ट्रिपल-जंक्शन GaAs सौर सेल: मुख्यधारा अंतरिक्ष फोटोवोल्टिक संरचना पर एक विस्तृत नज़र

परिचय

जैसे-जैसे वाणिज्यिक अंतरिक्ष उड़ान बढ़ रही है, अंतरिक्ष यान को अधिक से अधिक विद्युत शक्ति की आवश्यकता होती है। अंतरिक्ष फोटोवोल्टिक्स अधिकांश अंतरिक्ष यान के लिए मुख्य शक्ति स्रोत के रूप में कार्य करते हैं, इसलिए सौर सेल प्रौद्योगिकी का चुनाव सीधे तौर पर मिशन की सफलता, लागत-प्रभावशीलता और बाजार में प्रतिस्पर्धात्मकता को आकार देता है।

अभी, तीन मुख्य प्रौद्योगिकी दिशाएँ हैं: गैलियम आर्सेनाइड (GaAs), p-प्रकार हेटेरोजंक्शन (HJT), और p-प्रकार HJT/पेरोव्स्काइट टेंडम सेल। प्रौद्योगिकी की दिशा और इसकी दीर्घकालिक क्षमता को देखते हुए, और प्रत्येक मार्ग के मुख्य लाभ और हानियों की गहराई से जांच करने पर, GaAs अभी भी शीर्ष पर है। लागत चुनौतियों के बावजूद, इसका अद्वितीय सर्वांगीण प्रदर्शन, चरम वातावरण में सिद्ध विश्वसनीयता, और लागत में कमी के लिए स्पष्ट और पर्याप्त गुंजाइश, GaAs को आज और अगले 3-5 वर्षों में उच्च-मूल्य, उच्च-विश्वसनीयता वाणिज्यिक अंतरिक्ष मिशनों के लिए सबसे अच्छा विकल्प बनाती है।

ट्रिपल-जंक्शन GaAs सेलों के लाभ

उच्च दक्षता

GaAs बैंडगैप (1.42 eV) सैद्धांतिक रूप से इष्टतम सीमा में आता है। इसके अलावा, मल्टी-जंक्शन सेल GaInP, GaAs और Ge परतों को स्टैक करते हैं जो क्रमशः उच्च, मध्यम और निम्न-ऊर्जा फोटॉनों को अवशोषित करते हैं, जो उनके द्वारा उपयोग किए जाने वाले स्पेक्ट्रम को बहुत व्यापक बनाता है। अंतरिक्ष फोटोवोल्टिक्स के लिए नवीनतम ट्रिपल-जंक्शन GaAs सेल अब 30% से अधिक की शक्ति रूपांतरण दक्षता प्राप्त करते हैं।

उच्च विश्वसनीयता

मजबूत विकिरण प्रतिरोध और उत्कृष्ट उच्च-तापमान स्थिरता इन सेलों को उच्च-स्तरीय, दीर्घकालिक मिशनों की मुख्य आवश्यकताओं के लिए एकदम उपयुक्त बनाती है। प्रदर्शन लाभ उच्च लागत की भरपाई करने के लिए पर्याप्त है।

परिपक्व प्रौद्योगिकी जिसका कक्षा में लंबा ट्रैक रिकॉर्ड है

1965 में, पूर्व सोवियत संघ का वेनेरा 3 उपग्रह GaAs कोशिकाओं का उपयोग करने वाला पहला उपग्रह बना। 1995 में, पहला वाणिज्यिक संचार उपग्रह MEASAT ने अपनी मुख्य बिजली इकाई के रूप में एकल-जंक्शन GaAs का उपयोग किया, और सौर सरणी डिजाइन ने एक पूर्ण डेटाबेस तैयार किया जो साबित करता है कि GaAs कोशिकाएं अंतरिक्ष यान की पूर्ण जीवन-चक्र बिजली आवश्यकताओं को पूरा कर सकती हैं। तब से, GaAs कोशिकाओं ने धीरे-धीरे पुरानी कोशिकाओं को अंतरिक्ष यान पर बुनियादी बिजली उत्पादन इकाई के रूप में बदल दिया, एकल-जंक्शन से बहु-जंक्शन डिजाइनों तक कदम दर कदम विकसित होते हुए।

इसे तीन-जंक्शन संरचना के रूप में क्यों डिज़ाइन करें?

कोई भी अर्धचालक सामग्री केवल अपने बैंडगैप से अधिक ऊर्जा वाले फोटॉनों को कुशलतापूर्वक अवशोषित कर सकती है। बहुत कम ऊर्जा वाले फोटॉनों का उपयोग नहीं किया जा सकता, जबकि बहुत अधिक ऊर्जा वाले फोटॉन अतिरिक्त ऊर्जा को ऊष्मा के रूप में खो देते हैं (थर्मलाइज़ेशन हानि)। एक एकल-जंक्शन कोशिका का बैंडगैप सौर स्पेक्ट्रम से पूरी तरह मेल नहीं खा सकता। एक एकल-जंक्शन सिलिकॉन कोशिका का उदाहरण लें: यह 0.3-1.1 μm (300 nm-1100 nm) रेंज में फोटॉनों को अवशोषित कर सकती है, मुख्य रूप से 0.38 μm-0.7 μm बैंड में काम करती है। यही कारण है कि एकल-जंक्शन सिलिकॉन कोशिकाओं की दक्षता सीमा सीमित होती है, जिसकी सैद्धांतिक सीमा लगभग 29.7% है।

एक तीन-जंक्शन कोशिका कार्य को तीन उप-कोशिकाओं में विभाजित करती है, सौर स्पेक्ट्रम को तीन खंडों में काटती है ताकि प्रत्येक उप-कोशिका अपने सबसे उपयुक्त बैंड में काम करे। इससे थर्मलाइज़ेशन हानि और वर्णक्रमीय बेमेल हानि दोनों में तेजी से कमी आती है। सिद्धांत रूप में, बहु-जंक्शन कोशिकाएं 50% दक्षता तक पहुंच सकती हैं, जो एकल-जंक्शन संरचना से कहीं अधिक है।

ट्रिपल-जंक्शन GaAs कोशिका की संरचना

ट्रिपल-जंक्शन GaAs कोशिका तीन भागों में विभाजित है: शीर्ष कोशिका, मध्य कोशिका और निचली कोशिका। प्रत्येक भाग विभिन्न मुख्य (आधार क्षेत्र) सामग्रियों का उपयोग करता है और एक अलग भूमिका निभाता है।

शीर्ष कोशिका

आमतौर पर AlGaInP / GaInP, जिसका बैंडगैप लगभग 1.8-1.9 eV होता है। यह मुख्य रूप से छोटी तरंगदैर्ध्य वाले फोटॉनों (पराबैंगनी, नीली रोशनी) को अवशोषित करती है। शीर्ष कोशिका उच्च-ऊर्जा फोटॉनों को सोख लेती है और थर्मलाइज़ेशन हानि को कम करती है।

मध्य कोशिका

आमतौर पर InGaAs या GaAs, जिसका बैंडगैप लगभग 1.42 eV होता है। यह मुख्य रूप से मध्यम और लंबी तरंगदैर्ध्य वाले फोटॉनों (हरी, पीली, लाल रोशनी) को अवशोषित करती है। मध्य कोशिका मध्यम से लंबी तरंगदैर्ध्य को संभालती है और अधिकांश फोटोकरंट का योगदान करती है।

निचली कोशिका

आमतौर पर Ge, जिसका बैंडगैप लगभग 0.67 eV होता है। यह मुख्य रूप से लंबी तरंगदैर्ध्य वाले फोटॉनों (निकट-अवरक्त) को अवशोषित करती है। निचली कोशिका अत्यधिक प्रवेश करने वाली अवरक्त रोशनी को पकड़ती है।

अब देखते हैं कि प्रत्येक परत क्या करती है।

① संपर्क परत

सबसे बाहरी Cap परत के ठीक ऊपर स्थित, यह अर्धचालक परत है जिसे धातु इलेक्ट्रोड सीधे छूता है। यह आमतौर पर भारी डोपित n⁺⁺-GaAs या n⁺⁺-GaInP होता है। इसका मुख्य कार्य संपर्क प्रतिरोध को कम करना है—भारी डोपिंग इसे धातु इलेक्ट्रोड के साथ अच्छा ओमिक संपर्क बनाने में मदद करता है और विद्युत हानि को कम करता है। यह सक्रिय क्षेत्र की भी रक्षा करता है, धातु इलेक्ट्रोड को नीचे के नाजुक सक्रिय क्षेत्र (विंडो लेयर, एमिटर, आदि) से अलग करके प्रक्रिया क्षति को रोकता है।

② Cap परत

विंडो लेयर के ऊपर और एंटी-रिफ्लेक्शन कोटिंग के नीचे स्थित, यह एंटी-रिफ्लेक्शन फिल्म और संपर्क परत के बीच में होता है। यह आमतौर पर GaAs होता है, हालांकि कुछ डिज़ाइनों में पारदर्शी प्रवाहकीय ऑक्साइड (TCO) जैसे ITO का उपयोग किया जाता है। इसकी मुख्य भूमिका एक 'सहायक इलेक्ट्रोड' के रूप में धारा संग्रह में सहायता करना है, जो संपर्क परत के साथ मिलकर पार्श्व रूप से धारा को एकत्र और बाहर निकालता है—विशेष रूप से बारीक-रेखा ग्रिड डिज़ाइनों के लिए उपयोगी। इसकी मोटाई और अपवर्तनांक को ऑप्टिकल डिज़ाइन में भाग लेने और सहायक एंटी-रिफ्लेक्शन प्रभाव प्रदान करने के लिए भी समायोजित किया जा सकता है।

③ विंडो लेयर

एमिटर के ऊपर स्थित, आमतौर पर AlInP, AlGaInP, या AlGaAs से बना होता है। इसकी मुख्य भूमिका सतह पुनर्संयोजन को कम करना है: सामग्री का विस्तृत-बैंडगैप स्वभाव इसे कम प्रकाश अवशोषित करने देता है, और यह एक उच्च-निम्न जंक्शन बनाता है जो फोटो-जनित वाहकों (इलेक्ट्रॉनों) को एमिटर के आंतरिक भाग की ओर धकेलता है, सतह दोषों पर पुनर्संयोजन हानि को कम करता है। यह एक 'छाता' के रूप में भी कार्य करता है, जंक्शन क्षेत्र को बाद की प्रक्रियाओं जैसे इलेक्ट्रोड वाष्पीकरण के दौरान क्षति से बचाता है।

④ एमिटर

विंडो लेयर के नीचे और बेस के ऊपर स्थित, बेस के साथ PN जंक्शन बनाता है। यह आमतौर पर N-प्रकार GaInP या GaAs होता है। इसकी मुख्य भूमिका 'धनात्मक इलेक्ट्रोड' के रूप में कार्य करना, फोटो-जनित इलेक्ट्रॉनों को एकत्र करना और उन्हें बाहरी सर्किट में संचालित करना है। यह प्रकाश अवशोषण और संग्रह के बीच संतुलन भी बनाता है—मोटाई और डोपिंग सांद्रता के सावधानीपूर्वक समायोजन के माध्यम से, यह छोटी-तरंगदैर्ध्य प्रकाश को अवशोषित करने के लिए पर्याप्त मोटा होता है लेकिन इतना मोटा नहीं कि वाहक प्रसार के दौरान पुनर्संयोजित हो जाएं।

⑤ बेस

एमिटर के नीचे और BSF परत के ऊपर स्थित, यह PN जंक्शन का मुख्य भाग है। यह आमतौर पर p-प्रकार GaInP या AlGaInP होता है। मुख्य प्रकाश-अवशोषक क्षेत्र के रूप में, यह शीर्ष सेल का 'वर्कहॉर्स' है, जो अधिकांश छोटी-तरंगदैर्ध्य प्रकाश (नीला और पराबैंगनी) को अवशोषित करता है, फोटो-जनित इलेक्ट्रॉन-छिद्र जोड़े उत्पन्न करता है, और फोटो-जनित छिद्रों को पीछे की BSF परत या इलेक्ट्रोड तक कुशलतापूर्वक पहुंचाता है।

⑥ BSF परत (पश्च सतह क्षेत्र)

आधार के नीचे और सुरंग जंक्शन के ऊपर स्थित, पीछे की ओर आधार के साथ एक उच्च-निम्न जंक्शन बनाता है। सामग्री आमतौर पर विस्तृत-बैंडगैप p-AlGaInP, AlGaAs आदि होती है। इसकी मुख्य भूमिका विपरीत वाहक पुनर्संयोजन को दबाना है: BSF परत आधार के पीछे एक "अवरोध" बनाती है जो प्रकाश-उत्पन्न छिद्रों को पीछे के इलेक्ट्रोड की ओर प्रसारित होने पर पुनर्संयोजित होने से रोकती है, जिससे वोल्टेज और दक्षता बढ़ती है।

⑦ परावर्तक

शीर्ष कोशिका और मध्य कोशिका के बीच, या मध्य कोशिका और निचली कोशिका के बीच स्थित। यह एक वितरित ब्रैग परावर्तक (DBR) है जो उच्च और निम्न अपवर्तनांक सामग्रियों, जैसे AlAs/AlGaAs या AlInP/AlGaInP, के वैकल्पिक स्तरों से विकसित होता है। इसका मुख्य कार्य मध्यम से लंबी तरंगदैर्ध्य के प्रकाश को वापस परावर्तित करना है जिसे शीर्ष और मध्य कोशिकाओं ने अवशोषित नहीं किया है और जो बाहर निकलने वाला है, जिससे दूसरा अवशोषण पास संभव होता है और समग्र धारा और दक्षता बढ़ती है।

⑧ सुरंग जंक्शन

उप-कोशिकाओं के बीच स्थित, भारी डोपित पतली परतों (जैसे n++GaAs / p++GaAs) से बना। एक "क्वांटम सुरंग" की तरह, यह प्रकाश-उत्पन्न वाहकों को कुशलतापूर्वक गुजरने देता है जबकि प्रत्येक उप-कोशिका को विद्युत रूप से स्वतंत्र रखता है।

मध्य कोशिका की संरचना शीर्ष कोशिका के समान है, बस सामग्री अलग है, इसलिए हम इसे यहाँ दोहराएंगे नहीं। नीचे हम संक्षेप में बताते हैं कि निचली कोशिका में क्या अलग है।

⑨ बफर परत

निचली कोशिका और मध्य कोशिका के बीच स्थित, यह जाली-असंगति समस्या का समाधान करता है। जब निचली कोशिका सामग्री (जैसे InGaAs) ऊपरी सामग्री (जैसे GaAs) के जाली स्थिरांक से मेल नहीं खाती, तो बफर परत एक "ग्रेडेड" या "मेटामॉर्फिक जाली" संरचना का उपयोग करके धीरे-धीरे तनाव मुक्त करती है और थ्रेडिंग डिस्लोकेशन को "रोक" लेती है, उन्हें निचली कोशिका के सक्रिय क्षेत्र से बाहर रखती है, जिससे कोशिका प्रदर्शन में सुधार होता है।

⑩ निचली कोशिका आधार

निचली कोशिका के PN जंक्शन के "मोटे" पक्ष पर स्थित। यह आमतौर पर p-प्रकार का Ge सब्सट्रेट होता है। इसका मुख्य कार्य लंबी तरंगदैर्ध्य के अवरक्त प्रकाश को अवशोषित करना है, जो निचली कोशिका में प्रकाश-उत्पन्न वाहक उत्पन्न करने का मुख्य स्रोत है।

कुछ नोट्स

P/N प्रकार के लेबल में, N++/P++ और इसी तरह के चिह्न हल्के बनाम भारी डोपिंग को इंगित करते हैं। इस लेख में चित्रित ट्रिपल-जंक्शन GaAs कोशिका संरचना में सरलता के लिए इलेक्ट्रोड संरचना, एंटी-रिफ्लेक्शन परत संरचना और इसी तरह के विवरण छोड़ दिए गए हैं।

संदर्भ:

• परावर्तक के साथ ट्रिपल-जंक्शन सौर सेल और इसकी निर्माण विधि - 2022-0804

• InGaP/InGaAs/Ge ट्रिपल-जंक्शन सौर सेल जिसमें माइक्रो-नैनो एंटी-रिफ्लेक्शन संरचना है और इसके निर्माण की विधि - 2018-0425

• ट्रिपल-जंक्शन सौर सेल के लिए एक विधि और ट्रिपल-जंक्शन सौर सेल - 2020-11-13

Ooitech का दृष्टिकोण

Ooitech का मानना है: ट्रिपल-जंक्शन GaAs सेल, सौर स्पेक्ट्रम को तीन उप-कोशिकाओं में विभाजित करके, उच्च दक्षता और सिद्ध विश्वसनीयता प्रदान करते हैं जो उन्हें आज के उच्च-मूल्य वाले अंतरिक्ष बिजली मिशनों के लिए अग्रणी विकल्प बनाते हैं।