ሶስት-መገናኛ GaAs የፀሐይ ሴል — አወቃቀር እና ጥቅሞች
የይዘት ሰንጠረዥ
ፈጣን መልስ፦ ሶስት-መገናኛ GaAs የፀሐይ ሴል ሶስት የፎቶቮልታይክ መገናኛዎችን ያጣራል፣ እያንዳንዱ የተለያየ የፀሐይ ስፔክትረም ባንድ ለመምጠጥ የተስተካከለ ነው፣ በጋሊየም አርሴናይድ ንጣፍ ላይ። እያንዳንዱ መገናኛ የሚቀይረው ከእሱ ጋር የሚመጣጠኑትን ፎቶኖች ብቻ ስለሆነ፣ እና ጥቅም ላይ ያልዋለው ብርሃን ወደ ታችኛው ንብርብር ስለሚያልፍ፣ ክምርው ከነጠላ-መገናኛ ሲሊኮን ሴል የበለጠ ስፔክትረም ይቀይራል። ለዚህም ነው ሶስት-መገናኛ GaAs ሴሎች በማጠናከር ስር ከ30% ቅልጥፍና የሚበልጡት፣ ለዋና ሲሊኮን ደግሞ በግምት 22% እስከ 24% ነው። ልውውጡ ወጪ ነው፡ በጀርማኒየም ወይም GaAs ንጣፎች ላይ የሚደረግ GaAs ኤፒታክሲ በዋት ከሲሊኮን በብዙ እጥፍ የበለጠ ውድ ነው፣ ስለዚህ ቴክኖሎጂው በማጠናከሪያ ፎቶቮልታይክስ እና በጠፈር መንኮራኩሮች ላይ ብቻ የተወሰነ ነው፣ በኪሎግራም የሚለካው ኃይል ከዋት ወጪ የበለጠ አስፈላጊ በሆነበት። የጠፈር ድርድሮች እነሱን ይጠቀማሉ ምክንያቱም ክብደት እና የተከማቸ ቦታ ወሳኝ ገደቦች ናቸው።
PV Module Manufacturing · by Jerry, Ooitech
መግቢያ
የንግድ የህዋ በረራ እያደገ ሲሄድ፣ 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 መሆኑን፣ ወጪ ቆጣቢነቱን እና በገበያ ውስጥ ተወዳዳሪ ሆኖ መቆየቱን በቀጥታ ይቀርጻል።
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 ከፍተኛ ዋጋ ላላቸው፣ ከፍተኛ አስተማማኝነት ላላቸው የንግድ የጠፈር ተልእኮዎች አሁን እና በሚቀጥሉት 3-5 ዓመታት ውስጥ ምርጥ ምርጫ ያደርገዋል።
የሶስት-መጋጠሚያ GaAs ሴሎች ጥቅሞች
ከፍተኛ ብቃት
የ GaAs ባንድጋፕ (1.42 eV) በንድፈ ሀሳብ ደረጃ በጣም ጥሩ በሆነው ክልል ውስጥ ይገኛል። ከዚህ በተጨማሪ፣ ባለብዙ-መጋጠሚያ ሴሎች ከፍተኛ፣ መካከለኛ እና ዝቅተኛ ኃይል ያላቸውን ፎቶኖች የሚስቡ GaInP፣ GaAs እና Ge ንብርብሮችን ይደርድራሉ፣ ይህም ሊጠቀሙበት የሚችሉትን ስፔክትረም በእጅጉ ያሰፋል። አዲሶቹ የሶስት-መጋጠሚያ GaAs ሴሎች ለጠፈር ፎቶቮልታይክስ አሁን ከ30% በላይ የኃይል 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። የአፈጻጸም ጥቅሙ ከፍተኛውን ወጪ ለማካካስ በቂ ነው።
የበሰለ ቴክኖሎጂ ከረጅም ጊዜ የምህዋር ታሪክ ጋር
በ1965 የቀድሞዋ የሶቪየት ህብረት ቬኔራ 3 ሳተላይት የGaAs ሴሎችን ለመጀመሪያ ጊዜ ተጠቀመች። በ1995 የመጀመሪያው የንግድ የመገናኛ ሳተላይት MEASAT ነጠላ-መጋጠሚያ GaAs እንደ ዋና የኃይል አቅርቦት አሃድ ተጠቀመ፣ እና የፀሐይ ፓነል ዲዛይኑ GaAs ሴሎች የጠፈር መንኮራኩርን ሙሉ የህይወት ዑደት የኃይል ፍላጎቶችን ማሟላት እንደሚችሉ የሚያረጋግጥ ሙሉ ዳታቤዝ ገነባ። ከዚያን ጊዜ ጀምሮ የGaAs ሴሎች ከነጠላ-መጋጠሚያ ወደ ብዙ-መጋጠሚያ ዲዛይኖች እየተሻሻሉ የቆዩ ሴሎችን በመተካት በጠፈር መንኮራኩሮች ላይ መሰረታዊ የኃይል ማመንጫ አሃድ ሆኑ።
ለምን እንደ ሶስት-መጋጠሚያ መዋቅር ዲዛይን ይደረጋል?
ማንኛውም ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁስ ከባንድጋፕ በላይ የሆነ ኃይል ያላቸውን ፎቶኖች ብቻ በብቃት መሳብ ይችላል። በጣም አነስተኛ ኃይል ያላቸው ፎቶኖች ጥቅም ላይ መዋል አይችሉም፣ በጣም ከፍተኛ ኃይል ያላቸው ደግሞ ትርፍ ኃይሉን እንደ ሙቀት ያጣሉ (የሙቀት መጥፋት)። የነጠላ-መጋጠሚያ ሴል ባንድጋፕ ከፀሐይ ስፔክትረም ጋር በትክክል መመሳሰል አይችልም። እንደ ምሳሌ ነጠላ-መጋጠሚያ የሲሊኮን ሴል ይወሰድ፡ በ0.3-1.1 μm (300 nm-1100 nm) ክልል ውስጥ ያሉ ፎቶኖችን መሳብ ይችላል፣ በዋናነት በ0.38 μm-0.7 μm ባንድ ውስጥ ይሰራል። ለዚህም ነው ነጠላ-መጋጠሚያ የሲሊኮን ሴሎች የተገደበ የብቃት ጣሪያ ያላቸው፣ የንድፈ ሃሳባዊ ገደቡ 29.7% አካባቢ ነው።
የሶስት-መጋጠሚያ ሴል ስራውን በሶስት ንዑስ-ሴሎች ይከፍላል፣ የፀሐይ ስፔክትረምን በሶስት ክፍሎች በመቁረጥ እያንዳንዱ ንዑስ-ሴል በተሻለ በሚስማማው ባንድ ውስጥ እንዲሰራ ያደርጋል። ይህ ሁለቱንም የሙቀት ማጣት እና የስፔክትራል አለመመጣጠን ኪሳራዎችን በከፍተኛ ሁኔታ 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 ያላቸውን ፎቶኖች (አልትራቫዮሌት፣ ሰማያዊ ብርሃን) ይቀበላል። የላይኛው ሴል ከፍተኛ ኃይል ያላቸውን ፎቶኖች ይቀበላል እና የሙቀት ማጣትን ይቀንሳል።
የመካከለኛው ሴል
ብዙውን ጊዜ InGaAs ወይም GaAs፣ በ1.42 eV አካባቢ ባንድጋፕ ያለው። በዋናነት መካከለኛ እና ረጅም የሞገድ ርዝመት ያላቸውን ፎቶኖች (አረንጓዴ፣ ቢጫ፣ ቀይ ብርሃን) ይቀበላል። የመካከለኛው ሴል መካከለኛ እስከ ረጅም የሞገድ ርዝመቶችን ይቀበላል እና አብዛኛውን የፎቶ ኤሌክትሪክ ጅረት 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
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 መከላከያን ዝቅ ማድረግ ነው—ከፍተኛ ደረጃ የመደባለቅ ሂደት ከብረት ኤሌክትሮድ ጋር ጥሩ የኦህሚክ ግንኙነት እንዲፈጠር ይረዳል እና የኤሌክትሪክ ኪሳራን ይቀንሳል። እንዲሁም ንቁውን ክልል ይከላከላል፣ የብረት ኤሌክትሮድን ከስር ካለው ስስ ንቁ ክልል (የዊንዶው ንብርብር፣ ኢሚተር፣ ወዘተ) በመለየት የሂደት ጉዳትን ይከላከላል።
② ካፕ ንብርብር
ከዊንዶው ንብርብር በላይ እና ከፀረ-ነጸብራቅ ሽፋን በታች፣ በፀረ-ነጸብራቅ ፊልም እና በእውቂያ ንብርብር መካከል ይገኛል። 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፣ ከእውቂያ ንብርብር ጋር በመሆን አግድም አቅጣጫ ያለውን ኤሌክትሪክ 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 ዊንዶው ንብርብር
ከኤሚተር በላይ ይገኛል፣ ብዙውን ጊዜ ከ AlInP፣ AlGaInP፣ ወይም AlGaAs የተሰራ ነው። ዋና ሚናው የገጽታ ውህደትን መቀነስ ነው፡ የቁሱ ሰፊ-ባንድጋፕ ተፈጥሮ ትንሽ ብርሃን እንደሚስብ ያደርገዋል፣ እና ከፍተኛ-ዝቅተኛ መጋጠሚያ ይፈጥራል ይህም በፎቶ የሚፈጠሩ ቻርጅ አጓጓዦችን (ኤሌክትሮኖች) ወደ ኤሚተር ውስጠኛ ክፍል ይገፋል፣ በገጽታ ጉድለቶች ላይ የሚደርሰውን የውህደት ኪሳራ ይቀንሳል። እንዲሁም እንደ "ጃንጥላ" ሆኖ ያገለግላል፣ የመጋጠሚያውን ክልል በኋላ ላይ እንደ ኤሌክትሮድ ትነት ባሉ ሂደቶች ወቅት ከሚደርስ ጉዳት ይከላከላል።
④ ኤሚተር
ከመስኮቱ ንብርብር በታች እና ከመሠረቱ በላይ የሚገኝ ሲሆን ከመሠረቱ ጋር ፒኤን መጋጠሚያ ይፈጥራል። ብዙውን ጊዜ ኤን-አይነት GaInP ወይም GaAs ነው። ዋና ሚናው እንደ "አዎንታዊ ኤሌክትሮድ" ሆኖ በፎቶ የሚመነጩ 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 ከቢኤስኤፍ ንብርብር በላይ የሚገኝ ሲሆን ይህ የፒኤን መጋጠሚያ ዋና አካል ነው። ብዙውን ጊዜ ፒ-አይነት GaInP ወይም AlGaInP ነው። እንደ ዋናው ብርሃን የሚስብ ክልል፣ የላይኛው ሴል "ሰራተኛ ፈረስ" ነው፣ አብዛኛውን አጭር የሞገድ ርዝመት ብርሃን (ሰማያዊ እና አልትራቫዮሌት) ይስባል፣ በፎቶ የሚመነጩ ኤሌክትሮን-ቀዳዳ ጥንዶችን ያመነጫል፣ እና በፎቶ የሚመነጩ ቀዳዳዎችን ወደ ኋላ ቢኤስኤፍ ንብርብር ወይም ኤሌክትሮድ በብቃት ያጓጉዛል።
⑥ ቢኤስኤፍ 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 ሲበተኑ 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 የመካከለኛው ሴሎች ያልተቀበሉትን እና ሊወጡ የተቃረቡ መካከለኛ-እስከ-ረጅም የሞገድ ርዝመት ብርሃንን ወደ ኋላ ማንጸባረቅ ሲሆን ይህም ለሁለተኛ ጊዜ መምጠጥ እድል በመስጠት አጠቃላይ ጅረት እና ቅልጥፍናን ያሳድጋል።
⑧ ዋሻ መጋጠሚያ
በንዑስ-ሴሎች መካከል የሚገኝ፣ በከፍተኛ ደረጃ የተቀላቀሉ 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 ሕዋስ አወቃቀር ከላይኛው ሕዋስ ጋር ተመሳሳይ ነው፣ ልዩነቱ በተለያዩ ቁሳቁሶች ብቻ ነው፣ ስለዚህ እዚህ ላይ አንደግመውም። ከዚህ በታች ስለ ታችኛው ሕዋስ ልዩነቶች በአጭሩ እንገልጻለን።
⑨ ቋት ንብርብር
በታችኛው ሕዋስ እና በመካከለኛው ሕዋስ መካከል የተጠላለፈ፣ የላቲስ አለመመሳሰል ችግርን ይፈታል። የታችኛው ሕዋስ ቁሳቁስ (እንደ InGaAs) ከላይኛው ቁሳቁስ (እንደ GaAs) የላቲስ ቋሚ ጋር በማይመሳሰልበት ጊዜ፣ ቋት ንብርብሩ “ደረጃ የተሰጠው” ወይም “ሜታሞርፊክ ላቲስ” መዋቅር በመጠቀም ጭንቀትን ቀስ በቀስ ይለቀቃል እና “የሚያጋጥሙ መበታተኖችን” ይይዛል፣ ከታችኛው ሕዋስ ንቁ ክልል ውስጥ እንዳይገቡ በማድረግ የሕዋስ አፈጻጸምን ያሻሽላል።
⑩ የታችኛው ሕዋስ መሠረት
በታችኛው ሕዋስ PN መጋጠሚያ “ወፍራም” ጎን ላይ ይገኛል። ብዙውን ጊዜ p-ዓይነት የጀርማኒየም ንጣፍ ነው። ዋና ተግባሩ ረጅም ሞገድ ርዝመት ያለው ኢንፍራሬድ ብርሃንን መሳብ ነው፣ ይህም በታችኛው ሕዋስ ውስጥ የፎቶ-ጀነሬትድ 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 ጋሊየም አርሴናይድ ሕዋስ መዋቅር ለቀላልነት የኤሌክትሮድ መዋቅር፣ የፀረ-ነጸብራቅ ንብርብር መዋቅር እና ተመሳሳይ ዝርዝሮችን ትቷል።
ማጣቀሻዎች፡
የሶስት-መጋጠሚያ የፀሐይ ሴል ከአንጸባራቂ ጋር እና የማምረቻ ዘዴው - 2022-0804
InGaP/InGaAs/Ge የሶስት-መጋጠሚያ የፀሐይ ሴል ከማይክሮ-ናኖ ፀረ-ነጸብራቅ መዋቅር ጋር እና የማምረቻ ዘዴው - 2018-0425
ለሶስት-መጋጠሚያ የፀሐይ ሴል ዘዴ እና የሶስት-መጋጠሚያ የፀሐይ ሴል - 2020-11-13
የOoitech እይታ
Ooitech ያምናል፡ የሶስት-መጋጠሚያ GaAs ሴሎች፣ የፀሐይ ስፔክትረምን በሶስት ንዑስ-ሴሎች በመቁረጥ፣ ከፍተኛ ብቃት እና የተረጋገጠ አስተማማኝነት ያቀርባሉ፣ ይህም ለዛሬው ከፍተኛ ዋጋ ላላቸው የጠፈር ሃይል ተልእኮዎች መሪ ምርጫ ያደርጋቸዋል።
