خلايا شمسية من زرنيخيد الغاليوم ثلاثية الوصلات: نظرة مفصلة على البنية الرئيسية للخلايا الكهروضوئية الفضائية
جدول المحتويات
مقدمة
مع استمرار نمو رحلات الفضاء التجارية، تحتاج المركبات الفضائية إلى المزيد والمزيد من الطاقة الكهربائية. تعمل الطاقة الشمسية الفضائية كمصدر رئيسي للطاقة لمعظم المركبات الفضائية، لذا فإن اختيار تقنية الخلايا الشمسية يشكل مباشرة نجاح المهمة، وفعاليتها من حيث التكلفة، وقدرتها التنافسية في السوق.
حاليًا، هناك ثلاثة اتجاهات تقنية رئيسية: زرنيخيد الغاليوم (GaAs)، والخلايا غير المتجانسة من النوع p (HJT)، والخلايا الترادفية من النوع p HJT/بيروفسكايت. بالنظر إلى اتجاه التكنولوجيا وإمكاناتها طويلة المدى، والتعمق في الإيجابيات والسلبيات الأساسية لكل مسار، لا يزال GaAs يتفوق. على الرغم من تحديات التكلفة، فإن أداءه الشامل الذي لا مثيل له، وموثوقيته المثبتة في البيئات القاسية، ومساحته الواضحة والكبيرة لخفض التكلفة تجعل GaAs الخيار الأفضل للمهام الفضائية التجارية عالية القيمة وعالية الموثوقية اليوم وعلى مدى السنوات الثلاث إلى الخمس القادمة.
مزايا الخلايا ثلاثية الوصلات من GaAs
كفاءة عالية
تقع فجوة النطاق لـ GaAs (1.42 eV) في النطاق الأمثل نظريًا. بالإضافة إلى ذلك، تقوم الخلايا متعددة الوصلات بتكديس طبقات GaInP وGaAs وGe التي تمتص الفوتونات عالية ومتوسطة ومنخفضة الطاقة على التوالي، مما يوسع بشكل كبير الطيف الذي يمكنها استخدامه. تصل أحدث الخلايا ثلاثية الوصلات من GaAs للطاقة الشمسية الفضائية الآن إلى كفاءات تحويل طاقة تزيد عن 30%.
موثوقية عالية
مقاومة قوية للإشعاع واستقرار ممتاز في درجات الحرارة العالية تجعل هذه الخلايا مناسبة تمامًا للاحتياجات الأساسية للمهام عالية الجودة وطويلة العمر. الميزة في الأداء كافية لتعويض التكلفة الأعلى.
تقنية ناضجة بسجل حافل طويل في المدار
في عام 1965، أصبح القمر الصناعي فينيرا 3 التابع للاتحاد السوفيتي السابق أول من استخدم خلايا GaAs. وفي عام 1995، استخدم أول قمر اتصالات تجاري MEASAT خلايا GaAs أحادية الوصلة كمصدر طاقة رئيسي، وبنى تصميم الألواح الشمسية قاعدة بيانات كاملة تثبت أن خلايا GaAs يمكنها تلبية احتياجات الطاقة طوال دورة حياة المركبة الفضائية. ومنذ ذلك الحين، حلت خلايا GaAs تدريجياً محل الخلايا الأقدم كوحدة توليد الطاقة الأساسية على المركبات الفضائية، وتطورت خطوة بخطوة من تصميم أحادي الوصلة إلى متعدد الوصلات.
لماذا تصميمها كهيكل ثلاثي الوصلات؟
أي مادة شبه موصلة يمكنها فقط امتصاص الفوتونات ذات الطاقة الأكبر من فجوة النطاق الخاصة بها. الفوتونات ذات الطاقة المنخفضة جداً لا يمكن استخدامها، بينما الفوتونات ذات الطاقة العالية تفقد الطاقة الزائدة كحرارة (فقدان التمدد الحراري). لا يمكن لفجوة نطاق الخلية أحادية الوصلة أن تطابق الطيف الشمسي بشكل مثالي. خذ خلية السيليكون أحادية الوصلة كمثال: يمكنها امتصاص الفوتونات في نطاق 0.3-1.1 ميكرومتر (300 نانومتر - 1100 نانومتر)، وتعمل بشكل رئيسي في نطاق 0.38 ميكرومتر - 0.7 ميكرومتر. لهذا السبب، فإن كفاءة خلايا السيليكون أحادية الوصلة محدودة، بحد أقصى نظري حوالي 29.7%.
الخلية ثلاثية الوصلات تقسم العمل عبر ثلاث خلايا فرعية، وتقسم الطيف الشمسي إلى ثلاثة أجزاء بحيث تعمل كل خلية فرعية في النطاق الأنسب لها. هذا يقلل بشكل حاد من فقدان التمدد الحراري وفقدان عدم تطابق الطيف. نظرياً، يمكن للخلايا متعددة الوصلات أن تقترب من كفاءة 50%، وهي أعلى بكثير مما يمكن أن تقدمه البنية أحادية الوصلة.
بنية خلية GaAs ثلاثية الوصلات
تنقسم خلية GaAs ثلاثية الوصلات إلى ثلاثة أجزاء: الخلية العلوية، والخلية الوسطى، والخلية السفلية. يستخدم كل جزء مواد رئيسية مختلفة (منطقة القاعدة) ويلعب دوراً مختلفاً.
الخلية العلوية
عادةً AlGaInP / GaInP، بفجوة نطاق حوالي 1.8-1.9 إلكترون فولت. تمتص بشكل رئيسي الفوتونات ذات الطول الموجي القصير (الأشعة فوق البنفسجية، الضوء الأزرق). تمتص الخلية العلوية الفوتونات عالية الطاقة وتقلل من فقدان التمدد الحراري.
الخلية الوسطى
عادةً InGaAs أو GaAs، بفجوة نطاق حوالي 1.42 إلكترون فولت. تمتص بشكل رئيسي الفوتونات ذات الطول الموجي المتوسط والطويل (الضوء الأخضر، الأصفر، الأحمر). تتعامل الخلية الوسطى مع الأطوال الموجية المتوسطة إلى الطويلة وتساهم بمعظم التيار الضوئي.
الخلية السفلية
عادةً Ge، بفجوة نطاق حوالي 0.67 إلكترون فولت. تمتص بشكل رئيسي الفوتونات ذات الطول الموجي الطويل (الأشعة تحت الحمراء القريبة). تلتقط الخلية السفلية الضوء تحت الأحمر عالي الاختراق.
الآن دعنا نستعرض ما تفعله كل طبقة.
① طبقة التلامس
تقع هذه الطبقة مباشرة فوق طبقة الغطاء الخارجية، وهي الطبقة شبه الموصلة التي يلامسها القطب المعدني مباشرة. عادة ما تكون من n⁺⁺-GaAs أو n⁺⁺-GaInP عالية التطعيم. وظيفتها الرئيسية هي خفض مقاومة التلامس—فالتطعيم العالي يساعدها على تكوين تلامس أومي جيد مع القطب المعدني ويقلل من الفقد الكهربائي. كما تحمي المنطقة النشطة، وتعزل القطب المعدني عن المنطقة النشطة الحساسة بالأسفل (طبقة النافذة، الباعث، إلخ) لمنع الضرر أثناء العمليات.
② طبقة الغطاء
تقع فوق طبقة النافذة وتحت الطلاء المضاد للانعكاس، بين الفيلم المضاد للانعكاس وطبقة التلامس. عادة ما تكون من GaAs، وبعض التصميمات تستخدم أكاسيد موصلة شفافة (TCO) مثل ITO. دورها الرئيسي هو المساعدة في جمع التيار كـ"قطب مساعد"، بالعمل مع طبقة التلامس لجمع وتوجيه التيار جانبيًا—خاصة المفيد في تصميمات الشبكة الدقيقة. يمكن أيضًا ضبط سماكتها ومعامل انكسارها للمشاركة في التصميم البصري وتوفير تأثير مضاد للانعكاس إضافي.
③ طبقة النافذة
تقع فوق الباعث، وعادة ما تكون من AlInP أو AlGaInP أو AlGaAs. دورها الرئيسي هو تقليل إعادة التركيب السطحي: طبيعة المادة ذات فجوة النطاق الواسعة تعني أنها تمتص ضوءًا قليلًا، وتشكل تقاطعًا عالي-منخفض يدفع حاملات الشحنة المولدة ضوئيًا (الإلكترونات) نحو داخل الباعث، مما يقلل من خسائر إعادة التركيب في عيوب السطح. كما تعمل كـ"مظلة"، تحمي منطقة التقاطع من التلف أثناء العمليات اللاحقة مثل تبخير الأقطاب.
④ الباعث
تقع أسفل طبقة النافذة وفوق القاعدة، وتشكل تقاطع PN مع القاعدة. عادة ما تكون من النوع N من GaInP أو GaAs. دورها الرئيسي هو العمل كـ"قطب موجب"، جمع الإلكترونات المولدة ضوئيًا وتوصيلها إلى الدائرة الخارجية. كما توازن بين امتصاص الضوء والتجميع—من خلال الضبط الدقيق للسماكة وتركيز التطعيم، تكون سميكة بما يكفي لامتصاص الضوء قصير الموجة ولكن ليست سميكة جدًا بحيث يعاد تركيب الحاملات أثناء الانتشار.
⑤ القاعدة
تقع أسفل الباعث وفوق طبقة BSF، وهي الجسم الرئيسي لتقاطع PN. عادة ما تكون من النوع p من GaInP أو AlGaInP. كمنطقة امتصاص الضوء الرئيسية، فهي "الحصان العامل" للخلية العلوية، تمتص معظم الضوء قصير الموجة (الأزرق والأشعة فوق البنفسجية)، وتولد أزواج إلكترون-ثقب ضوئية، وتنقل الثقوب المولدة ضوئيًا بكفاءة إلى طبقة BSF الخلفية أو القطب.
⑥ طبقة BSF (المجال الخلفي السطحي)
تقع أسفل القاعدة وفوق تقاطع النفق، وتشكل تقاطعًا عاليًا-منخفضًا مع القاعدة على الجانب الخلفي. المادة عادةً ما تكون من نوع p-AlGaInP أو AlGaAs واسع النطاق. دورها الرئيسي هو قمع إعادة التركيب العكسي للحاملات: طبقة BSF تخلق "حاجزًا" على الجزء الخلفي من القاعدة يمنع الثقوب المولدة ضوئيًا من إعادة التركيب أثناء انتشارها نحو القطب الخلفي، مما يعزز الجهد والكفاءة.
⑦ العاكس
تقع بين الخلية العلوية والخلية الوسطى، أو بين الخلية الوسطى والخلية السفلية. وهي عاكس براغ الموزع (DBR) يُنمو من مواد متناوبة عالية ومنخفضة معامل الانكسار، مثل AlAs/AlGaAs أو AlInP/AlGaInP. وظيفتها الرئيسية هي عكس الضوء ذي الطول الموجي المتوسط إلى الطويل الذي لم تمتصه الخلايا العلوية والوسطى ويكون على وشك الهروب، مما يسمح بمرور امتصاص ثانٍ يرفع التيار والكفاءة الإجمالية.
⑧ تقاطع النفق
تقع بين الخلايا الفرعية، مصنوعة من طبقات رقيقة مشوبة بشدة (مثل n++GaAs / p++GaAs). مثل "نفق كمومي"، تسمح بمرور الحاملات المولدة ضوئيًا بكفاءة مع الحفاظ على الاستقلال الكهربائي لكل خلية فرعية.
بنية الخلية الوسطى مشابهة لبنية الخلية العلوية، فقط بمواد مختلفة، لذا لن نكررها هنا. أدناه نغطي بإيجاز ما يختلف في الخلية السفلية.
⑨ الطبقة العازلة
محصورة بين الخلية السفلية والخلية الوسطى، تحل مشكلة عدم تطابق الشبكة البلورية. عندما لا تتطابق مادة الخلية السفلية (مثل InGaAs) مع ثابت الشبكة للمادة العلوية (مثل GaAs)، تستخدم الطبقة العازلة بنية "متدرجة" أو "شبكة متحولة" لتحرير الإجهاد تدريجيًا و"اعتراض" الاضطرابات الخيطية، مما يبقيها خارج المنطقة النشطة للخلية السفلية وبالتالي يحسن أداء الخلية.
⑩ قاعدة الخلية السفلية
تقع على الجانب "السميك" من تقاطع PN للخلية السفلية. عادةً ما تكون ركيزة من الجرمانيوم من النوع p. وظيفتها الرئيسية هي امتصاص ضوء الأشعة تحت الحمراء ذات الطول الموجي الطويل، وتعمل كقوة العمل لتوليد الحاملات المولدة ضوئيًا في الخلية السفلية.
ملاحظات قليلة
في تسميات النوع P/N، تشير العلامات مثل N++/P++ إلى التطعيم الخفيف مقابل الثقيل. بنية الخلية الثلاثية GaAs الموضحة في هذه المقالة تحذف بنية الأقطاب وبنية الطبقة المضادة للانعكاس وتفاصيل مماثلة للتبسيط.
المراجع:
خلية شمسية ثلاثية الوصلات مع عاكس وطريقة تصنيعها - 2022-0804
خلية شمسية ثلاثية الوصلات من InGaP/InGaAs/Ge مع بنية مضادة للانعكاس ذات مقياس نانوي وطريقة تصنيعها - 2018-0425
طريقة لخلية شمسية ثلاثية الوصلات والخلية الشمسية ثلاثية الوصلات - 2020-11-13
رؤية Ooitech
تعتقد Ooitech: خلايا GaAs ثلاثية الوصلات، من خلال تقسيم الطيف الشمسي عبر ثلاث خلايا فرعية، توفر كفاءة عالية وموثوقية مثبتة تجعلها الخيار الرائد لمهام الطاقة الفضائية عالية القيمة اليوم.
