خلية متعددة الوصلات الشمسية

والخلايا الشمسية متعددة الوصلات (MJ) هي خلايا شمسية ذات تقاطعات متعددة p – n مصنوعة من مواد شبه موصلة مختلفة. سينتج تقاطع pn لكل مادة مادة التيار الكهربائي استجابة لأطوال موجية مختلفة للضوء. يسمح استخدام مواد شبه موصلة متعددة بإمتصاص نطاق أوسع من الأطوال الموجية ، مما يحسن ضوء الشمس في الخلية إلى كفاءة تحويل الطاقة الكهربائية.

تتميز الخلايا التقليدية الوحيدة الوصلة بحد أقصى من الكفاءة النظرية بنسبة 33.16٪. من الناحية النظرية ، فإن عدد لا حصر له من التقاطعات سيكون له كفاءة محدودة تبلغ 86.8٪ تحت أشعة الشمس عالية التركيز.

في الوقت الحالي ، تتميز أفضل الأمثلة المعملية لخلايا السليكون الشمسية البلورية التقليدية بالكفاءة بين 20٪ و 25٪ ، في حين أظهرت الأمثلة المعملية لخلايا متعددة الوصلات أداءً أعلى من 46٪ تحت ضوء الشمس المركز. تتوفر الأمثلة التجارية للخلايا الترادفية على نطاق واسع بنسبة 30٪ تحت إضاءة الشمس الواحدة ، وتحسن إلى حوالي 40٪ تحت ضوء الشمس المركز. ومع ذلك ، يتم اكتساب هذه الكفاءة على حساب زيادة تعقيد وسعر التصنيع. حتى الآن ، أدى ارتفاع أسعارها وارتفاع نسبة السعر إلى الأداء إلى الحد من استخدامها لأدوار خاصة ، لا سيما في مجال الفضاء حيث يكون معدل الطاقة إلى الوزن المرغوب فيه مرغوبًا فيه. في التطبيقات الأرضية ، تظهر هذه الخلايا الشمسية في الخلايا الكهروضوئية المكثفة (CPV) ، مع عدد متزايد من المنشآت في جميع أنحاء العالم.

استخدمت تقنيات التصنيع الترادفي لتحسين أداء التصاميم الحالية. على وجه الخصوص ، يمكن تطبيق التقنية على الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة منخفضة التكلفة باستخدام السيليكون غير المتبلور ، على عكس السيليكون البلوري التقليدي ، لإنتاج خلية ذات كفاءة تبلغ حوالي 10٪ خفيفة الوزن ومرنة. وقد تم استخدام هذا النهج من قبل العديد من البائعين التجاريين ، ولكن هذه المنتجات تقتصر في الوقت الحالي على أدوار متخصصة معينة ، مثل مواد التسقيف.

وصف

أساسيات الخلايا الشمسية

عادة ما تتكون الخلايا الضوئية التقليدية من السيليكون المخصب مع اتصالات معدنية مودعة في الأعلى والأسفل. يطبق المنشط عادة على طبقة رقيقة في أعلى الخلية ، مما ينتج تقاطع pn مع طاقة فجوة نطاق معينة ، مثل Eg.

الفوتونات التي تضرب قمة الخلية الشمسية تنعكس أو تنتقل إلى الخلية. الفوتونات المنقولة لديها القدرة على إعطاء طاقتها ، h ν ، إلى إلكترون إذا كان h ν ≥ مثلا ، لتوليد زوج ثقب الإلكترون. في منطقة النضوب ، يقوم الحقل الكهربائي الانجرافي Edrift بتسريع كل من الإلكترونات والثقوب في اتجاه المناطق النقطية والدبائية (للأعلى والأسفل على التوالي). يسمى Ig الحالي الناتج the photocurrent ولدت.في المنطقة شبه المحايدة ، يقوم الحقل الكهربائي المتناثر Escatt بتسريع الثقوب (الإلكترونات) باتجاه المنطقة الموبوءة (n-doped) ، والتي تعطي إلكترتات ناقلة ضوئية (Inscatt). نتيجة لذلك ، بسبب تراكم الشحنات ، يظهر V محتمل و IV بالتزامن. يتم الحصول على تعبير لهذا photocurrent عن طريق إضافة الجيل ونتاثرات المتناثر: Iph = Ig + Inscatt + Ipscatt.

يتم الحصول على خصائص JV (J هو الكثافة الحالية ، أي التيار لكل وحدة مساحة) للخلية الشمسية تحت الإضاءة عن طريق تحويل خصائص JV لثنائي في الظلام إلى الأسفل بواسطة Iph. نظرًا لأن الخلايا الشمسية مصممة لتوفير الطاقة وعدم امتصاصها ، يجب أن تكون الطاقة P = V · Iph سلبية. وبالتالي ، فإن نقطة التشغيل (Vm، Jm) تقع في المنطقة حيث V> 0 و Iph <0 ، ويتم اختيارها لزيادة القيمة المطلقة للسلطة | P |. آليات الخسارة تمت دراسة الأداء النظري للخلية الشمسية بعمق في الستينيات ، ويعرف اليوم باسم حد Shockley – Queisser. يصف الحد عدة آليات خسارة متأصلة في تصميم أي خلية شمسية. الأولى هي الخسائر الناجمة عن إشعاع الجسم الأسود ، وهي آلية خسارة تؤثر على أي كائن مادي فوق الصفر المطلق. في حالة الخلايا الشمسية في درجة الحرارة والضغط القياسي ، تشكل هذه الخسارة حوالي 7 ٪ من الطاقة. والثاني هو التأثير المعروف باسم "إعادة التركيب" ، حيث تلتقي الإلكترونات التي تم إنشاؤها بواسطة التأثير الكهروضوئي مع ثقوب الإلكترون التي خلفها الإثارات السابقة. في السيليكون ، يمثل هذا 10٪ أخرى من الطاقة. ومع ذلك ، فإن آلية الخسارة السائدة هي عدم قدرة الخلية الشمسية على استخراج كل الطاقة في الضوء ، والمشكلة المصاحبة التي لا يمكنها استخراج أي قوة على الإطلاق من فوتونات معينة. هذا يرجع إلى حقيقة أن الفوتونات يجب أن يكون لديها طاقة كافية للتغلب على فجوة نطاق المادة. إذا كان الفوتون لديه طاقة أقل من فجوة نطاقها ، فإنه لا يتم جمعها على الإطلاق. هذا هو الاعتبار الرئيسي للخلايا الشمسية التقليدية ، والتي ليست حساسة لمعظم الطيف تحت الحمراء ، على الرغم من أن هذا يمثل ما يقرب من نصف الطاقة القادمة من الشمس. وعلى العكس من ذلك ، فإن الفوتونات ذات الطاقة الأكثر من فجوة نطاقها ، على سبيل المثال الضوء الأزرق ، تخرج إلكترونًا في البداية إلى مستوى عالٍ فوق فجوة نطاقها ، لكن هذه الطاقة الإضافية تُفقد من خلال التصادمات في عملية تعرف باسم "الاسترخاء". تتحول هذه الطاقة المفقودة إلى حرارة في الخلية ، والتي لها الأثر الجانبي لزيادة خسائر الجسم الأسود. وبالجمع بين كل هذه العوامل ، فإن أقصى كفاءة لمواد ذات فجوة واحدة ، مثل خلايا السيليكون التقليدية ، تبلغ حوالي 34٪. أي أن 66٪ من الطاقة في ضوء الشمس التي تضرب الخلية ستفقد. وتقلل المخاوف العملية من هذا ، خاصةً انعكاس السطح الأمامي أو المطاريف المعدنية ، مع وجود خلايا حديثة عالية الجودة بنحو 22٪. وتؤدي المواد ذات النطاق الضيق ، والتي تسمى أيضًا أضيق النطاق ، إلى تقليل الطول الموجي الطويل وفوتونات الطاقة الأقل. أما المواد ذات النطاق العريض الأعلى أو الأوسع نطاقًا فستحوِّل طولًا موجيًا أقصر وطاقة أعلى. ويبين تحليل الطيف AM1.5 أن أفضل توازن تم التوصل إليه هو حوالي 1.1 eV (حوالي 1100 نانومتر ، في الأشعة تحت الحمراء القريبة) ، وهو ما يحدث قريبًا جدًا من فجوة الحزمة الطبيعية في السيليكون وعدد من أشباه الموصلات المفيدة الأخرى. خلايا متعددة الوصلات يمكن للخلايا المصنوع من طبقات متعددة أن يكون لها فجوات متعددة ، وبالتالي سوف تستجيب لأطوال موجية ضوئية متعددة ، حيث تلتقط وتحول بعض الطاقة التي يمكن أن تضيع بدلاً من ذلك للاسترخاء كما هو موضح أعلاه. على سبيل المثال ، إذا كان هناك خلية تحتوي على خطيْف موضعيتين ، أحدهما مضبوط على الضوء الأحمر والآخر باللون الأخضر ، فإن الطاقة الإضافية في الضوء الأخضر ، السماوي والأزرق ستفقد فقط إلى فجوة نطاق المادة الحساسة للأخضر ، بينما ستفقد طاقة اللون الأحمر والأصفر والبرتقالي فقط إلى فجوة نطاق المادة الحساسة للأحمر. بعد التحليل المماثل لتلك التي يتم إجراؤها على الأجهزة ذات فجوة الحزمة الواحدة ، يمكن إثبات أن فرق السعر المثالي لجهاز ثنائي الفجوة يكون عند 1.1 eV و 1.8 eV. بشكل ملائم ، لا يتفاعل ضوء طول موجة معين بقوة مع المواد ذات فجوة نطاق أكبر. وهذا يعني أنه يمكنك إنشاء خلية متعددة الوصلات عن طريق وضع المواد المختلفة فوق بعضها البعض ، وأقصر أطوال موجية (أكبر فجوة نطاق) على "القمة" ، وتتزايد خلال جسم الخلية. بما أن الفوتونات يجب أن تمر عبر الخلية لتصل إلى الطبقة المناسبة لكي يتم امتصاصها ، يجب استخدام الموصلات الشفافة لجمع الإلكترونات التي يتم توليدها في كل طبقة. إن إنتاج خلية ترادفية ليست مهمة سهلة ، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى رقة المواد وصعوبة استخراج التيار بين الطبقات. الحل السهل هو استخدام اثنين من الخلايا الشمسية فيلم رقيقة منفصلة ميكانيكيا ثم ربطها معا على حدة خارج الخلية. وتستخدم هذه التقنية على نطاق واسع من قبل الخلايا الشمسية السليكونية غير المتبلورة ، وتستخدم منتجات يوني-سولار ثلاث طبقات من هذا النوع للوصول إلى الكفاءة حوالي 9٪. وقد أظهرت الأمثلة المعملية باستخدام مواد الأغشية الرقيقة الغريبة أكثر من الكفاءة أكثر من 30 ٪. الحل الأكثر صعوبة هو الخلية "المدمجة متجانسة" ، حيث تتكون الخلية من عدد من الطبقات التي ترتبط ميكانيكياً وكهربيًا. هذه الخلايا يصعب إنتاجها لأن الخصائص الكهربائية لكل طبقة يجب أن تتم مطابقتها بدقة. على وجه الخصوص ، يحتاج التيار الضوئي المتولد في كل طبقة إلى مطابقة ، وإلا سيتم امتصاص الإلكترونات بين الطبقات. هذا يحد من بنائها على مواد معينة ، وأفضل ما توصلت إليه أشباه الموصلات III-V. اختيار المواد يتم تحديد اختيار المواد لكل خلية فرعية وفقًا لمتطلبات الخصائص البصرية الإلكترونية المطابقة للشبيكة والمطابقة الحالية والأداء العالي. لتحقيق النمو الأمثل ونوعية البلورة الناتجة ، يجب أن يكون ثابت الشبكي البلوري a من كل مادة متقاربًا بشكل كبير ، مما يؤدي إلى أجهزة متشابهة الشبك. تم تخفيف هذا القيد إلى حد ما في الخلايا الشمسية المتحولة مؤخرًا والتي تحتوي على درجة صغيرة من عدم التوافق الشبكي.ومع ذلك ، فإن درجة أكبر من عدم التطابق أو عيوب النمو الأخرى يمكن أن تؤدي إلى عيوب بلورية مما يتسبب في تدهور الخصائص الإلكترونية. بما أن كل خلية فرعية متصلة كهربائيا في سلسلة ، فإن التيار نفسه يتدفق عبر كل مفترق. يتم ترتيب المواد مع انخفاض النطاقات ، Eg ، مما يسمح للضوء ذي فجوة نطاق فرعية (hc / λ الاقسام تقنية η (٪) OC (V) SC (A) W / متر مربع t (µm) خلايا السليكون البلورية أحادية 24.7 0.5 0.8 63 100 البولي سيليكون 20.3 0.615 8.35 211 200 خلايا شمسية رقيقة السيليكون غير المتبلور 11.1 0.63 0.089 33 1 تيل كد 16.5 0.86 0.029 – 5 CIGS 19.5 – – – 1 خلايا متعددة الوصلات MJ 40.7 2.6 1.81 476 140

الخلايا الشمسية MJ وغيرها من الأجهزة الضوئية لديها اختلافات كبيرة (انظر الجدول أعلاه). من الناحية الفيزيائية ، فإن الخاصية الرئيسية للخلية الشمسية التابعة لـ MJ هي وجود أكثر من نقطة اتصال واحدة من أجل التقاط طيف طاقة فوتون أكبر بينما الخاصية الرئيسية للخلية الشمسية ذات الأغشية الرقيقة هي استخدام الأغشية الرقيقة بدلاً من الطبقات السميكة من أجل تقليل نسبة كفاءة التكلفة. اعتبارا من عام 2010 ، الألواح الشمسية MJ هي أكثر تكلفة من غيرها. هذه الاختلافات تعني تطبيقات مختلفة: الخلايا الشمسية MJ مفضلة في الفضاء والخلايا الشمسية C-Si للتطبيقات الأرضية.

تعتبر كفاءة الخلايا الشمسية وتكنولوجيا Si الشمسية مستقرة نسبياً ، في حين أن كفاءة وحدات الطاقة الشمسية والتقنية متعددة الوصلات تتقدم.

عادة ما يتم إجراء القياسات على الخلايا الشمسية MJ في المختبر ، باستخدام المكثفات الخفيفة (وهذا في كثير من الأحيان ليس هو الحال بالنسبة للخلايا الأخرى) وتحت ظروف الاختبار القياسية (STCs). تحدد STCs ، بالنسبة للتطبيقات الأرضية ، طيف AM1.5 كمرجع. هذه الكتلة الهوائية (AM) تقابل وضع ثابت للشمس في السماء بزاوية قدرها 48 ° وقوة ثابتة تبلغ 833 واط / متر مربع. لذلك ، لا تؤخذ الاختلافات الطيفية للضوء الحادث والمعايير البيئية في الاعتبار في شركة الاتصالات السعودية.

وبالتالي ، فإن أداء الخلايا الشمسية MJ في البيئة الأرضية أقل من ذلك الذي تحقق في المختبر. علاوة على ذلك ، تم تصميم الخلايا الشمسية MJ بحيث يتم مطابقة التيارات تحت STC ، ولكن ليس بالضرورة في الظروف الميدانية. يمكن للمرء أن يستخدم التيسير الكمي (Q) لمقارنة أداء التقنيات المختلفة ، لكن QE (λ) لا يحتوي على معلومات حول مطابقة تيارات subcells. إن نقطة المقارنة المهمة هي طاقة الإخراج لكل وحدة مساحة تم إنشاؤها باستخدام نفس ضوء الحادث.

تطبيقات

اعتبارا من عام 2010 ، كانت تكلفة الخلايا الشمسية MJ مرتفعة للغاية بحيث لا يمكن استخدامها خارج التطبيقات المتخصصة. ويرجع ارتفاع التكلفة بشكل أساسي إلى البنية المعقدة وارتفاع أسعار المواد. ومع ذلك ، مع تركيز الضوء تحت إضاءة ما لا يقل عن 400 شمس ، تصبح الألواح الشمسية MJ عملية.

كلما أصبحت المواد متعددة التوصيل أقل تكلفة ، تشتمل التطبيقات الأخرى على هندسة ذات فجوة نطاقية لمناطق مناخية ذات ظروف جوية متنوعة.

ويجري حاليا استخدام خلايا MJ في بعثات المريخ.

البيئة في الفضاء مختلفة تماما. نظرًا لعدم وجود غلاف جوي ، يختلف الطيف الشمسي (AM0). الخلايا لديها مباراة حالية ضعيفة بسبب تدفق فوتونات أكبر من الفوتونات فوق 1.87eV مقابل تلك بين 1.87eV و 1.42 eV. ينتج عن هذا القليل من التيار في تقاطع GaAs ، ويعيق الكفاءة الكلية حيث يعمل تقاطع InGaP أسفل MPP الحالي ويعمل تقاطع GaAs فوق MPP الحالي. لتحسين المطابقة الحالية ، يتم تقليل طبقة InGaP عن قصد للسماح بفوتونات إضافية لاختراق طبقة GaAs السفلى.

في تطبيقات التركيز الأرضية ، يؤدي تشتت الضوء الأزرق في الغلاف الجوي إلى تقليل تدفق الفوتون فوق 1.87eV ، وتحقيق توازن أفضل بين التيارات الوصلة. جسيمات الإشعاع التي لم تعد تصفيتها يمكن أن تلحق الضرر بالخلية. هناك نوعان من الضرر: التأين والتشريد الذري.ومع ذلك ، توفر خلايا MJ مقاومة أعلى للإشعاع وكفاءة أعلى ومعامل درجة حرارة أقل.