مقدمة

مع استمرار نمو رحلات الفضاء التجارية، تحتاج المركبات الفضائية إلى المزيد والمزيد من الطاقة الكهربائية. تعمل الخلايا الكهروضوئية الفضائية كمصدر طاقة رئيسي لمعظم المركبات الفضائية، لذا فإن اختيار تكنولوجيا الخلايا الشمسية يشكل بشكل مباشر نجاح المهمة، وفعاليتها من حيث التكلفة، وقدرتها التنافسية في السوق.

حاليًا، هناك ثلاثة اتجاهات تكنولوجية رئيسية: زرنيخيد الغاليوم (GaAs)، والخلايا غير المتجانسة من النوع p (HJT)، والخلايا الترادفية من النوع p HJT / البيروفسكايت. بالنظر إلى اتجاه التكنولوجيا وإمكاناتها على المدى الطويل، وتحليل المزايا والعيوب الأساسية لكل مسار، لا يزال GaAs في المقدمة. على الرغم من تحديات التكلفة، فإن أداءه الشامل الذي لا يُضاهى، وموثوقيته المثبتة في البيئات القاسية، ومساحة التخفيض الواضحة والكبيرة في التكلفة تجعل GaAs الخيار الأفضل للمهام الفضائية التجارية عالية القيمة وعالية الموثوقية اليوم وعلى مدى السنوات 3-5 القادمة.

مزايا الخلايا GaAs ثلاثية الوصلات

كفاءة عالية

تقع فجوة نطاق GaAs (1.42 eV) ضمن النطاق الأمثل نظريًا. علاوة على ذلك، تقوم الخلايا متعددة الوصلات بتجميع طبقات GaInP وGaAs وGe التي تمتص الفوتونات عالية ومتوسطة ومنخفضة الطاقة على التوالي، مما يوسع بشكل كبير الطيف الذي يمكنها استخدامه. تصل أحدث الخلايا GaAs ثلاثية الوصلات للخلايا الكهروضوئية الفضائية الآن إلى كفاءات تحويل طاقة تزيد عن 30%.

موثوقية عالية

مقاومة قوية للإشعاع وثبات ممتاز في درجات الحرارة العالية تجعل هذه الخلايا مناسبة تمامًا للاحتياجات الأساسية للمهام عالية الجودة وطويلة العمر. ميزة الأداء كافية لتعويض التكلفة الأعلى.

تكنولوجيا ناضجة مع سجل طويل في المدار

في عام 1965، أصبح القمر الصناعي فينيرا 3 التابع للاتحاد السوفيتي السابق أول من استخدم خلايا زرنيخيد الغاليوم. وفي عام 1995، استخدم أول قمر اتصالات تجاري MEASAT خلايا زرنيخيد الغاليوم أحادية الوصلة كمصدر طاقة رئيسي، وبنى تصميم الألواح الشمسية قاعدة بيانات كاملة أثبتت أن خلايا زرنيخيد الغاليوم يمكنها تلبية احتياجات الطاقة طوال دورة حياة المركبة الفضائية. ومنذ ذلك الحين، حلت خلايا زرنيخيد الغاليوم تدريجياً محل الخلايا القديمة كوحدة أساسية لتوليد الطاقة 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 نطاقها بكفاءة. الفوتونات ذات الطاقة المنخفضة جداً لا يمكن استخدامها، بينما الفوتونات ذات الطاقة العالية جداً تفقد الفائض كحرارة (فقدان التثبيت الحراري). لا يمكن لفجوة نطاق خلية أحادية الوصلة أن تتطابق تماماً مع الطيف الشمسي. خذ خلية السيليكون أحادية الوصلة كمثال: يمكنها امتصاص الفوتونات في نطاق 0.3-1.1 ميكرومتر (300 نانومتر-1100 نانومتر)، وتعمل بشكل رئيسي في النطاق 0.38-0.7 ميكرومتر. لهذا السبب، كفاءة خلايا السيليكون أحادية الوصلة محدودة، بحد أقصى نظري حوالي 29.7%.

الخلية ثلاثية الوصلات تقسم العمل عبر ثلاث خلايا فرعية، وتقطع الطيف الشمسي إلى ثلاثة أجزاء بحيث تعمل كل خلية فرعية في النطاق الأنسب لها. هذا يقلل بشكل حاد من فقدان التثبيت الحراري وفقدان عدم تطابق الطيف. نظرياً، يمكن للخلايا متعددة الوصلات أن تقترب من كفاءة 50%، وهي أعلى بكثير مما يمكن أن تقدمه بنية أحادية الوصلة.

هيكل خلية زرنيخيد الغاليوم ثلاثية الوصلات

تنقسم خلية زرنيخيد الغاليوم ثلاثية الوصلات إلى ثلاثة أجزاء: الخلية العلوية، والخلية الوسطى، والخلية السفلية. يستخدم كل جزء مواد رئيسية مختلفة (منطقة القاعدة) ويؤدي دوراً مختلفاً.

الخلية العلوية

عادة AlGaInP / GaInP، بفجوة نطاق حوالي 1.8-1.9 eV. تمتص بشكل رئيسي الفوتونات قصيرة الطول الموجي (الأشعة فوق البنفسجية، الضوء الأزرق). تمتص الخلية العلوية الفوتونات عالية الطاقة وتقلل من فقدان التثبيت الحراري.

الخلية الوسطى

عادة InGaAs أو GaAs، بفجوة نطاق حوالي 1.42 eV. تمتص بشكل رئيسي الفوتونات متوسطة وطويلة الطول الموجي (الضوء الأخضر، الأصفر، الأحمر). تتعامل الخلية الوسطى مع الأطوال الموجية المتوسطة إلى الطويلة وتساهم بمعظم التيار الضوئي.

الخلية السفلية

عادة Ge، بفجوة نطاق حوالي 0.67 eV. تمتص بشكل رئيسي الفوتونات طويلة الطول الموجي (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 شبه الموصلة فوق طبقة الكاب الخارجية مباشرةً، وتتلامس مع القطب المعدني. عادةً ما تكون من نوع n⁺⁺-GaAs أو n⁺⁺-GaInP عالي التشويب. وظيفتها الرئيسية هي تقليل مقاومة التلامس، حيث يساعد التشويب العالي في تكوين تلامس أومي جيد مع القطب المعدني وتقليل الفقد الكهربائي. كما تحمي المنطقة النشطة، وتعزل القطب المعدني عن المنطقة النشطة الحساسة أدناه (طبقة النافذة، الباعث، إلخ) لمنع الضرر أثناء العمليات.

② طبقة الكاب

تقع فوق طبقة النافذة وتحت الطلاء المضاد للانعكاس، بين الفيلم المضاد للانعكاس وطبقة التلامس. عادةً ما تكون من GaAs، لكن بعض التصاميم تستخدم أكاسيد موصلة شفافة مثل ITO. دورها الرئيسي هو المساعدة في جمع التيار كـ"قطب مساعد"، حيث تعمل مع طبقة التلامس لجمع وتوجيه التيار جانبيًا، خاصةً في تصاميم الشبكة الدقيقة. يمكن أيضًا ضبط سمكها ومعامل انكسارها للمشاركة في التصميم البصري وتوفير تأثير مضاد للانعكاس إضافي.

③ طبقة النافذة

تقع فوق الباعث، وعادةً ما تكون مصنوعة من AlInP أو AlGaInP أو AlGaAs. دورها الرئيسي هو تقليل إعادة التركيب السطحي: فطبيعة المادة ذات فجوة النطاق العريضة تعني أنها تمتص القليل من الضوء، وتشكل تقاطعًا عالي-منخفض يدفع حاملات الشحنة المولدة ضوئيًا (الإلكترونات) نحو داخل الباعث، مما يقلل من خسائر إعادة التركيب عند عيوب السطح. كما تعمل كـ"مظلة" تحمي منطقة التقاطع من التلف أثناء العمليات اللاحقة مثل تبخير القطب.

④ الباعث

يقع أسفل طبقة النافذة وفوق القاعدة، مكونًا تقاطع PN مع القاعدة. عادةً ما يكون من نوع N GaInP أو GaAs. دوره الرئيسي هو العمل كـ"قطب موجب"، حيث يجمع الإلكترونات المولدة ضوئيًا ويوصلها إلى الدائرة الخارجية. كما يوازن بين امتصاص الضوء والتجميع، من خلال ضبط دقيق للسمك وتركيز التشويب، بحيث يكون سميكًا بما يكفي لامتصاص الضوء قصير الموجة ولكن ليس سميكًا جدًا بحيث تعيد الحاملات التركيب أثناء الانتشار.

⑤ القاعدة

تقع أسفل الباعث وفوق طبقة BSF، وهي الجسم الرئيسي لتقاطع PN. عادةً ما تكون من نوع p GaInP أو AlGaInP. باعتبارها المنطقة الرئيسية الماصة للضوء، فهي "العاملة" في الخلية العلوية، حيث 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 عالي-منخفض مع القاعدة على الجانب الخلفي. المادة عادة ما تكون من نوع p-AlGaInP أو AlGaAs ذات فجوة حزمة عريضة. دورها الرئيسي هو قمع إعادة التركيب العكسي للحاملات: طبقة BSF تنشئ "حاجزًا" على ظهر القاعدة يمنع إعادة تركيب الثقوب المولدة ضوئيًا 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) ينمو من مواد متناوبة عالية ومنخفضة معامل الانكسار، مثل AlAs/AlGaAs أو AlInP/AlGaInP. مهمتها 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 الإجمالي والكفاءة.

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.

هيكل الخلية الوسطى مشابه لهيكل الخلية العلوية، فقط بمواد مختلفة، لذا لن نكرره هنا. أدناه نلخص بإيجاز ما هو مختلف 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 هيكل "متدرج" أو "شبكة متحولة" لتحرير الإجهاد تدريجيًا و"اعتراض" الخلع الخيطي، مما يمنعه من دخول المنطقة النشطة للخلية السفلية وبالتالي تحسين أداء الخلية.

⑩ قاعدة الخلية السفلية

تقع على الجانب "السميك" من تقاطع PN للخلية السفلية. عادة ما تكون ركيزة من الجرمانيوم من النوع p. وظيفتها الرئيسية هي امتصاص الضوء تحت الأحمر ذي الطول الموجي الطويل، وتكون المحرك الرئيسي لتوليد الحاملات المولدة ضوئيًا في الخلية السفلية.

بعض الملاحظات

في تسميات النوع P/N، تشير N++/P++ وما شابه إلى التطعيم الخفيف مقابل الثقيل. هيكل الخلية الشمسية الثلاثية الوصلات من GaAs الموضح في هذه المقالة يغفل هيكل القطب، وهيكل الطبقة المضادة للانعكاس، وما شابه ذلك للتبسيط.

المراجع:

• خلية شمسية ثلاثية الوصلات مع عاكس وطريقة تصنيعها - 2022-0804

• خلية شمسية ثلاثية الوصلات من InGaP/InGaAs/Ge مع بنية مضادة للانعكاس ميكرو-نانو 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 الكفاءة العالية والموثوقية المثبتة التي تجعلها الخيار الرائد لمهام الطاقة الفضائية عالية القيمة اليوم.