Multi-Junction-Photovoltaik-Technologie

Eine Photovoltaikzelle mit mehreren Übergängen ist eine Solarzelle mit mehreren pn-Übergängen von verschiedenen Halbleitermaterialien. Jeder pn-Übergang jedes Materials erzeugt einen elektrischen Strom als Reaktion auf eine andere Wellenlänge des Lichts. Eine einfache Zelle erzeugt elektrischen Strom einer einzelnen Wellenlänge im Sonnenlichtspektrum. Eine Mehrfachzellen-Solarzelle wird einen elektrischen Strom bei mehreren Wellenlängen von Licht erzeugen, was die Energieumwandlungseffizienz von Sonnenlicht in nutzbare elektrische Energie erhöht.
Herkömmliche Single-Union-Zellen haben eine maximale theoretische Wirksamkeit von 33,16%.Theoretisch hätte eine unendliche Anzahl von Verbindungen eine Grenzeffizienz von 86,8% unter hochkonzentriertem Sonnenlicht.

Gegenwärtig weisen die besten Laborbeispiele von herkömmlichen kristallinen Siliziumsolarzellen Wirkungsgrade zwischen 20% und 25% auf, während Laborbeispiele von Mehrfachverbindungszellen unter konzentriertem Sonnenlicht eine Ausbeute von mehr als 46% gezeigt haben. Kommerzielle Beispiele von Tandemzellen sind zu 30% bei Beleuchtung mit einer Sonne weit verbreitet und verbessern sich mit konzentriertem Sonnenlicht auf etwa 40%. Diese Effizienz wird jedoch auf Kosten einer höheren Komplexität und eines höheren Herstellungspreises erzielt. Sein höherer Preis und sein höheres Preis-Leistungs-Verhältnis haben bisher seinen Einsatz auf Sonderfunktionen beschränkt, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, wo ein hohes Leistungsgewicht angestrebt wird. In terrestrischen Anwendungen entstehen diese Solarzellen in Photovoltaik-Konzentratoren (CPV), mit einer zunehmenden Anzahl von Installationen auf der ganzen Welt.

Tandem-Herstellungstechniken wurden verwendet, um die Leistung bestehender Konstruktionen zu verbessern. Insbesondere kann die Technik bei kostengünstigen Dünnschichtsolarzellen angewendet werden, die im Gegensatz zu herkömmlichem kristallinem Silizium amorphes Silizium verwenden, um eine Zelle mit einem Wirkungsgrad von etwa 10% zu erzeugen, die leicht und flexibel ist. Dieser Ansatz wurde von mehreren kommerziellen Lieferanten verwendet, aber diese Produkte sind derzeit auf bestimmte Nischenrollen beschränkt, wie z. B. Bedachungsmaterialien.

Herkömmliche Single-Union-Zellen haben eine maximale theoretische Effizienz von 34%. In einer theoretisch unbegrenzten Anzahl von Verbindungen würde die Effizienz von Mehrfachverbindungszellen bei hochkonzentriertem Sonnenlicht 87% betragen.

Derzeit weisen die besten Laborbeispiele traditioneller Siliziumsolarzellen einen Wirkungsgrad von etwa 25% auf, während Laborbeispiele von Mehrfachzellen eine Leistung von über 43% aufweisen.

Beschreibung

Mehrfachverbindungszellen
Zellen, die aus mehreren Materialschichten hergestellt sind, können mehrere Bandlücken aufweisen und werden daher auf mehrere Lichtwellenlängen ansprechen, wobei sie etwas von der Energie aufnehmen und umwandeln, die andernfalls durch die Relaxation verloren gehen würde, wie oben beschrieben.
Wenn man zum Beispiel eine Zelle mit zwei Bandlücken hätte, eine auf rotes Licht und die andere auf grün, dann würde die zusätzliche Energie in grünem, zyanblauem und blauem Licht nur bis zur Bandlücke des grünempfindlichen Materials verloren gehen, während die Energie von Rot, Gelb und Orange nur bis zur Bandlücke des rotempfindlichen Materials verloren gehen würde. Nach einer ähnlichen Analyse wie für Vorrichtungen mit einer einzigen Bandlücke kann gezeigt werden, dass die perfekten Bandlücken für eine Vorrichtung mit zwei Lücken bei 1,1 eV und 1,8 eV liegen.

Praktischerweise wechselwirkt Licht einer bestimmten Wellenlänge nicht stark mit Materialien, die eine größere Bandlücke aufweisen. Dies bedeutet, dass Sie eine Mehrfachzelle herstellen können, indem Sie die verschiedenen Materialien übereinander legen, die kürzesten Wellenlängen (größte Bandlücke) auf der “Oberseite” und die Zunahme durch den Körper der Zelle. Da die Photonen die Zelle durchlaufen müssen, um die richtige Schicht zu erreichen, die absorbiert werden soll, müssen transparente Leiter verwendet werden, um die Elektronen zu sammeln, die in jeder Schicht erzeugt werden.

Die Herstellung einer Tandemzelle ist keine leichte Aufgabe, hauptsächlich aufgrund der Dünnheit der Materialien und der Schwierigkeiten, den Strom zwischen den Schichten zu extrahieren. Die einfache Lösung besteht darin, zwei mechanisch getrennte Dünnschichtsolarzellen zu verwenden und sie getrennt außerhalb der Zelle miteinander zu verbinden. Diese Technik wird häufig von Solarzellen aus amorphem Silizium verwendet. Die Produkte von Uni-Solar verwenden drei solcher Schichten, um Wirkungsgrade um 9% zu erreichen. Laborbeispiele mit exotischeren Dünnschichtmaterialien haben Wirkungsgrade über 30% gezeigt.

Die schwierigere Lösung ist die “monolithisch integrierte” Zelle, bei der die Zelle aus einer Anzahl von Schichten besteht, die mechanisch und elektrisch verbunden sind. Diese Zellen sind viel schwieriger herzustellen, da die elektrischen Eigenschaften jeder Schicht sorgfältig aufeinander abgestimmt werden müssen. Insbesondere muss der in jeder Schicht erzeugte Photostrom angepasst werden, andernfalls werden Elektronen zwischen den Schichten absorbiert. Dies beschränkt ihre Konstruktion auf bestimmte Materialien, die am besten von den III-V-Halbleitern erfüllt werden.

Materialwahl
Die Wahl der Materialien für jede Unterzelle wird durch die Erfordernisse für Gitteranpassung, Stromanpassung und optoelektronische Hochleistungseigenschaften bestimmt.

Für ein optimales Wachstum und die resultierende Kristallqualität muss die Kristallgitterkonstante ajedes Materials eng angepasst sein, was zu gitterangepassten Vorrichtungen führt. Diese Einschränkung wurde in kürzlich entwickelten metamorphen Solarzellen, die einen kleinen Grad an Gitterfehlanpassung enthalten, etwas gelockert. Ein grßerer Grad an Fehlanpassung oder anderen Wachstumsfehlern kann jedoch zu Kristalldefekten führen, die eine Verschlechterung der elektronischen Eigenschaften verursachen.

Da jede Teilzelle elektrisch in Reihe geschaltet ist, fließt der gleiche Strom durch jede Verbindung.Die Materialien sind mit abnehmenden Bandlücken, E g , geordnet, so dass das Bandlückenlicht ( hc / λ <e • Eg ) an die unteren Unterzellen übertragen werden kann. Daher müssen geeignete Bandlücken so gewählt werden, dass das Entwurfsspektrum die Stromerzeugung in jeder der Unterzellen ausgleicht, wodurch eine Stromanpassung erreicht wird. Abbildung C (b) zeigt die spektrale Bestrahlungsstärke E (λ), die die Quellenleistungsdichte bei einer gegebenen Wellenlänge λ ist. Sie ist zusammen mit der maximalen Konversionseffizienz für jede Grenzfläche in Abhängigkeit von der Wellenlänge aufgetragen, die direkt mit der Anzahl der für die Umwandlung in den Photostrom verfügbaren Photonen in Beziehung steht.

Schließlich müssen die Schichten für eine hohe Leistungsfähigkeit elektrisch optimal sein. Dies erfordert die Verwendung von Materialien mit starken Absorptionskoeffizienten & agr; (& lgr;), hohen Minoritätsladungsträgerlebenszeiten & tgr; -Minorität und hohen Mobilitäten & mgr ;.

Die günstigen Werte in der folgenden Tabelle rechtfertigen die Auswahl von Materialien, die typischerweise für Mehrfachsolarzellen verwendet werden: InGaP für die obere Subzelle (E g = 1,8 bis 1,9 eV), InGaAs für die mittlere Subzelle (E g = 1,4 eV) und Germanium für die untere Subzelle (E g = 0.67 eV). Die Verwendung von Ge ist hauptsächlich auf seine Gitterkonstante, Robustheit, geringe Kosten, Häufigkeit und einfache Herstellung zurückzuführen.

Da die verschiedenen Schichten eng gitterangepasst sind, verwendet die Herstellung der Vorrichtung typischerweise metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD). Diese Technik ist der Molekularstrahlepitaxie (MBE) vorzuziehen, da sie eine hohe Kristallqualität und eine Produktion in großem Maßstab sicherstellt.

Material g , eV a , nm Absorption
(λ = 0,8 μm), 1 / μm
μ n , cm² / (V • s) & tgr; p , & mgr; s Härte
(Mohs)
α, μm / K S , m / s
c-Si 1.12 0,5431 0.102 1400 1 7 2.6 0,1-60
InGaP 1.86 0.5451 2 500 5 5.3 50
GaAs 1.4 0,5653 0.9 8500 3 4-5 6 50
Ge 0,65 0,5657 3 3900 1000 6 7 1000
InGaAs 1.2 0,5868 30 1200 5.66 100-1000

Strukturelemente

Metallische Kontakte
Die metallischen Kontakte sind niederohmige Elektroden, die mit den Halbleiterschichten in Kontakt kommen. Sie sind oft Aluminium. Dies stellt eine elektrische Verbindung zu einer Last oder anderen Teilen einer Solarzellenanordnung bereit. Sie sind normalerweise auf zwei Seiten der Zelle. Und es ist wichtig, auf der Rückseite zu sein, damit die Abschattung auf der Leuchtfläche reduziert wird.

Antireflexbeschichtung
Die Antireflexbeschichtung (AR) besteht bei MJ-Solarzellen in der Regel aus mehreren Schichten.Die obere AR-Schicht weist üblicherweise eine NaOH-Oberflächentexturierung mit mehreren Pyramiden auf, um den Transmissionskoeffizienten T , das Einfangen des Lichts im Material (da Photonen aufgrund von Pyramiden nicht leicht aus der MJ-Struktur austreten können) und damit die Weglänge zu erhöhen von Photonen im Material. R sinkt auf 1%. Im Fall von zwei AR-Schichten 1 (die oberste Schicht, gewöhnlich SiO 2) 
2 ) und 2 (üblicherweise TiO 
2 ), muss es sein  die gleichen Amplituden für die reflektierten Felder haben und nL1 d L1 = 4 & lgr; min , L2 d L2 = & lgr; min / 4, um eine entgegengesetzte Phase für die reflektierten Felder zu haben.Andererseits wird die Dicke jeder AR-Schicht auch gewählt, um das Reflexionsvermögen bei Wellenlängen zu minimieren, für die der Photostrom am niedrigsten ist. Folglich maximiert dies SC durch Anpassen der Ströme der drei Subzellen. Da zum Beispiel der von der unteren Zelle erzeugte Strom größer ist als die von den anderen Zellen erzeugten Ströme, wird die Dicke der AR-Schichten so eingestellt, dass die Infrarot (IR) -Übertragung (die der unteren Zelle entspricht) während des Ultravioletts verschlechtert wird Übertragung (die der oberen Zelle entspricht) wird aktualisiert. Insbesondere ist eine AR-Beschichtung bei niedrigen Wellenlängen sehr wichtig, weil ohne sie T auf 70% stark reduziert wäre.

Tunnelverbindungen
Das Hauptziel von Tunnelübergängen besteht darin, einen niedrigen elektrischen Widerstand und eine optisch verlustarme Verbindung zwischen zwei Subzellen bereitzustellen.

Daher können Elektronen leicht durch den Verarmungsbereich tunneln. Die JV-Charakteristik der Tunnelverbindung ist sehr wichtig, weil sie erklärt, warum Tunnelverbindungen verwendet werden können, um eine Verbindung mit niedrigem elektrischen Widerstand zwischen zwei pn-Übergängen zu haben. Fig. D zeigt drei verschiedene Regionen: die Tunnelregion, die negative differentielle Widerstandsregion und die Thermodiffusionsregion. Die Region, in der Elektronen durch die Barriere tunneln können, wird als Tunnelregion bezeichnet. Dort muss die Spannung niedrig genug sein, damit die Energie von einigen Elektronen, die tunneln, gleich den auf der anderen Seite der Barriere verfügbaren Energiezuständen ist. Folglich ist die Stromdichte durch den Tunnelübergang hoch (mit einem maximalen Wert von  , die Spitzenstromdichte) und die Steigung in der Nähe des Ursprungs ist daher steil. Dann ist der Widerstand extrem niedrig und folglich auch die Spannung.Deshalb sind Tunnelübergänge ideal, um zwei pn-Übergänge ohne Spannungsabfall zu verbinden.Wenn die Spannung höher ist, können Elektronen die Barriere nicht überwinden, da Energiezustände für Elektronen nicht mehr verfügbar sind. Daher nimmt die Stromdichte ab und der differentielle Widerstand ist negativ. Die letzte Region, Thermodiffusionsregion genannt, entspricht der JV-Charakteristik der üblichen Diode:


Um die MJ-Solarzellenleistung nicht zu reduzieren, müssen Tunnel-Junctions transparent für Wellenlängen sein, die von der nächsten photovoltaischen Zelle, der mittleren Zelle, absorbiert werden, dh E gTunnel > E gMiddleCell .

Fensterebene und Rückseitenfeld
Eine Fensterschicht wird verwendet, um die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit S zu verringern. In ähnlicher Weise reduziert eine Rückseitenfeld- (BSF) -Schicht die Streuung von Trägern in Richtung des Tunnelübergangs. Die Struktur dieser beiden Schichten ist die gleiche: Es ist ein Heteroübergang, der Elektronen (Löcher) fängt. In der Tat können diese trotz des elektrischen Feldes Ed nicht über die durch den Heteroübergang gebildete Barriere springen, da sie nicht genug Energie haben, wie in Abbildung E dargestellt. Elektronen (Löcher) können daher nicht mit Löchern (Elektronen) rekombinieren und können nicht diffundieren durch die Barriere. Übrigens müssen Fenster- und BSF-Schichten für Wellenlängen transparent sein, die vom nächsten pn-Übergang absorbiert werden, dh E gWindow > E gemitter und E gBSF > E gemitter . Darüber hinaus muss die Gitterkonstante nahe der von InGaP liegen und die Schicht muss hoch dotiert sein ( n ≥ 10 18 cm -3).

JV-Merkmal
Für eine maximale Effizienz sollte jede Unterzelle bei ihren optimalen JV-Parametern betrieben werden, die nicht notwendigerweise für jede Unterzelle gleich sind. Wenn sie unterschiedlich sind, ist der Gesamtstrom durch die Solarzelle der niedrigste der drei. Näherungsweise ergibt sich für den Kurzschlussstrom der MJ-Solarzelle dieselbe Beziehung: SC = min (J SC1 , J SC2 , J SC3 ) wobei JSCi (λ) die Kurzschlussstromdichte bei a ist vorgegebene Wellenlänge λ für die Teilzelle i .

Wegen der Unmöglichkeit, SC1 , J SC2 , J SC3 direkt aus der Gesamt-JV-Charakteristik zu erhalten, wird die Quanteneffizienz QE (λ) verwendet. Es misst das Verhältnis zwischen der Menge an erzeugten Elektron-Loch-Paaren und den einfallenden Photonen bei einer gegebenen Wellenlänge λ. Sei φ i (λ) der Photonenfluss des entsprechenden einfallenden Lichts in der Subzelle i und QE i (λ) sei die Quanteneffizienz der Subzelle i . Per Definition entspricht dies: 

Der Wert von  wird erhalten, indem man es mit dem Absorptionskoeffizienten verbindet  dh die Anzahl der pro Längeneinheit absorbierten Photonen durch ein Material. Wenn angenommen wird, dass jedes von einer Subzelle absorbierte Photon ein Elektron / Loch-Paar erzeugt (was eine gute Annäherung ist), führt dies zu:

 wo i die Dicke der Unterzelle i und ist  ist der Prozentsatz des einfallenden Lichts, der nicht von der Unterzelle i absorbiert wird.
Ähnlich, weil  kann die folgende Approximation verwendet werden:  .
Die Werte von {\ displaystyle V_ {OCi}}  sind dann durch die JV-Diodengleichung gegeben: 

Theoretische Begrenzung der Effizienz
Wir können die begrenzende Effizienz idealer unendlicher Mehrfachsolarzellen unter Verwendung der graphischen Quanteneffizienzanalyse (QE), die von CH Henry erfunden wurde, schätzen. Um die Methode von Henry vollständig auszunutzen, sollte die Einheit der spektralen Bestrahlungsstärke von AM1.5 in diejenige des Photonenflusses (dh die Anzahl der Photonen / m 2 / s) umgewandelt werden. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, eine Zwischeneinheitsumwandlung von der Leistung der pro Flächeneinheit pro Photonenenergie einfallenden elektromagnetischen Strahlung zum Photonenfluss pro Photonenenergie durchzuführen (dh von [W / m 2 / eV] zu [Anzahl von Photonen / m 2 / s / eV]). Für diese Umwandlung der Zwischeneinheit müssen die folgenden Punkte berücksichtigt werden: Ein Photon hat eine bestimmte Energie, die wie folgt definiert ist.

(1): E ph = h ∙ f = h ∙ (c / λ)
Wo Eph Photonenenergie ist, ist h die Planck’sche Konstante (h = 6.626 * 10 -34 [J s]), c ist die Lichtgeschwindigkeit (c = 2.998 * 10 8 [m / s]), f ist die Frequenz [1 / s], und λ ist die Wellenlänge.
Dann kann der Photonenfluss pro Photonenenergie dn ph / dhν in Bezug auf bestimmte Bestrahlungsstärke E [W / m 2 / eV] wie folgt berechnet werden.

(2):  = E / {h ∙ (c / λ)} = E [W / (m 2 ∙ eV)] ∙ λ ∙ (10 -9 ) / (1,998 ∙ 10 -25 [J ∙ s ∙ m / s]) = E ∙ λ ∙ 5.03 ∙ 10 15 [(Anzahl der Photonen) / (m 2 ∙ s ∙ eV)]
Als Ergebnis dieser Umwandlung der Zwischeneinheit wird die AM1.5-spektrale Bestrahlungsstärke in der Einheit des Photonenflusses pro Photonenenergie angegeben, [Anzahl der Photonen / m 2 / s / eV]
Basierend auf dem obigen Ergebnis der Zwischeneinheitsumwandlung können wir den Photonenfluss durch numerisches Integrieren des Photonenflusses pro Photonenenergie in Bezug auf Photonenenergie ableiten. Der numerisch integrierte Photonenfluss wird unter Verwendung der Trapezregel wie folgt berechnet.

(3): 
Als Ergebnis dieser numerischen Integration wird die AM1.5-spektrale Bestrahlungsstärke in der Einheit des Photonenflusses [Anzahl der Photonen / m² / s] angegeben.

Es sollte angemerkt werden, dass es keine Photonenflussdaten im Bereich der kleinen Photonenenergie von 0 eV bis 0.3096 eV gibt, da das Standardspektrum (AM1.5) des Sonnenenergiespektrums für hν <0.31 eV nicht verfügbar ist. Ungeachtet dieser Datenunverfügbarkeit kann die grafische QE-Analyse jedoch unter Verwendung der einzigen verfügbaren Daten mit einer vernünftigen Annahme durchgeführt werden, dass Halbleiter für Photonenenergien größer als ihre Bandlückenenergie opak, aber für Photonenenergien, die kleiner als ihre Bandlückenenergie sind, transparent sind. Diese Annahme erklärt den ersten intrinsischen Verlust der Effizienz von Solarzellen, der dadurch verursacht wird, dass Solarzellen mit Einfachübergängen nicht in der Lage sind, das breite Spektrum der Sonnenenergien richtig abzubilden. Die derzeitige graphische QE-Analyse kann jedoch noch nicht den zweiten intrinsischen Verlust der Effizienz von Solarzellen, die Strahlungsrekombination, widerspiegeln. Um die radiative Rekombination zu berücksichtigen, müssen wir zuerst die Strahlungsstromdichte J rad auswerten.Nach der Shockley- und Queisser-Methode kann J rad wie folgt angenähert werden.

(4): 

(5): 
wo E g in Elektronenvolt ist und n mit 3,6 bewertet wird, der Wert für GaAs. Die einfallende absorbierte Wärmestrahlung J th ist gegeben durch J rad mit V = 0.

(6): 
Die an die Last abgegebene Stromdichte ist die Differenz der Stromdichten aufgrund der absorbierten Sonnen- und Wärmestrahlung und der Stromdichte der Strahlung, die von der oberen Oberfläche emittiert oder in dem Substrat absorbiert wird. Definieren wir J ph = en ph , wir haben

(7): J = Jph + Jth – Jrad
Der zweite Term, J th , ist im Vergleich zu J ph für alle Halbleiter mit E g vernachlässigbar. ≥ 0,3 eV, wie durch Auswertung der obigen J- ten Gleichung gezeigt werden kann. Daher werden wir diesen Begriff vernachlässigen, um die folgende Diskussion zu vereinfachen. Dann können wir J wie folgt ausdrücken.

(8): 
Die Leerlaufspannung wird durch Setzen von J = 0 gefunden.

(9): 
Der maximale Leistungspunkt (J m , V m ) wird durch Ableiten der Ableitung gefunden  . Das vertraute Ergebnis dieser Berechnung ist

(10): 

(11): 
Schließlich ist die maximale Arbeit (W m ) pro absorbiertem Photon, Wm, gegeben durch

(12): 
Wir kombinieren die letzten drei Gleichungen

(13): 

Unter Verwendung der obigen Gleichung wird W m (rote Linie) für verschiedene Werte von E g (oder n ph ) aufgetragen.
Jetzt können wir die grafische QE-Analyse von Henry voll nutzen, wobei wir die beiden größten intrinsischen Verluste in der Effizienz von Solarzellen berücksichtigen. Die beiden wichtigsten intrinsischen Verluste sind die radiative Rekombination und die Unfähigkeit von Solarzellen mit Einfachübergängen, das breite Spektrum der Sonnenenergien richtig anzupassen. Die schraffierte Fläche unter der roten Linie repräsentiert die maximale Arbeit, die von idealen unendlichen Mehrfachsolarzellen geleistet wird. Daher wird die Grenzeffizienz von idealen unendlichen Mehrfachsolarzellen durch Vergleich der durch die rote Linie definierten schattierten Fläche mit der durch die schwarze Linie bestimmten Gesamt-Photonenflussfläche zu 68,8% bewertet. (Dies ist der Grund, warum diese Methode als “grafische” QE-Analyse bezeichnet wird.) Obwohl dieser begrenzende Effizienzwert mit den von Parrott und Vos 1979 veröffentlichten Werten übereinstimmt: 64% bzw. 68,2%, besteht eine kleine Lücke zwischen dem geschätzten Wert in dieser Bericht und die Literaturwerte. Dieser kleine Unterschied ist höchstwahrscheinlich auf die verschiedenen Möglichkeiten zurückzuführen, wie der Photonenfluss von 0 eV bis 0.3096 eV angenähert werden kann. Hier haben wir den Photonenfluss von 0 eV bis 0.3096 eV genauso angenähert wie der Photonenfluss bei 0.31 eV.