพยายามในการวิจัยเชิงรุกจะช่วยลดต้นทุนไฟฟ้าที่เกิดจากเซลล์แสงอาทิตย์เหล่านี้ด้วยวิธีการต่าง ๆ เช่นการพัฒนาวัสดุพื้นผิวใหม่วัสดุดูดซับและเทคนิคการสร้าง การเพิ่มประสิทธิภาพ และขยายแนวคิดมัลติฟังก์ชันไปยังเทคโนโลยี PV อื่น ๆ นอกจากนี้เนื่องจากค่าใช้จ่ายของเซลล์แสงอาทิตย์ดังกล่าวการพัฒนาโซลูชันต้นทุนต่ำที่เชื่อถือได้เพื่อการติดตามและความเข้มข้นยังเป็นพื้นที่ของการวิจัยเพื่อสนับสนุนการลดต้นทุนสำหรับระบบ PV โดยใช้เซลล์แบบมัลติฟังก์ชัน
เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับผู้ได้รับรางวัลและโครงการที่เกี่ยวข้องกับเซลล์ III-V ประสิทธิภาพสูงด้านล่าง
มหาวิทยาลัยโอไฮโอสเตต: วิทยาเขตโคลัมบัส (การวิจัยและพัฒนาพลังงานแสงอาทิตย์)
มหาวิทยาลัยรัฐแอริโซนา (การวิจัยและพัฒนาพลังงานแสงอาทิตย์)
มหาวิทยาลัยโอเรกอน (การวิจัยและพัฒนาพลังงานแสงอาทิตย์: โครงการนวัตกรรมขนาดเล็กในโซลาร์)
โรงเรียนเหมืองแร่และเทคโนโลยีเซาท์ดาโคตา (การวิจัยและพัฒนาพลังงานแสงอาทิตย์: โครงการนวัตกรรมขนาดเล็กในโซลา)
มหาวิทยาลัยรัฐแอริโซนา (การวิจัยและพัฒนาพลังงานแสงอาทิตย์: โครงการนวัตกรรมขนาดเล็กในโซลาร์)
nLiten Energy (การวิจัยและพัฒนาพลังงานแสงอาทิตย์: โครงการนวัตกรรมขนาดเล็กในโซลาร์)
University of California, Berkeley (โครงการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์รุ่นที่สองต่อไป)
สถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย (โครงการเซลล์แสงอาทิตย์รุ่นที่สองต่อไป)
North Carolina State University (โปรแกรมพื้นฐานเพื่อความก้าวหน้าของเซลล์)
ห้องปฏิบัติการพลังงานทดแทนแห่งชาติ (โปรแกรมพื้นฐานเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเซลล์)
มหาวิทยาลัยโอไฮโอสเตต (โปรแกรมพื้นฐานเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเซลล์)
มหาวิทยาลัยฮูสตัน (โซลาร์เซลล์รุ่นต่อไป 3 โครงการ)
ห้องปฏิบัติการพลังงานทดแทนแห่งชาติ (Photovoltaics รุ่นต่อไป 3 โครงการ)
ประโยชน์ที่ได้รับ
ประโยชน์ของแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบ III-V ประกอบด้วย:
การจับคู่สเปกตรัม: เซลล์ประสิทธิภาพสูง (> 45%) สามารถประดิษฐ์ได้โดยการจับคู่ส่วนต่างๆของสเปกตรัมพลังงานแสงอาทิตย์พร้อมชั้นซับวูฟเฟอร์เฉพาะที่มีแถบแบนด์เฉพาะ
โครงสร้างผลึก: การรวมกันที่หลากหลายของเซมิคอนดักเตอร์ III-V มีโครงสร้างผลึกที่คล้ายกันและคุณสมบัติที่เหมาะสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์รวมถึงความยาวการกระจายของ exciton ที่ยาวการเคลื่อนที่ของพาหะและการดูดซับสเปกตรัมที่เข้ากันได้
การผลิต
เซลล์แบบหลายจุดรวม III-V แบบดั้งเดิมถูกรวบรวมไว้ในสแต็กเสาหินแบบ epitaxial ที่มีเซลล์ย่อยเชื่อมต่อกันเป็นอนุกรมผ่านทางแยกอุโมงค์ การสร้างเซลล์มัลติฟังก์ชันในสแต็คเสาหินส่งผลให้เกิดข้อ จำกัด ของวัสดุและการประดิษฐ์อุปกรณ์ดังกล่าวจะช่วยอำนวยความสะดวกถ้าแต่ละชั้นของเซลล์ย่อยมีตำแหน่งตาข่ายอะตอมที่เข้ากันได้และเข้ากันได้กับตาข่าย ข้อดีของการจับคู่ขัดแตะนี้คือเหตุผลที่ Ge ซึ่งเป็นโครงข่ายจับคู่กับโลหะผสม III-V บางส่วนจะใช้แบบดั้งเดิมเป็นเซลล์ซับสเตรตและแบนด์แบนด์ช่องว่างใน MJ's ข้อ จำกัด การจับคู่แบบขัดแตะสามารถเอาชนะได้ด้วยความซับซ้อนเพิ่มเติมโดยใช้การเชื่อมเวเฟอร์หรือชั้นบัฟเฟอร์การเปลี่ยนแปลง
เลเยอร์ tunnel-junction ถูกสร้างโดยอินเตอร์เฟสของ p ++ ที่เจือด้วยเลเยอร์สูงและ n ++ การทำงานร่วมกันของเลเยอร์เหล่านี้ส่งผลให้พื้นที่ประจุพื้นที่แคบลงซึ่งช่วยให้กระแสไหลระหว่างเซลล์ย่อย สามารถเพิ่มเลเยอร์แถบแบนด์สูงที่เรียกว่าเลเยอร์ของหน้าต่างและฟิลด์พื้นผิวด้านหลังเพื่อเพิ่มสถานะของพื้นผิวที่อินเทอร์เฟซระหว่าง subcell และทางแยกอุโมงค์ซึ่งหากปล่อยทิ้งไว้ไม่ถูกต้องสามารถดักจับพาหะและเร่งการรวมตัวใหม่
หากมีการเชื่อมต่อ subcells ในชุด subcell ที่ดำเนินการ จำกัด กระแสที่เล็กที่สุดกระแสสูงสุดที่สามารถไหลผ่านอุปกรณ์ ดังนั้นจึงมีความพยายามอย่างมากในการปรับกระแสของเซลล์ย่อย การเชื่อมต่อแบบเรืองแสงระหว่างเซลล์ย่อยสามารถผ่อนคลายข้อกำหนดการออกแบบที่ตรงกับปัจจุบันบางอย่าง
เซลล์แสงอาทิตย์แบบ Multijunction III-V สามารถประดิษฐ์ขึ้นได้โดยใช้เทคนิคโมเลกุลของลำแสง epitaxy (MBE) แต่การประดิษฐ์ในเครื่องปฏิกรณ์โลหะสารเคมี - ไอสารอินทรีย์ (MOCVD) ขนาดใหญ่เป็นเรื่องปกติสำหรับการผลิตเชิงพาณิชย์ของอุปกรณ์ GaInP / GaInAs / Ge เลเยอร์สามารถเจริญเติบโตได้จาก trimethylgallium (Ga (CH3) 3), trimethylindium (InC3H9), arsine (AsH3), และฟอสฟีน (PH3) ในก๊าซไฮโดรเจนและใช้สารเจือปนเช่นไฮโดรเจนซีลีน (H2Se), ไซเลน (SiH6), และไดเอทิลสังกะสี ((C2H5) 2Zn) การใช้เลนส์ที่มุ่งเน้นทำให้เซลล์แต่ละเซลล์มีขนาดเล็ก - บางครั้งมีขนาดเล็กเท่ากับขนาดของปลายดินสอ ดังนั้นเทคนิคเหล่านี้ทำให้เซลล์แสงอาทิตย์หลายร้อยเซลล์เติบโตเป็นชุดเดียว กำลังทำการวิจัยเพื่อลดขนาดของเซลล์และเพิ่มจำนวนเซลล์ที่สามารถปลูกได้จากเวเฟอร์เดี่ยวซึ่งจะช่วยลดต้นทุนต่อเซลล์
