Multi-Junction (MJ) Solarzellen sind Solarzellen mit mehreren p-n-Übergängen aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien. Der pn-Übergang jedes Materials erzeugt elektrischen Strom als Reaktion auf verschiedene Wellenlängen des Lichts. Die Verwendung von mehreren halbleitenden Materialien ermöglicht die Absorption eines breiteren Bereichs von Wellenlängen, wodurch das Sonnenlicht zur elektrischen Energieumwandlungseffizienz der Zelle verbessert wird.

Herkömmliche Single-Junction-Zellen haben eine maximale theoretische Effizienz von 33,16%.Theoretisch hätte eine unendliche Anzahl von Verbindungen eine begrenzende Effizienz von 86,8% unter hochkonzentriertem Sonnenlicht.

Gegenwärtig weisen die besten Laborbeispiele herkömmlicher kristalliner Siliziumsolarzellen Wirkungsgrade zwischen 20% und 25% auf, während Laborbeispiele von Mehrfachübergangszellen eine Leistung von über 46% unter konzentriertem Sonnenlicht gezeigt haben. Kommerzielle Beispiele von Tandemzellen sind weitverbreitet bei 30% unter Ein-Sonnen-Beleuchtung verfügbar und verbessern sich bei konzentriertem Sonnenlicht auf etwa 40%. Diese Effizienz wird jedoch auf Kosten einer erhöhten Komplexität und eines höheren Herstellungspreises erzielt. Bis heute haben ihr höherer Preis und ihr höheres Preis-Leistungs-Verhältnis ihre Verwendung auf besondere Aufgaben beschränkt, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, wo ihr hohes Leistungsgewicht wünschenswert ist. In terrestrischen Anwendungen entstehen diese Solarzellen in Konzentrator-Photovoltaik (CPV), mit einer wachsenden Anzahl von Installationen auf der ganzen Welt.

Tandem-Herstellungstechniken wurden verwendet, um die Leistung bestehender Konstruktionen zu verbessern. Insbesondere kann die Technik auf kostengünstigere Dünnschichtsolarzellen unter Verwendung von amorphem Silizium im Gegensatz zu herkömmlichem kristallinem Silizium angewendet werden, um eine Zelle mit etwa 10% Wirkungsgrad herzustellen, die leicht und flexibel ist. Dieser Ansatz wurde von mehreren kommerziellen Anbietern verwendet, aber diese Produkte sind derzeit auf bestimmte Nischenrollen wie Dachmaterialien beschränkt.

Beschreibung

Grundlagen von Solarzellen

Herkömmliche photovoltaische Zellen bestehen üblicherweise aus dotiertem Silizium mit metallischen Kontakten, die oben und unten abgeschieden sind. Die Dotierung wird normalerweise auf eine dünne Schicht auf der Oberseite der Zelle angewendet, wodurch ein pn-Übergang mit einer bestimmten Bandlückenenergie, z.

Photonen, die oben auf der Solarzelle auftreffen, werden entweder reflektiert oder in die Zelle übertragen. Durchgelassene Photonen haben das Potenzial, ihre Energie, h ν , an ein Elektronabzugeben , wenn h ν ≥ Eg ein Elektron-Loch-Paar erzeugt. In der Verarmungsregion beschleunigt das elektrische Driftfeld Edrift sowohl Elektronen als auch Löcher in Richtung ihrer jeweiligen n-dotierten und p-dotierten Regionen (nach oben bzw. nach unten). Der resultierende Strom Ig wird als erzeugter Photostrom bezeichnet. In der quasi-neutralen Region beschleunigt das streuende elektrische Feld Escatt Löcher (Elektronen) in Richtung der p-dotierten (n-dotierten) Region, was einen streuenden Photostrom Ipscatt (Inscatt) ergibt. Infolge der Ansammlung von Ladungen treten folglich ein Potential V und ein Photostrom Iph auf. Der Ausdruck für diesen Photostrom wird erhalten, indem Erzeugungs- und Streu-Photoströme hinzugefügt werden: Iph = Ig + Inscatt + Ipscatt.

Die JV-Eigenschaften (J ist die Stromdichte, dh der Strom pro Flächeneinheit) einer Solarzelle bei Beleuchtung werden erhalten, indem die JV-Eigenschaften einer Diode im Dunkeln um Iph nach unten verschoben werden. Da Solarzellen so ausgelegt sind, dass sie Energie liefern und nicht absorbieren, muss die Leistung P = V · Iph negativ sein. Daher liegt der Arbeitspunkt (Vm, Jm) in dem Bereich, in dem V> 0 und Iph <0 ist, und wird gewählt, um den Absolutwert der Leistung | P | zu maximieren. Verlustmechanismen Die theoretische Leistungsfähigkeit einer Solarzelle wurde erstmals in den 1960er Jahren intensiv untersucht und ist heute als Shockley-Queisser-Limit bekannt. Das Limit beschreibt mehrere Verlustmechanismen, die jedem Solarzelldesign innewohnen. Die ersten sind die Verluste aufgrund der Schwarzkörperstrahlung, ein Verlustmechanismus, der jedes materielle Objekt über dem absoluten Nullpunkt beeinflusst. Bei Solarzellen mit Standardtemperatur und -druck macht dieser Verlust etwa 7% der Leistung aus. Die zweite ist ein Effekt, der als "Rekombination" bekannt ist, bei dem die Elektronen, die durch den photoelektrischen Effekt erzeugt werden, auf die Elektronenlöcher treffen, die durch vorherige Anregungen zurückgelassen wurden. In Silizium sind dies weitere 10% der Leistung. Der dominierende Verlustmechanismus ist jedoch die Unfähigkeit einer Solarzelle, die gesamte Energie im Licht zu extrahieren, und das damit verbundene Problem, dass sie aus bestimmten Photonen überhaupt keine Leistung gewinnen kann. Dies liegt an der Tatsache, dass die Photonen genügend Energie haben müssen, um die Bandlücke des Materials zu überwinden. Wenn das Photon weniger Energie als die Bandlücke hat, wird es überhaupt nicht gesammelt. Dies ist eine wichtige Überlegung für herkömmliche Solarzellen, die für den größten Teil des Infrarotspektrums nicht empfindlich sind, obwohl dies fast die Hälfte der von der Sonne kommenden Leistung darstellt. Umgekehrt stoßen Photonen mit mehr Energie als die Bandlücke, z. B. blaues Licht, ein Elektron zunächst in einen Zustand hoch über der Bandlücke aus, aber diese zusätzliche Energie geht durch Kollisionen in einem Prozess verloren, der als "Entspannung" bekannt ist. Diese verlorene Energie wird in der Zelle zu Wärme, was den Nebeneffekt hat, dass Schwarzkörperverluste weiter zunehmen. Kombiniert man all diese Faktoren, beträgt die maximale Effizienz für ein Material mit einem Bandabstand wie herkömmliche Siliziumzellen etwa 34%. Das heißt, 66% der Energie im Sonnenlicht, das die Zelle trifft, gehen verloren. Praktische Erwägungen verringern dies weiter, insbesondere die Reflektion von der Vorderseite oder den Metallanschlüssen, mit modernen hochwertigen Zellen bei etwa 22%. Niedrigere, auch engere Bandlückenmaterialien werden längerwellige Photonen mit niedrigerer Energie umwandeln. Höhere oder breitere Bandlückenmaterialien werden kurzwelligeres, stärker energiereiches Licht umwandeln. Eine Analyse des AM1.5-Spektrums zeigt, dass das beste Gleichgewicht bei etwa 1,1 eV (etwa 1100 nm, im nahen Infrarot) erreicht wird, was sehr nahe an der natürlichen Bandlücke in Silizium und einer Anzahl anderer nützlicher Halbleiter liegt. 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 passieren 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 a jedes 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 geordnet, z. B., um zu ermöglichen, dass Bandlückenlicht (hc / & lgr; Kategorien Technologie η (%) V _OC (V) I _SC (A) W / m² t (μm) Kristalline Siliziumzellen Monokristallin 24.7 0.5 0.8 63 100 Polysilizium 20.3 0.615 8.35 211 200 Dünnschicht-Solarzellen Amorphes Silizium 11.1 0.63 0,089 33 1 CdTe 16.5 0.86 0,029 – 5 CIGS 19.5 – – – 1 Mehrfachverbindungszellen MJ 40.7 2.6 1.81 476 140

MJ-Solarzellen und andere photovoltaische Geräte weisen erhebliche Unterschiede auf (siehe obige Tabelle). Physikalisch gesehen besteht die Haupteigenschaft einer MJ – Solarzelle darin, dass sie mehr als einen pn – Übergang aufweist, um ein größeres Photonenenergiespektrum abzufangen, während die Haupteigenschaft der Dünnschichtsolarzelle dünne Filme anstelle von dicken Schichten verwendet Kosteneffizienz-Verhältnis. Ab 2010 sind MJ Solarpanels teurer als andere. Diese Unterschiede implizieren unterschiedliche Anwendungen: MJ-Solarzellen werden im Weltraum und c-Si-Solarzellen für terrestrische Anwendungen bevorzugt.

Die Wirkungsgrade von Solarzellen und Si-Solartechnologie sind relativ stabil, während die Effizienz von Solarmodulen und Multi-Junction-Technologie voranschreitet.

Messungen an MJ-Solarzellen werden üblicherweise im Labor unter Verwendung von Lichtkonzentratoren (dies ist bei den anderen Zellen oft nicht der Fall) und unter Standard-Testbedingungen (STCs) durchgeführt. STCs schreiben für terrestrische Anwendungen das AM1.5-Spektrum als Referenz vor. Diese Luftmasse (AM) entspricht einer festen Sonnenposition am Himmel von 48 ° und einer festen Leistung von 833 W / m². Daher werden spektrale Variationen von einfallendem Licht und Umgebungsparametern unter STC nicht berücksichtigt.

Folglich ist die Leistung von MJ-Solarzellen in der terrestrischen Umgebung schlechter als im Labor.Darüber hinaus sind MJ-Solarzellen so ausgelegt, dass die Ströme unter STC übereinstimmen, jedoch nicht unbedingt unter Feldbedingungen. Man kann QE (& lgr;) verwenden, um die Leistungen verschiedener Technologien zu vergleichen, aber QE (& lgr;) enthält keine Information über das Anpassen von Strömen von Subzellen. Ein wichtiger Vergleichspunkt ist vielmehr die Ausgangsleistung pro Flächeneinheit, die mit dem gleichen einfallenden Licht erzeugt wird.

Anwendungen

Ab 2010 waren die Kosten für MJ-Solarzellen zu hoch, um sie außerhalb spezialisierter Anwendungen einsetzen zu können. Die hohen Kosten sind hauptsächlich auf die komplexe Struktur und den hohen Materialpreis zurückzuführen. Mit Lichtkonzentratoren unter Beleuchtung von mindestens 400 Sonnen werden MJ-Solarkollektoren praktisch.

Wenn weniger teuere Mehrfachverbindungsmaterialien verfügbar werden, beinhalten andere Anwendungen eine Bandlücken-Technik für Mikroklimata mit unterschiedlichen atmosphärischen Bedingungen.

MJ-Zellen werden derzeit in den Mars-Rover-Missionen eingesetzt.

Die Umgebung im Raum ist ganz anders. Da es keine Atmosphäre gibt, ist das Sonnenspektrum unterschiedlich (AM0). Die Zellen haben eine schlechte Stromübereinstimmung aufgrund eines größeren Photonenflusses von Photonen über 1,87 eV gegenüber solchen zwischen 1,87 eV und 1,42 eV. Dies führt zu einem zu geringen Strom in dem GaAs-Übergang und behindert den Gesamtwirkungsgrad, da der InGaP-Übergang unterhalb des MPP-Stroms arbeitet und der GaAs-Übergang oberhalb des MPP-Stroms arbeitet. Um die Stromanpassung zu verbessern, wird die InGaP-Schicht absichtlich gedünnt, damit zusätzliche Photonen in die untere GaAs-Schicht eindringen können.

In terrestrischen Konzentrationsanwendungen reduziert die Streuung von blauem Licht durch die Atmosphäre den Photonenfluss über 1,87 eV, wodurch die Übergangsströme besser ausgeglichen werden. Strahlungsteilchen, die nicht mehr gefiltert werden, können die Zelle beschädigen. Es gibt zwei Arten von Schäden: Ionisierung und atomare Verschiebung. Dennoch bieten MJ-Zellen eine höhere Strahlungsresistenz, höhere Effizienz und einen niedrigeren Temperaturkoeffizienten.