መግቢያ

የንግድ የህዋ በረራ እያደገ በመምጣቱ የጠፈር መንኮራኩሮች ከጊዜ ወደ ጊዜ ብዙ የኤሌክትሪክ ኃይል ያስፈልጋቸዋል። የህዋ ፎቶቮልታይክስ ለአብዛኞቹ የጠፈር መንኮራኩሮች ዋና የኃይል ምንጭ ሆኖ ያገለግላል፣ ስለዚህ የፀሐይ ሴል ቴክኖሎጂ ምርጫ ተልዕኮው ስኬታማ መሆን አለመሆኑን፣ ወጪ ቆጣቢነቱን እና በገበያ ውስጥ ተወዳዳሪ ሆኖ መቆየቱን በቀጥታ ይቀርፃል።

አሁን ላይ ሦስት ዋና ዋና የቴክኖሎጂ አቅጣጫዎች አሉ፦ ጋሊየም አርሴናይድ (GaAs)፣ ፒ-አይነት ሄትሮጁንክሽን (HJT) እና ፒ-አይነት HJT/ፔሮቭስኪት ታንደም ሴሎች። የቴክኖሎጂው አቅጣጫ እና የረጅም ጊዜ አቅሙን ስንመለከት፣ እንዲሁም የእያንዳንዱን መንገድ ዋና ዋና ጥቅሞች እና ጉዳቶች ስንመረምር፣ GaAs አሁንም ከፍተኛ ደረጃ ላይ ይገኛል። የዋጋ ተግዳሮቶች ቢኖሩም፣ የማይወዳደረው አጠቃላይ አፈጻጸሙ፣ በከፍተኛ አካባቢዎች ውስጥ የተረጋገጠው አስተማማኝነቱ እና ግልጽ የሆነው የዋጋ ቅነሳ አቅሙ GaAs ለከፍተኛ ዋጋ እና ከፍተኛ አስተማማኝነት ላላቸው የንግድ የጠፈር ተልእኮዎች አሁን እና በሚቀጥሉት 3-5 ዓመታት ውስጥ ምርጥ ምርጫ ያደርገዋል።

የሶስት-መጋጠሚያ GaAs ሴሎች ጥቅሞች

ከፍተኛ ብቃት

የGaAs ባንድጋፕ (1.42 eV) በንድፈ ሀሳብ ደረጃ በጣም ጥሩ በሆነው ክልል ውስጥ ይገኛል። ከዚህ በተጨማሪ፣ ባለብዙ-መጋጠሚያ ሴሎች ከፍተኛ፣ መካከለኛ እና ዝቅተኛ ኢነርጂ ፎቶኖችን የሚስቡ GaInP፣ GaAs እና Ge ንብርብሮችን ይደረድራሉ፣ ይህም ሊጠቀሙበት የሚችሉትን ስፔክትረም በእጅጉ ያሰፋል። አዲሶቹ የሶስት-መጋጠሚያ GaAs ሴሎች ለጠፈር ፎቶቮልታይክስ አሁን ከ30% በላይ የሃይል ልወጣ ብቃት ያስመዘገቡ ናቸው።

ከፍተኛ አስተማማኝነት

ጠንካራ የጨረር መቋቋም እና እጅግ በጣም ጥሩ የከፍተኛ ሙቀት መረጋጋት እነዚህን ሴሎች ለከፍተኛ ደረጃ፣ ረጅም ዕድሜ ተልእኮዎች ዋና ፍላጎቶች ፍጹም ተስማሚ ያደርጋቸዋል። የአፈጻጸሙ ብልጫ ከፍተኛውን ወጪ ለማካካስ በቂ ነው።

በምህዋር ውስጥ ረጅም ታሪክ ያለው የበሰለ ቴክኖሎጂ

በ1965 የቀድሞዋ የሶቪየት ህብረት የቬኔራ 3 ሳተላይት የGaAs ሴሎችን ለመጀመሪያ ጊዜ ተጠቅሟል። በ1995 የመጀመሪያው የንግድ የመገናኛ ሳተላይት MEASAT ነጠላ-መጋጠሚያ GaAs እንደ ዋና የኃይል አቅርቦት አሃድ ተጠቅሟል፣ እና የፀሐይ ፓነል ዲዛይኑ GaAs ሴሎች የጠፈር መንኮራኩርን ሙሉ የህይወት ዑደት የኃይል ፍላጎቶችን ማሟላት እንደሚችሉ የሚያረጋግጥ ሙሉ ዳታቤዝ ገንብቷል። ከዚያን ጊዜ ጀምሮ የGaAs ሴሎች ከነጠላ-መጋጠሚያ ወደ ባለብዙ-መጋጠሚያ ዲዛይኖች እየተሻሻሉ የቆዩ ሴሎችን በመተካት በጠፈር መንኮራኩሮች ላይ መሰረታዊ የኃይል ማመንጫ አሃድ ሆነዋል።

ለምን እንደ ሶስት-መጋጠሚያ መዋቅር ዲዛይን ይደረጋል?

ማንኛውም ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁስ ከባንድጋፕ በላይ የሆነ ሃይል ያላቸውን ፎቶኖች ብቻ በብቃት መሳብ ይችላል። በጣም ዝቅተኛ ሃይል ያላቸው ፎቶኖች ጥቅም ላይ መዋል አይችሉም፣ በጣም ከፍተኛ ሃይል ያላቸው ደግሞ ትርፍ ሃይሉን እንደ ሙቀት ያጣሉ (የሙቀት መጥፋት)። የነጠላ-መጋጠሚያ ሴል ባንድጋፕ ከፀሐይ ስፔክትረም ጋር ፍጹም መመሳሰል አይችልም። እንደ ምሳሌ ነጠላ-መጋጠሚያ የሲሊኮን ሴል ይወሰድ፡ በ0.3-1.1 μm ክልል (300 nm-1100 nm) ውስጥ ያሉ ፎቶኖችን መሳብ ይችላል፣ በዋናነት በ0.38 μm-0.7 μm ባንድ ውስጥ ይሰራል። ለዚህም ነው ነጠላ-መጋጠሚያ የሲሊኮን ሴሎች ውስን የብቃት ጣሪያ ያላቸው፣ የንድፈ ሃሳባዊ ገደቡ ወደ 29.7% አካባቢ ነው።

የሶስት-መጋጠሚያ ሴል ስራውን በሶስት ንዑስ-ሴሎች ይከፍላል፣ የፀሐይ ስፔክትረምን በሶስት ክፍሎች ይቆርጣል ስለዚህ እያንዳንዱ ንዑስ-ሴል በተሻለ ባንድ ውስጥ ይሰራል። ይህ ሁለቱንም የሙቀት ማጣት እና የስፔክትራል አለመመጣጠን ኪሳራዎችን በእጅጉ ይቀንሳል። በንድፈ ሀሳብ፣ ባለብዙ-መጋጠሚያ ሴሎች ወደ 50% ቅልጥፍና ሊደርሱ ይችላሉ፣ ይህም አንድ-መጋጠሚያ መዋቅር ከሚሰጠው እጅግ ከፍ ያለ ነው።

የሶስት-መጋጠሚያ GaAs ሴል መዋቅር

የሶስት-መጋጠሚያ GaAs ሴል በሶስት ክፍሎች ይከፈላል፡ የላይኛው ሴል፣ የመካከለኛው ሴል እና የታችኛው ሴል። እያንዳንዱ ክፍል የተለያዩ ዋና (የመሠረት ክልል) ቁሳቁሶችን ይጠቀማል እና የተለየ ሚና ይጫወታል።

የላይኛው ሴል

ብዙውን ጊዜ AlGaInP / GaInP፣ በ1.8-1.9 eV አካባቢ ባንድጋፕ ያለው። በዋናነት አጭር የሞገድ ርዝመት ፎቶኖችን (አልትራቫዮሌት፣ ሰማያዊ ብርሃን) ይይዛል። የላይኛው ሴል ከፍተኛ ኃይል ያላቸውን ፎቶኖች ይይዛል እና የሙቀት ማጣትን ይቀንሳል።

የመካከለኛው ሴል

ብዙውን ጊዜ InGaAs ወይም GaAs፣ በ1.42 eV አካባቢ ባንድጋፕ ያለው። በዋናነት መካከለኛ እና ረጅም የሞገድ ርዝመት ፎቶኖችን (አረንጓዴ፣ ቢጫ፣ ቀይ ብርሃን) ይይዛል። የመካከለኛው ሴል መካከለኛ እስከ ረጅም የሞገድ ርዝመቶችን ያስተናግዳል እና አብዛኛውን የፎቶ ከርረንት ያበረክታል።

የታችኛው ሴል

ብዙውን ጊዜ ጂኢ (Ge)፣ በ0.67 eV አካባቢ የባንድጋፕ አለው። በዋናነት ረጅም የሞገድ ርዝመት ያላቸውን ፎቶኖች (በኢንፍራሬድ አቅራቢያ) ይስባል። የታችኛው ሴል በከፍተኛ ሁኔታ ዘልቆ የሚገባውን የኢንፍራሬድ ብርሃን ይይዛል።

አሁን እያንዳንዱ ንብርብር ምን እንደሚሰራ እንመልከት።

① የግንኙነት ንብርብር (Contact Layer)

ከውጪው ካፕ ንብርብር በላይ የሚገኘው፣ የብረት ኤሌክትሮድ በቀጥታ የሚነካው ሴሚኮንዳክተር ንብርብር ነው። ብዙውን ጊዜ በከፍተኛ ደረጃ የተደባለቀ n⁺⁺-GaAs ወይም n⁺⁺-GaInP ነው። ዋና ተግባሩ የግንኙነት መቋቋምን መቀነስ ነው—ከፍተኛ ደረጃ የመደባለቅ ሂደት ከብረት ኤሌክትሮድ ጋር ጥሩ የኦሚክ ግንኙነት እንዲፈጠር ይረዳል እና የኤሌክትሪክ ኪሳራን ይቀንሳል። እንዲሁም ንቁውን ክልል ይከላከላል፣ የብረት ኤሌክትሮድን ከስሩ ካለው ስስ ንቁ ክልል (የዊንዶው ንብርብር፣ ኢሚተር፣ ወዘተ) በመለየት የሂደት ጉዳትን ይከላከላል።

② ካፕ ንብርብር (Cap Layer)

ከመስኮቱ ንብርብር በላይ እና ከፀረ-ነጸብራቅ ሽፋን በታች ይገኛል፣ በፀረ-ነጸብራቅ ፊልም እና በግንኙነት ንብርብር መካከል ይቀመጣል። በተለምዶ GaAs ነው፣ ምንም እንኳን አንዳንድ ዲዛይኖች እንደ ITO ያሉ ግልጽ የሆኑ ኦክሳይዶችን (TCO) ይጠቀማሉ። ዋና ሚናው እንደ "ረዳት ኤሌክትሮድ" ሆኖ የአሁኑን ስብስብ መርዳት ነው፣ ከግንኙነት ንብርብር ጋር በመሆን ጅረትን በጎን በኩል ለመሰብሰብ እና ለማውጣት ይረዳል—በተለይ ለጥሩ መስመር ፍርግርግ ዲዛይኖች ጠቃሚ ነው። ውፍረቱ እና ነጸብራቅ ኢንዴክሱ በኦፕቲካል ዲዛይን ውስጥ ለመሳተፍ እና ረዳት ፀረ-ነጸብራቅ ውጤት ለማቅረብ ሊስተካከል ይችላል።

③ የመስኮት ንብርብር

ከኤሚተር በላይ ይገኛል፣ ብዙውን ጊዜ ከ AlInP፣ AlGaInP ወይም AlGaAs የተሰራ ነው። ዋና ሚናው የገጽታ ውህደትን መቀነስ ነው፡ የቁሱ ሰፊ-ባንድጋፕ ተፈጥሮ ብርሃንን በትንሹ የሚስብ ማለት ነው፣ እና ከፍተኛ-ዝቅተኛ መጋጠሚያ ይፈጥራል ይህም በፎቶ የሚፈጠሩ ቻርጅ አጓጓዦችን (ኤሌክትሮኖች) ወደ ኤሚተር ውስጠኛ ክፍል ይገፋል፣ በገጽታ ጉድለቶች ላይ የሚደርሰውን የውህደት ኪሳራ ይቆርጣል። እንዲሁም እንደ "ጃንጥላ" ሆኖ ያገለግላል፣ የመጋጠሚያውን ክልል በኋላ ላይ እንደ ኤሌክትሮድ ትነት ባሉ ሂደቶች ወቅት ከጉዳት ይከላከላል።

④ ኤሚተር

ከመስኮቱ ንብርብር በታች እና ከመሠረቱ በላይ የሚገኝ ሲሆን ከመሠረቱ ጋር የPN መጋጠሚያ ይፈጥራል። ብዙውን ጊዜ N-አይነት GaInP ወይም GaAs ነው። ዋና ሚናው እንደ "አዎንታዊ ኤሌክትሮድ" ሆኖ መስራት፣ በፎቶ የሚፈጠሩ ኤሌክትሮኖችን መሰብሰብ እና ወደ ውጫዊ ዑደት ማስተላለፍ ነው። እንዲሁም የብርሃን መሳብን ከመሰብሰብ ጋር ያስተካክላል—በውፍረት እና በዶፒንግ ክምችት ጥንቃቄ የተሞላበት ማስተካከያ አማካኝነት አጭር የሞገድ ርዝመት ብርሃንን ለመሳብ የሚያስችል ውፍረት ያለው ነገር ግን ተሸካሚዎች በስርጭት ጊዜ እንደገና እንዳይጣመሩ ያህል ውፍረት የለውም።

⑤ መሠረት

ከኤሚተሩ በታች እና ከBSF ንብርብር በላይ የሚገኝ ሲሆን ይህ የPN መጋጠሚያ ዋና አካል ነው። ብዙውን ጊዜ p-አይነት GaInP ወይም AlGaInP ነው። እንደ ዋናው ብርሃን የሚስብ ክልል፣ የላይኛው ሴል "የስራ ፈረስ" ነው፣ አብዛኛውን አጭር የሞገድ ርዝመት ብርሃን (ሰማያዊ እና አልትራቫዮሌት) ይስባል፣ በፎቶ የሚፈጠሩ ኤሌክትሮን-ቀዳዳ ጥንዶችን ያመነጫል፣ እና በፎቶ የሚፈጠሩ ቀዳዳዎችን ወደ ኋላ BSF ንብርብር ወይም ኤሌክትሮድ በብቃት ያጓጉዛል።

⑥ BSF ንብርብር (የኋላ ወለል መስክ)

ከመሠረቱ በታች እና ከዋሻ መጋጠሚያው በላይ የሚገኝ ሲሆን ከመሠረቱ ጋር በጀርባ በኩል ከፍተኛ-ዝቅተኛ መጋጠሚያ ይፈጥራል። ቁሱ ብዙውን ጊዜ ሰፊ-ባንድጋፕ p-AlGaInP፣ AlGaAs እና የመሳሰሉት ነው። ዋና ሚናው የተገላቢጦሽ ተሸካሚ ውህደትን ማፈን ነው፡ የBSF ንብርብር በመሠረቱ ጀርባ ላይ “እንቅፋት” ይፈጥራል ይህም በፎቶ የተፈጠሩ ቀዳዳዎች ወደ ኋላ ኤሌክትሮድ ሲሰራጩ እንዳይዋሃዱ ያቆማል፣ በዚህም ቮልቴጅ እና ቅልጥፍናን ያሳድጋል።

⑦ አንጸባራቂ

በላይኛው ሴል እና በመካከለኛው ሴል መካከል፣ ወይም በመካከለኛው ሴል እና በታችኛው ሴል መካከል ይገኛል። እንደ AlAs/AlGaAs ወይም AlInP/AlGaInP ካሉ ተለዋጭ ከፍተኛ-እና ዝቅተኛ-ነጸብራቅ ኢንዴክስ ቁሶች የተበቀለ የተከፋፈለ ብራግ አንጸባራቂ (DBR) ነው። ዋና ተግባሩ የላይኛው እና መካከለኛው ሴሎች ያልዋጡትን እና ሊወጡ ያሉትን መካከለኛ-እስከ-ረጅም የሞገድ ርዝመት ብርሃን ወደ ኋላ ማንጸባረቅ ሲሆን ይህም ለሁለተኛ ጊዜ መምጠጥ እድል በመስጠት አጠቃላይ ጅረት እና ቅልጥፍናን ያሳድጋል።

⑧ ዋሻ መጋጠሚያ

በንዑስ-ሴሎች መካከል የሚገኝ፣ በከፍተኛ የተደባለቁ ቀጭን ንብርብሮች (እንደ n++GaAs / p++GaAs) የተሰራ። እንደ “ኳንተም ዋሻ” ሆኖ የሚሰራ ሲሆን በፎቶ የተፈጠሩ ተሸካሚዎች በብቃት እንዲያልፉ ያስችላል እንዲሁም እያንዳንዱ ንዑስ-ሴል በኤሌክትሪክ ተለይቶ እንዲቆይ ያደርጋል።

የመካከለኛው ሴል መዋቅር ከላይኛው ሴል ጋር ተመሳሳይ ነው፣ ልዩነቱ በተለያዩ ቁሳቁሶች ብቻ ነው፣ ስለዚህ እዚህ ላይ አንደግመውም። ከዚህ በታች ስለ ታችኛው ሴል ልዩነቶች በአጭሩ እንገልጻለን።

⑨ ቋት ንብርብር

በታችኛው ሴል እና በመካከለኛው ሴል መካከል የተቀመጠ፣ የላቲስ አለመመሳሰል ችግርን ይፈታል። የታችኛው ሴል ቁሳቁስ (እንደ InGaAs) ከላይኛው ቁሳቁስ (እንደ GaAs) የላቲስ ቋሚ ጋር በማይመሳሰልበት ጊዜ፣ ቋት ንብርብሩ “ደረጃ የተሰጠው” ወይም “ሜታሞርፊክ ላቲስ” መዋቅርን በመጠቀም ጭንቀትን ቀስ በቀስ ይለቀቃል እና “የሚያልፉ መበላሸቶችን” ይይዛል፣ ከታችኛው ሴል ንቁ ክልል ውስጥ እንዳይገቡ በማድረግ የሴሉን አፈጻጸም ያሻሽላል።

⑩ የታችኛው ሴል መሠረት

በታችኛው ሴል PN መጋጠሚያ “ወፍራም” ጎን ላይ ይገኛል። ብዙውን ጊዜ p-ዓይነት ጂ ንጥረ ነገር ነው። ዋና ተግባሩ ረጅም ሞገድ ርዝመት ያለው ኢንፍራሬድ ብርሃንን መምጠጥ ነው፣ ይህም በታችኛው ሴል ውስጥ የፎቶ-ተፈጠረ ቻርጅ አጓጓዦችን ለማመንጨት እንደ ዋና ሥራ ፈላጊ ሆኖ ያገለግላል።

ጥቂት ማስታወሻዎች

በP/N ዓይነት መለያዎች ውስጥ፣ N++/P++ እና ተመሳሳይ ምልክቶች ቀላል እና ከባድ ዶፒንግን ያመለክታሉ። በዚህ ጽሑፍ ውስጥ የተገለጸው የሶስት-መጋጠሚያ GaAs ሴል መዋቅር ለቀላልነት የኤሌክትሮድ መዋቅርን፣ የፀረ-ነጸብራቅ ንብርብር መዋቅርን እና ተመሳሳይ ዝርዝሮችን ትቷል።

ማጣቀሻዎች፡

• ባለ ሶስት መስቀለኛ የፀሐይ ሴል ከአንጸባራቂ ጋር እና የማምረቻ ዘዴው - 2022-0804

• InGaP/InGaAs/Ge ባለ ሶስት መስቀለኛ የፀሐይ ሴል ከማይክሮ-ናኖ ፀረ-ነጸብራቅ መዋቅር ጋር እና የማምረቻ ዘዴው - 2018-0425

• ለባለ ሶስት መስቀለኛ የፀሐይ ሴል ዘዴ እና ባለ ሶስት መስቀለኛ የፀሐይ ሴል - 2020-11-13

የOoitech እይታ

Ooitech ያምናል፡ ባለ ሶስት መስቀለኛ GaAs ሴሎች፣ የፀሐይ ስፔክትረምን በሶስት ንዑስ ሴሎች በመቁረጥ፣ ለዛሬው ከፍተኛ ዋጋ ያላቸው የጠፈር ሃይል ተልእኮዎች መሪ ምርጫ የሚያደርጋቸውን ከፍተኛ ብቃት እና የተረጋገጠ አስተማማኝነት ያቀርባሉ።