Lähde: energy.gov
TAUSTA
Korkean hyötysuhteen moniohjauslaitteet käyttävät useita kaistaleveyksiä tai liittymiä, jotka on viritetty absorboimaan tietty aurinkospektrin alue luomaan aurinkokennoja, joiden hyötysuhde on yli 45%. Suurin teoreettinen hyötysuhde , jonka yksikaistaisen aurinkokennon voi saavuttaa keskittämättömällä auringonvalolla, on noin 33,5%, pääasiassa auringon säteilyn aiheuttamien fotonien laajan jakautumisen vuoksi. Tämä rajoittava tehokkuus, joka tunnetaan nimellä Shockley-Queisser-raja, johtuu siitä, että aurinkokennon avoimen piirin jännitettä (Voc) rajoittaa absorboivan materiaalin kaistanleveys ja että fotoneja, joiden energiat ovat kaistanlevyn alapuolella, ei absorboida. Fotonit, joiden energiat ovat suurempia kuin kaistanleveys, absorboituvat, mutta kaistaväliä suurempi energia häviää lämmönä.
Monikytkentälaitteet käyttävät korkean kaistan yläpuolella olevaa kennoa absorboimaan korkean energian fotoneja samalla kun matalamman energian fotonit pääsevät läpi. Materiaali, jolla on hiukan alhaisempi kaistanleveys, asetetaan sitten korkean kaistaleveyden liitoksen alle absorboimaan fotoneja, joilla on vähän vähemmän energiaa (pidemmät aallonpituudet). Tyypilliset multijunktiosolut käyttävät kahta tai useampaa absorboivaa liitosta, ja teoreettinen maksimitehokkuus kasvaa risteysten lukumäärän kanssa. Varhainen tutkimus moninkytkentälaitteista hyödynsi puolijohteiden ominaisuuksia, jotka koostuvat jaksollisen taulukon III ja V -sarakkeissa olevista elementeistä, kuten galliumindiumfosfaatti (GaInP), galliumindium-arsenidi (GaInAs) ja gallium-arsenidi (GaAs). Kolmeliitoslaitteet, joissa käytetään III-V-puolijohteita, ovat saavuttaneet yli 45%: n hyötysuhteen käyttämällä väkevää auringonvaloa. Tätä arkkitehtuuria voidaan siirtää myös muihin aurinkokennoteknologioihin, ja CIGS: stä, CdSe: stä, piistä, orgaanisista molekyyleistä ja muista materiaaleista valmistettuja monitoimisoluja tutkitaan.
Aikaisemmin monitoimilaitteita on käytetty pääasiassa avaruudessa, missä kevyen sähköntuotannolle on asetettu palkkio, joka mahdollistaa tämän suhteellisen kalliin aurinkoteknologian käytön. Maanpäällisissä sovelluksissa näiden puolijohdealustojen korkeat kustannukset (verrattuna esimerkiksi piin) voidaan korvata keskittyvällä optiikalla, nykyisissä järjestelmissä, joissa käytetään pääasiassa Fresnel-linssejä. Keskittyvä optiikka lisää aurinkokennoon tulevan valon määrää, mikä johtaa suurempaan energiantuotantoon. Keskittävän optiikan käyttö vaatii kaksiakselisen auringon seurannan käytön, joka on otettava huomioon järjestelmän kustannuksissa.
TUTKIMUSOHJEET
Vaikka monitoiminnallisilla III-V-soluilla on korkeammat hyötysuhteet kuin kilpailevilla tekniikoilla, tällaiset aurinkokennot ovat huomattavasti kalliimpia nykyisten valmistustekniikoiden ja materiaalien vuoksi. Siksi aktiivinen tutkimus pyrkii alentamaan näiden aurinkokennojen tuottaman sähkön kustannuksia lähestymistapoilla, kuten kehittämällä uusia alustamateriaaleja, absorboivia materiaaleja ja valmistustekniikoita; tehostaminen; ja laajentamalla multijunction-konsepti muihin PV-tekniikoihin. Lisäksi tällaisten aurinkokennojen kustannusten takia luotettavien edullisten ratkaisujen kehittäminen seurannalle ja keskittymiselle ovat myös aktiivisia tutkimusalueita tukemaan moniohjauskennoja käyttävien PV-järjestelmien kustannusten alentamista.
Lisätietoja palkinnoista ja hankkeista, joissa on mukana erittäin tehokkaat III-V-solut alla.
Ohion osavaltion yliopisto: Columbuksen kampus (aurinkosähkön tutkimus ja kehitys)
Arizonan osavaltion yliopisto (aurinkosähkön tutkimus ja kehitys)
Oregonin yliopisto (Fotoelektroniikan tutkimus ja kehitys: Pienet innovatiiviset projektit aurinkoenergiassa)
Etelä-Dakotan kaivos- ja teknologiakoulu (aurinkosähkö-tutkimus ja -kehitys: pienet innovatiiviset projektit Solarissa)
Arizonan osavaltion yliopisto (Fotoelektroniikan tutkimus ja kehitys: Pienet innovatiiviset projektit Solarissa)
nLiten Energy (Fotoelektroniikan tutkimus ja kehitys: Pienet innovatiiviset projektit aurinkoenergiassa)
Kalifornian yliopisto, Berkeley (seuraavan sukupolven aurinkosähkö II -projektit)
Kalifornian teknologiainstituutti (seuraavan sukupolven aurinkosähkö II -projektit)
Pohjois-Carolinan osavaltion yliopisto (perussääntöohjelma solujen tehokkuuden lisäämiseksi)
Kansallinen uusiutuvien energialähteiden laboratorio (perussääntöohjelma solujen tehokkuuden lisäämiseksi)
Ohion osavaltion yliopisto (perussääntöohjelma solujen tehokkuuden lisäämiseksi)
Houstonin yliopisto (seuraavan sukupolven aurinkosähköprojektit 3)
Kansallinen uusiutuvan energian laboratorio (seuraavan sukupolven aurinkosähkö 3 hanketta)
EDUT
Moniosaisten III-V-aurinkokennojen etuihin kuuluvat:
Spektrien sovittaminen: Korkean hyötysuhteen kennot (> 45%) voidaan valmistaa sovittamalla aurinkospektrin osiot erityisiin absorbointikerroksiin, joilla on erityiset kaistaleveydet.
Kristallirakenne: Erilaisilla III-V-puolijohteiden yhdistelmillä on samanlaiset kiderakenteet ja ihanteelliset ominaisuudet aurinkokennoille, mukaan lukien pitkät eksitonidiffuusiopituudet, kantoaallon liikkuvuus ja yhteensopivat absorptiospektrit.
TUOTANTO
Perinteiset moniosaiset III-V-solut kootaan epitaksiaaliseen monoliittiseen pinoon, jossa alakennot on kytketty sarjaan tunneliliitosten kautta. Moniosaisen solun konstruointi monoliittiseen pinoon johtaa materiaalirajoitteisiin, ja tällaisten laitteiden valmistus on helpotettu, jos alakennojen yksittäisillä kerroksilla on yhteensopivat atomihila-asemat ja hila sovitetaan yhteen. Tämä hilasovituksen etuna on siksi, että Ge: tä, joka on sovitettu hilaan joihinkin III-V-lejeerinkeihin, käytetään perinteisesti substraattina ja kapeana kaistaleikkaussoluna MJ: ssä. Hilan sovittamisen rajoitukset voidaan voittaa ylimääräisellä monimutkaisuudella käyttämällä kiekkojen sitomista tai metamorfisia puskurikerroksia.
Tunneli-liitoskerros rakennetaan erittäin seostettujen p ++- ja n ++ -kerrosten rajapinnan avulla. Näiden kerrosten vuorovaikutus johtaa alueellisesti kapeaan tilavarausalueeseen, joka sallii virran virtauksen alakennojen välillä. Korkean kaistanleveyden kerrokset, joita kutsutaan ikkunakerrokiksi ja taustapintakentiksi, voidaan lisätä passivaattisiin pintatiloihin alisolun ja tunnelin liittymän välisellä rajapinnalla, mikä voi jättää kantoaineet pitoon ja kiihdyttää rekombinaatiota.
Jos alisolut on kytketty sarjaan, pienin virta johtava alisolu rajoittaa suurimman virran, joka voi virtaa laitteen läpi. Siksi alisolujen virran virittämiseen kohdistetaan huomattava työ. Alisolujen välinen luminoiva kytkentä voi lieventää joitain nykyistä vastaavia suunnitteluvaatimuksia.
Monjunktio III-V-aurinkokennot voidaan valmistaa käyttämällä molekyylisäteen epitaksi (MBE) -tekniikoita, mutta valmistus suurissa metalli-orgaanisissa kemiallisessa höyrystysreaktoreissa (MOCVD) on tyypillinen GaInP / GaInAs / Ge-laitteiden kaupallisessa mittakaavassa tapahtuvalle tuotannolle. Kerroksia voidaan kasvattaa trimetyyligalliumista (Ga (CH3) 3), trimetyyliindiumista (InC3H9), arsiinista (AsH3) ja fosfiinista (PH3) vedyn kantajakaasussa käyttämällä lisäaineita, kuten vetyselenidiä (H2Se), silaania (SiH6), ja dietyylisinkki ((C2H5) 2Zn). Keskittävän optiikan avulla yksittäiset solut voivat olla melko pieniä - toisinaan yhtä pieniä kuin kynän kärjen koko. Siksi nämä tekniikat sallivat satojen aurinkokennojen kasvattamisen yksittäisissä erissä. Tutkimuksia tehdään solujen koon pienentämiseksi edelleen ja yhdestä kiekosta kasvatettavien solujen määrän lisäämiseksi, mikä auttaa vähentämään solukustannuksia.
