ट्रिपल-जंक्शन GaAs सोलर सेल — संरचना और लाभ

त्वरित उत्तर: एक ट्रिपल-जंक्शन GaAs सौर सेल गैलियम आर्सेनाइड सब्सट्रेट पर तीन फोटोवोल्टिक जंक्शनों को एक साथ रखता है, जिनमें से प्रत्येक सौर स्पेक्ट्रम के एक अलग बैंड को अवशोषित करने के लिए समायोजित होता है। चूंकि प्रत्येक जंक्शन केवल उन्हीं फोटॉनों को परिवर्तित करता है जिनसे वह मेल खाता है, और अप्रयुक्त प्रकाश नीचे की परत तक पहुंचता है, यह स्टैक एकल-जंक्शन सिलिकॉन सेल की तुलना में स्पेक्ट्रम का बहुत अधिक हिस्सा परिवर्तित करता है। यही कारण है कि ट्रिपल-जंक्शन GaAs सेल संकेंद्रण के तहत 30% से अधिक दक्षता प्राप्त करते हैं, जबकि मुख्यधारा के सिलिकॉन के लिए यह लगभग 22% से 24% होती है। इसका व्यापार-बंद लागत है: जर्मेनियम या GaAs सब्सट्रेट पर GaAs एपिटैक्सी प्रति वाट सिलिकॉन की तुलना में कई गुना अधिक महंगी होती है, इसलिए यह तकनीक कंसंट्रेटर फोटोवोल्टिक्स और अंतरिक्ष यान तक सीमित है, जहां प्रति किलोग्राम शक्ति प्रति वाट लागत से अधिक मायने रखती है। अंतरिक्ष सरणियाँ इनका उपयोग इसलिए करती हैं क्योंकि द्रव्यमान और संग्रहित क्षेत्र सीमित करने वाली बाधाएँ हैं।

PV मॉड्यूल निर्माण · Jerry, Ooitech द्वारा

परिचय

जैसे-जैसे वाणिज्यिक अंतरिक्ष उड़ान बढ़ती जा 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 यह निर्धारित करता है कि मिशन सफल होता है या नहीं, यह कितना लागत-प्रभावी है, और यह बाजार में कितना प्रतिस्पर्धी बना रहता है।

अभी, तीन मुख्य प्रौद्योगिकी दिशाएँ हैं: गैलियम आर्सेनाइड (GaAs), पी-टाइप हेटरोजंक्शन (HJT), और पी-टाइप HJT/पेरोवस्काइट टेंडेम सेल। प्रौद्योगिकी किस ओर जा रही है 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 आता है। लागत चुनौतियों के बावजूद, इसका बेजोड़ सर्वांगीण प्रदर्शन, चरम वातावरण में सिद्ध विश्वसनीयता, और लागत में कमी की स्पष्ट और पर्याप्त गुंजाइश GaAs को आज और अगले 3-5 वर्षों में उच्च-मूल्य, उच्च-विश्वसनीयता वाणिज्यिक अंतरिक्ष मिशनों के लिए सर्वोत्तम विकल्प बनाती है।

ट्रिपल-जंक्शन GaAs सेलों के लाभ

उच्च दक्षता

GaAs बैंडगैप (1.42 eV) सैद्धांतिक रूप से इष्टतम सीमा में बिल्कुल बैठता है। इसके अलावा, मल्टी-जंक्शन सेल GaInP, GaAs, और Ge परतों को स्टैक करते हैं जो क्रमशः उच्च-, मध्यम-, और निम्न-ऊर्जा फोटॉन को अवशोषित करते हैं, जो उनके उपयोग योग्य स्पेक्ट्रम को काफी व्यापक बनाता है। अंतरिक्ष फोटोवोल्टिक्स के लिए नवीनतम ट्रिपल-जंक्शन GaAs सेल अब 30% से अधिक की शक्ति रूपांतरण दक्षता तक पहुँचते हैं।

उच्च विश्वसनीयता

मजबूत विकिरण प्रतिरोध और उत्कृष्ट उच्च-तापमान स्थिरता इन सेलों को उच्च-स्तरीय, दीर्घ-जीवन मिशनों की मुख्य आवश्यकताओं के लिए एक आदर्श फिट 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 सेल का उपयोग करने वाला पहला उपग्रह बन गया। 1995 में, पहला वाणिज्यिक संचार उपग्रह MEASAT ने अपनी मुख्य बिजली इकाई के रूप में सिंगल-जंक्शन GaAs का उपयोग किया, और सौर सरणी डिजाइन ने एक पूर्ण डेटाबेस तैयार किया जिससे साबित हुआ कि GaAs सेल अंतरिक्ष यान की पूर्ण जीवन-चक्र बिजली आवश्यकताओं को पूरा कर सकते हैं। उसके बाद से, GaAs सेल धीरे-धीरे पुराने सेलों की जगह अंतरिक्ष यान पर मूल बिजली उत्पादन इकाई बन गए, और धीरे-धीरे सिंगल-जंक्शन से मल्टी-जंक्शन डिजाइनों में विकसित हुए।

इसे तीन-जंक्शन संरचना के रूप में क्यों डिजाइन किया जाए?

कोई भी अर्धचालक सामग्री केवल उन फोटॉनों को कुशलता से अवशोषित कर सकती है जिनकी ऊर्जा उसके बैंडगैप से अधिक होती है। बहुत कम ऊर्जा वाले फोटॉन उपयोग नहीं किए जा सकते, जबकि बहुत अधिक ऊर्जा वाले फोटॉन अतिरिक्त ऊर्जा को गर्मी के रूप में खो देते हैं (थर्मलाइजेशन हानि)। एक सिंगल-जंक्शन सेल का बैंडगैप सौर स्पेक्ट्रम से पूरी तरह मेल नहीं खा सकता। उदाहरण के लिए, एक सिंगल-जंक्शन सिलिकॉन सेल 0.3-1.1 μm (300 nm-1100 nm) की सीमा में फोटॉनों को अवशोषित कर सकता है, मुख्य रूप से 0.38 μm-0.7 μm बैंड में काम करता है। इसीलिए सिंगल-जंक्शन सिलिकॉन सेलों की दक्षता की सीमा सीमित होती है, जिसकी सैद्धांतिक सीमा लगभग 29.7% है।

एक तीन-जंक्शन सेल काम को तीन उप-सेलों में विभाजित करता है, सौर स्पेक्ट्रम को तीन खंडों में काटता है ताकि प्रत्येक उप-सेल अपने सबसे उपयुक्त बैंड में काम करे। यह थर्मलाइजेशन हानियों और वर्णक्रमीय बेमेल हानियों दोनों को तेजी से कम करता है। सिद्धांत रूप में, मल्टी-जंक्शन सेल लगभग 50% दक्षता तक पहुंच सकते हैं, जो सिंगल-जंक्शन संरचना से कहीं अधिक है।

ट्रिपल-जंक्शन GaAs सेल की संरचना

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

शीर्ष सेल

आमतौर पर AlGaInP / GaInP, जिसका बैंडगैप लगभग 1.8-1.9 eV होता है। यह मुख्य रूप से छोटी तरंग दैर्ध्य वाले फोटॉनों (पराबैंगनी, नीली रोशनी) को अवशोषित करता है। शीर्ष सेल उच्च-ऊर्जा फोटॉनों को सोखता है और थर्मलाइजेशन हानियों को कम करता है।

मध्य सेल

आमतौर पर InGaAs या GaAs, जिसका बैंडगैप लगभग 1.42 eV होता है। यह मुख्य रूप से मध्यम और लंबी तरंग दैर्ध्य वाले फोटॉनों (हरी, पीली, लाल रोशनी) को अवशोषित करता है। मध्य सेल मध्यम से लंबी तरंग दैर्ध्य को संभालता है और अधिकांश फोटोकरंट में योगदान देता है।

निचला सेल

आमतौर पर Ge, जिसका बैंडगैप लगभग 0.67 eV होता है। यह मुख्य रूप से लंबी तरंग दैर्ध्य वाले फोटॉनों (निकट-अवरक्त) को अवशोषित करता है। निचला सेल अत्यधिक प्रवेशशील अवरक्त प्रकाश को पकड़ता है।

अब आइए देखें 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 करती है और विद्युत हानि को कम करती है। यह सक्रिय क्षेत्र की भी रक्षा करता है, धातु इलेक्ट्रोड को नीचे के नाजुक सक्रिय क्षेत्र (विंडो परत, एमिटर, आदि) से अलग करता है ताकि प्रक्रिया क्षति को रोका जा सके।

② Cap परत

विंडो परत के ऊपर और एंटी-रिफ्लेक्शन कोटिंग के नीचे स्थित, एंटी-रिफ्लेक्शन फिल्म और संपर्क परत के बीच बैठा है। यह आमतौर पर GaAs होता है, हालांकि कुछ डिज़ाइन पारदर्शी प्रवाहकीय ऑक्साइड (TCO) जैसे ITO का उपयोग करते हैं। इसकी मुख्य भूमिका 'सहायक इलेक्ट्रोड' के रूप में धारा संग्रह में सहायता करना है, संपर्क परत के साथ मिलकर धारा को पार्श्व रूप से इकट्ठा करना और बाहर निकालना—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 परत

एमिटर के ऊपर स्थित, आमतौर पर AlInP, AlGaInP, या AlGaAs से बना होता है। इसकी मुख्य भूमिका सतह पुनर्संयोजन को कम करना है: सामग्री की चौड़ी-बैंडगैप प्रकृति का मतलब है कि यह कम प्रकाश अवशोषित करता 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, इलेक्ट्रोड वाष्पीकरण जैसी बाद की प्रक्रियाओं के दौरान जंक्शन क्षेत्र को क्षति से बचाता है।

④ एमिटर

विंडो परत 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 'सकारात्मक इलेक्ट्रोड' के रूप में कार्य करना है, फोटो-जनित इलेक्ट्रॉनों को इकट्ठा करना और उन्हें बाहरी सर्किट में संचालित करना। यह प्रकाश अवशोषण और संग्रह को भी संतुलित करता है—मोटाई और डोपिंग एकाग्रता के सावधानीपूर्वक समायोजन के माध्यम से, यह छोटी-तरंग दैर्ध्य प्रकाश को अवशोषित करने के लिए पर्याप्त मोटा होता है लेकिन इतना मोटा नहीं कि वाहक प्रसार के दौरान पुनर्संयोजित हों।

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-तरंग दैर्ध्य 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 कुशलता से पहुंचाता है।

⑥ BSF परत (पिछला सतह क्षेत्र)

आधार के नीचे और सुरंग जंक्शन के ऊपर स्थित, पीछे की ओर आधार के साथ उच्च-निम्न जंक्शन बनाता है। सामग्री आमतौर पर चौड़ी-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 फोटो-जनित छिद्रों को पीछे के इलेक्ट्रोड की ओर फैलते समय पुनर्संयोजित होने से रोकती है, जिससे वोल्टेज और दक्षता बढ़ती है।

⑦ परावर्तक

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

⑧ सुरंग जंक्शन

उप-कोशिकाओं के बीच स्थित, भारी डोप किए गए पतले स्तरों (जैसे n++GaAs / p++GaAs) से बना। एक "क्वांटम सुरंग" की तरह, यह फोटो-जनित वाहकों को कुशलता से गुजरने देता है जबकि प्रत्येक उप-सेल को विद्युत रूप से स्वतंत्र रखता है।

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

⑨ बफर परत

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

⑩ निचला सेल आधार

निचले सेल के PN जंक्शन के "मोटे" पक्ष पर स्थित। यह आमतौर पर p-प्रकार का Ge सब्सट्रेट होता है। इसका मुख्य कार्य लंबी-तरंगदैर्ध्य अवरक्त प्रकाश को अवशोषित करना है, जो निचले सेल में फोटो-जनित वाहक उत्पन्न करने के लिए मुख्य कार्यकर्ता के रूप में कार्य करता है।

कुछ नोट्स

P/N प्रकार के लेबल में, N++/P++ और इसी तरह के चिह्न हल्के बनाम भारी डोपिंग का संकेत देते हैं। इस लेख में चित्रित ट्रिपल-जंक्शन GaAs सेल संरचना सरलता के लिए इलेक्ट्रोड संरचना, विरोधी-परावर्तन परत संरचना और इसी तरह के विवरण को छोड़ देती है।

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 इसकी निर्माण 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।