Una cella fotovoltaica a più giunzioni è una cella solare con giunzioni pn multiple di diversi materiali semiconduttori. Ogni giunzione pn di ciascun materiale produce corrente elettrica in risposta a una diversa lunghezza d’onda della luce. Una cella semplice produce corrente elettrica di una singola lunghezza d’onda nello spettro della luce solare. Una cella solare a più giunzioni produrrà una corrente elettrica a più lunghezze d’onda della luce, il che aumenta l’efficienza di conversione dell’energia della luce solare in energia elettrica utilizzabile.
Le cellule mononucleate tradizionali hanno un’efficacia teorica massima del 33,16%. Teoricamente, un numero infinito di giunti avrebbe un’efficienza limite dell’86,8% sotto una luce solare altamente concentrata.

Attualmente, i migliori esempi di laboratorio di celle solari in silicio cristallino tradizionale hanno efficienze tra il 20% e il 25%, mentre gli esempi di laboratorio di celle a giunzioni multiple hanno mostrato una resa superiore al 46% in condizioni di luce solare concentrata. Gli esempi commerciali di celle tandem sono ampiamente disponibili al 30% sotto illuminazione con un sole, e migliorano intorno al 40% con la luce solare concentrata. Tuttavia, questa efficienza è ottenuta a spese di una maggiore complessità e del prezzo di produzione. Ad oggi, il suo prezzo più elevato e il suo più alto rapporto prezzo / prestazioni hanno limitato il suo uso a funzioni speciali, specialmente nel settore aerospaziale, dove è auspicabile il suo alto rapporto potenza / peso. Nelle applicazioni terrestri, queste celle solari stanno emergendo nei concentratori fotovoltaici (CPV), con un numero crescente di installazioni in tutto il mondo.

Le tecniche di produzione in tandem sono state utilizzate per migliorare le prestazioni dei progetti esistenti. In particolare, la tecnica può essere applicata a celle solari a film sottile a basso costo che utilizzano il silicio amorfo, a differenza del silicio cristallino convenzionale, per produrre una cella con un’efficienza di circa il 10% leggera e flessibile. Questo approccio è stato utilizzato da diversi fornitori commerciali, ma questi prodotti sono attualmente limitati a determinati ruoli di nicchia, come i materiali di copertura.

Le celle tradizionali a unione singola hanno un’efficienza teorica massima del 34%. In un numero teoricamente infinito di giunti, l’efficienza delle celle a più giunzioni sarebbe dell’87% sotto la luce solare altamente concentrata.

Attualmente, i migliori esempi di laboratorio di celle solari in silicio tradizionali hanno un’efficienza di circa il 25%, mentre gli esempi di laboratorio di celle a più giunzioni hanno mostrato prestazioni superiori al 43%.

Descrizione

Celle a più giunzioni
Le celle composte da più strati di materiali possono avere bande multiple e quindi rispondono a più lunghezze d’onda della luce, catturando e convertendo parte dell’energia che altrimenti andrebbe persa per il rilassamento come descritto sopra.
Ad esempio, se si avesse una cella con due bandgap in essa, una sintonizzata su luce rossa e l’altra su verde, allora l’energia extra in verde, luce ciano e blu andrebbe persa solo per il bandgap del materiale sensibile al verde, mentre l’energia del rosso, del giallo e dell’arancio andrebbe persa solo per il bandgap del materiale sensibile al rosso. Seguendo analisi simili a quelle eseguite per dispositivi single-bandgap, si può dimostrare che i bandgacks perfetti per un dispositivo a due gap sono a 1.1 eV e 1.8 eV.

Convenientemente, la luce di una particolare lunghezza d’onda non interagisce fortemente con materiali che hanno una maggiore larghezza di banda. Ciò significa che è possibile creare una cella a più giunzioni sovrapponendo i diversi materiali uno sopra l’altro, le lunghezze d’onda più corte (maggiore banda proibita) sulla “cima” e aumentando attraverso il corpo della cella. Poiché i fotoni devono passare attraverso la cella per raggiungere lo strato appropriato da assorbire, è necessario utilizzare conduttori trasparenti per raccogliere gli elettroni generati in ogni strato.

Produrre una cella tandem non è un compito facile, in gran parte dovuto alla sottigliezza dei materiali e alle difficoltà di estrazione della corrente tra gli strati. La soluzione più semplice consiste nell’utilizzare due celle solari a film sottile separate meccanicamente e quindi collegarle separatamente all’esterno della cella. Questa tecnica è ampiamente utilizzata dalle celle solari in silicio amorfo, i prodotti Uni-Solar utilizzano tre di questi strati per raggiungere efficienze attorno al 9%. Gli esempi di laboratorio che utilizzano materiali esotici a film sottile hanno dimostrato un’efficienza superiore al 30%.

La soluzione più difficile è la cella “monoliticamente integrata”, in cui la cella è costituita da un numero di strati collegati meccanicamente ed elettricamente. Queste cellule sono molto più difficili da produrre perché le caratteristiche elettriche di ogni strato devono essere accuratamente abbinate. In particolare, la fotocorrente generata in ogni strato deve essere abbinata, altrimenti gli elettroni saranno assorbiti tra gli strati. Ciò limita la loro costruzione a determinati materiali, meglio soddisfatti dai semiconduttori III-V.

Scelta materiale
La scelta dei materiali per ciascuna sottocella è determinata dai requisiti per le proprietà opto-elettroniche di retinatura, corrispondenza corrente e alte prestazioni.

Per una crescita ottimale e una qualità cristallina risultante, la costante del reticolo cristallino di ciascun materiale deve essere strettamente correlata, ottenendo dispositivi reticolari. Questo vincolo è stato leggermente allentato nelle celle solari metamorfiche di recente sviluppo che contengono un piccolo grado di disallineamento del reticolo. Tuttavia, un maggior grado di disadattamento o altre imperfezioni della crescita possono portare a difetti cristallini che causano un degrado delle proprietà elettroniche.

Poiché ogni sottocella è collegata elettricamente in serie, la stessa corrente scorre attraverso ogni giunzione. I materiali sono ordinati con bande decrescenti, E _g , permettendo alla luce sub-bandgap (hc / λ <e • E _g ) di trasmettere alle sottocelle inferiori. Pertanto, è necessario scegliere bande di banda idonee in modo tale che lo spettro di progetto possa bilanciare la generazione attuale in ciascuna delle sottocelle, raggiungendo l’attuale corrispondenza. La figura C (b) traccia l’irradiamento spettrale E (λ), che è la densità di potenza della sorgente ad una data lunghezza d’onda λ. È tracciato insieme alla massima efficienza di conversione per ogni giunzione in funzione della lunghezza d’onda, che è direttamente correlata al numero di fotoni disponibili per la conversione in fotocorrente.

Infine, gli strati devono essere elettricamente ottimali per alte prestazioni. Ciò richiede l’uso di materiali con forti coefficienti di assorbimento α (λ), un’elevata minoranza di portatori di _minoranza τ di_minoranza e mobilità elevata μ.

I valori favorevoli nella tabella sottostante giustificano la scelta dei materiali tipicamente utilizzati per le celle solari a più giunzioni: InGaP per la sottocella superiore (E _g = 1,8 – 1,9 eV), InGaAs per la sottocella centrale (E _g = 1,4 eV) e germanio per la sottocella inferiore (E _g = 0,67 eV). L’uso di Ge è principalmente dovuto al suo reticolo costante, robustezza, basso costo, abbondanza e facilità di produzione.

Poiché i diversi strati sono strettamente reticolati, la fabbricazione del dispositivo impiega tipicamente la deposizione chimica al vapore di metalli organici (MOCVD). Questa tecnica è preferibile all’epitassia del raggio molecolare (MBE) perché garantisce un’alta qualità del cristallo e una produzione su larga scala.

Materiale	E g , eV	a , nm	assorbimento (λ = 0,8 μm), 1 / μm	μ n , cm² / (V • s)	τ p , μs	Durezza (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

Elementi strutturali

Contatti metallici
I contatti metallici sono elettrodi a bassa resistività che entrano in contatto con gli strati di semiconduttore. Sono spesso in alluminio. Ciò fornisce una connessione elettrica a un carico o ad altre parti di un array di celle solari. Di solito si trovano su due lati della cella. E ‘importante essere sulla faccia posteriore in modo che l’ombra sulla superficie di illuminazione sia ridotta.

Rivestimento antiriflesso
Il rivestimento antiriflettente (AR) è generalmente composto da diversi strati nel caso di celle solari MJ. Lo strato AR superiore ha solitamente una texturazione superficiale di NaOH con diverse piramidi al fine di aumentare il coefficiente di trasmissione T , l’intrappolamento della luce nel materiale (perché i fotoni non possono facilmente uscire dalla struttura MJ a causa delle piramidi) e quindi, la lunghezza del percorso di fotoni nel materiale. ^{R diminuisce all’1%. Nel caso di due strati AR L ₁ (lo strato superiore, di solito SiO 
₂ ) e L ₂ (di solito TiO 
₂ ), ci deve essere  per avere le stesse ampiezze per i campi riflessi e n _L1 d _L1 = 4λ_min , n _L2 d _L2 = λ _min / 4 per avere la fase opposta per i campi riflessi. D’altra parte, lo spessore di ogni strato AR viene scelto anche per minimizzare la riflettanza a lunghezze d’onda per le quali la fotocorrente è la più bassa. Di conseguenza, questo massimizza J _SC facendo corrispondere le correnti delle tre sottocelle. Ad esempio, poiché la corrente generata dalla cella di fondo è maggiore delle correnti generate dalle altre celle, lo spessore degli strati AR viene regolato in modo che la trasmissione a infrarossi (IR) (che corrisponde alla cella inferiore) venga degradata mentre l’ultravioletto la trasmissione (che corrisponde alla cella superiore) viene aggiornata. In particolare, un rivestimento AR è molto importante a basse lunghezze d’onda perché, senza di esso, T sarebbe fortemente ridotto al 70%.}

Raccordi a tunnel
L’obiettivo principale delle giunzioni a tunnel è quello di fornire una bassa resistenza elettrica e una connessione otticamente a bassa perdita tra due sottocelle.

Quindi, gli elettroni possono facilmente passare attraverso la regione di svuotamento. La caratteristica JV della giunzione tunnel è molto importante perché spiega perché le giunzioni tunnel possono essere utilizzate per avere una connessione a bassa resistenza elettrica tra due giunzioni pn. La figura D mostra tre diverse regioni: la regione di tunneling, la regione di resistenza differenziale negativa e la regione di diffusione termica. La regione in cui gli elettroni possono attraversare la barriera è chiamata la regione di tunneling. Lì, la tensione deve essere sufficientemente bassa in modo che l’energia di alcuni elettroni che effettuano il tunneling sia uguale agli stati di energia disponibili sull’altro lato della barriera. Di conseguenza, la densità di corrente attraverso la giunzione del tunnel è elevata (con valore massimo di  , la densità di corrente di picco) e la pendenza vicino all’origine è quindi ripida. Quindi, la resistenza è estremamente bassa e, di conseguenza, anche la tensione. Questo è il motivo per cui le giunzioni a tunnel sono ideali per collegare due giunzioni pn senza avere una caduta di tensione. Quando la tensione è più alta, gli elettroni non possono attraversare la barriera perché gli stati energetici non sono più disponibili per gli elettroni. Pertanto, la densità di corrente diminuisce e la resistenza differenziale è negativa.L’ultima regione, denominata regione di diffusione termica, corrisponde alla caratteristica JV del solito diodo:


Per evitare la riduzione delle prestazioni delle celle solari MJ, le giunzioni a tunnel devono essere trasparenti alle lunghezze d’onda assorbite dalla prossima cella fotovoltaica, la cella centrale, cioè E_gTunnel > E _gMiddleCell .

Livello della finestra e campo della superficie posteriore
Viene utilizzato uno strato finestra per ridurre la velocità di ricombinazione superficiale S. Allo stesso modo, uno strato di campo posteriore (BSF) riduce la dispersione dei portatori verso la giunzione del tunnel. La struttura di questi due strati è la stessa: è una eterogiunzione che cattura elettroni (fori).Infatti, nonostante il campo elettrico E _d , questi non possono saltare al di sopra della barriera formata dalla eterogiunzione perché non hanno abbastanza energia, come illustrato nella figura E. Quindi, gli elettroni (fori) non possono ricombinarsi con i buchi (elettroni) e non possono diffondersi attraverso la barriera. A proposito, i layer finestra e BSF devono essere trasparenti alle lunghezze d’onda assorbite dalla successiva giunzione pn, vale a dire E _gWindow > E _gEmitter ed E _gBSF > E_gEmitter . Inoltre, la costante del reticolo deve essere vicina a quella di InGaP e lo strato deve essere altamente drogato ( n ≥ 10 ¹⁸ cm ^-3 ).

Caratteristica JV
Per la massima efficienza, ogni sottocella deve essere utilizzata con i suoi parametri JV ottimali, che non sono necessariamente uguali per ciascuna sottocella. Se sono diversi, la corrente totale attraverso la cella solare è la più bassa delle tre. Per approssimazione, si ottiene la stessa relazione per la corrente di cortocircuito della cella solare MJ: J _SC = min (J _SC1 , J _SC2 , J _SC3 ) dove J _SCi (λ) è la densità di corrente di cortocircuito a data lunghezza d’onda λ per la sottocella i .

A causa dell’impossibilità di ottenere J _SC1 , J _SC2 , J _SC3 direttamente dalla caratteristica JV totale, viene utilizzata l’efficienza quantistica QE (λ). Misura il rapporto tra la quantità di coppie di elettroni e di fori creati e i fotoni incidenti a una data lunghezza d’onda λ. Sia φ _i (λ) il flusso fotonico della corrispondente luce incidente in subcell ie QE _i (λ) sia l’efficienza quantica della sottocella i . Per definizione, questo equivale a: 

Il valore di  è ottenuto collegandolo con il coefficiente di assorbimento  , cioè il numero di fotoni assorbiti per unità di lunghezza da un materiale. Se si presume che ciascun fotone assorbito da una sottocella crea una coppia elettrone / foro (che è una buona approssimazione), ciò porta a:

 dove d _i è lo spessore della sottocella i e  è la percentuale di luce incidente che non viene assorbita dalla sottocella i .
Allo stesso modo, perché  , la seguente approssimazione può essere utilizzata:  .
I valori di {\ displaystyle V_ {OCi}}  sono quindi dati dall’equazione del diodo JV: 

Efficienza limitativa teorica
Possiamo stimare l’efficienza limitante di infinite celle solari multigonzionali ideali usando l’analisi grafica di quantum-efficiency (QE) inventata da CH Henry. Per sfruttare appieno il metodo di Henry, l’unità dell’irradianza spettrale AM1.5 dovrebbe essere convertita in quella del flusso di fotoni (cioè numero di fotoni / m ² / s). Per fare ciò, è necessario effettuare una conversione di unità intermedia dalla potenza di incidente di radiazione elettromagnetica per unità di area per energia di fotone al flusso di fotoni per energia di fotone (cioè, da [W / m ² / eV] a [numero di fotoni / m 2 / s / eV]). Per questa conversione di unità intermedia, devono essere considerati i seguenti punti: Un fotone ha un’energia distinta che è definita come segue.

(1): E _ph = h ∙ f = h ∙ (c / λ)
dove E _ph è l’energia del fotone, h è la costante di Planck (h = 6,626 * 10 ^-34 [J ∙ s]), c è la velocità della luce (c = 2.998 * 10 ⁸ [m / s]), f è frequenza [1 / s], e λ è la lunghezza d’onda.
Quindi il flusso di fotoni per energia di fotoni, dn _ph / dhν, rispetto ad una certa irradianza E [W / m ² / eV] può essere calcolato come segue.

(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 [(numero di fotoni) / (m ² ∙ s ∙ eV)]
Come risultato di questa conversione di unità intermedia, l’irradiazione spettrale AM1.5 viene fornita in unità del flusso di fotoni per energia di fotoni, [numero di fotoni / m ² / s / eV]
Sulla base del risultato sopra riportato dalla conversione dell’unità intermedia, possiamo ricavare il flusso fotonico integrando numericamente il flusso di fotoni per energia del fotone rispetto all’energia del fotone. Il flusso fotonico integrato numericamente è calcolato usando la regola trapezoidale, come segue.

(3): 
Come risultato di questa integrazione numerica, l’irradiazione spettrale AM1.5 è data in unità del flusso di fotoni, [numero di fotoni / m2 / s].

È necessario notare che non ci sono dati sul flusso di fotoni nel campo di energia del piccolo fotone da 0 eV a 0,3096 eV perché lo spettro di energia solare standard (AM1,5) per h <0,31 eV non è disponibile. Indipendentemente da questa indisponibilità dei dati, tuttavia, l’analisi grafica del QE può essere eseguita utilizzando gli unici dati disponibili con una ragionevole supposizione che i semiconduttori siano opachi per energie di fotoni maggiori della loro energia bandgap, ma trasparenti per energie di fotoni inferiori alla loro energia bandgap. Questo presupposto spiega la prima perdita intrinseca nell’efficienza delle celle solari, causata dall’incapacità delle celle solari a singola giunzione di adattarsi adeguatamente all’ampio spettro di energia solare. Tuttavia, l’attuale analisi grafica del QE non può ancora riflettere la seconda perdita intrinseca nell’efficienza delle celle solari, la ricombinazione radiativa. Per tenere conto della ricombinazione radiativa, dobbiamo prima valutare la densità della radiazione, J _rad . Secondo il metodo Shockley e Queisser, J _rad può essere approssimato come segue.

(4): 

(5): 
dove E _g è in elettronvolts e n è valutato come 3.6, il valore per GaAs. L’irradiazione termica assorbita dall’incidente J è data da J _rad con V = 0.

(6): 
La densità di corrente erogata al carico è la differenza delle densità di corrente dovute alla radiazione solare e termica assorbita e alla densità di corrente della radiazione emessa dalla superficie superiore o assorbita nel substrato. Definendo J _ph = en _ph , abbiamo

(7): J = J _ph + J _th – J _rad
Il secondo termine, J, è trascurabile rispetto a J _ph per tutti i semiconduttori con E _g . ≥ 0,3 eV, come può essere mostrato dalla valutazione della suddetta equazione J. Quindi, trascureremo questo termine per semplificare la seguente discussione. Quindi possiamo esprimere J come segue.

(8): 
La tensione a circuito aperto si trova impostando J = 0.

(9): 
Il punto di massima potenza (J _m , V _m ) si trova facendo passare la derivata  . Il risultato familiare di questo calcolo è

(10): 

(11): 
Infine, il lavoro massimo (W _m ) eseguito per fotone assorbito, Wm è dato da

(12): 
Combinando le ultime tre equazioni, abbiamo

(13): 

Usando l’equazione precedente, W _m (linea rossa) viene tracciata per diversi valori di E _g (o n _ph ).
Ora, possiamo utilizzare pienamente l’analisi QE grafica di Henry, tenendo conto delle due principali perdite intrinseche nell’efficienza delle celle solari. Le due principali perdite intrinseche sono la ricombinazione radiativa e l’incapacità delle celle solari a singola giunzione di adattarsi adeguatamente all’ampio spettro di energia solare. L’area ombreggiata sotto la linea rossa rappresenta il lavoro massimo svolto da celle solari multigonodo infinite ideali. Di conseguenza, l’efficienza limitante delle celle solari multigutone infinite ideali è valutata pari al 68,8% confrontando l’area ombreggiata definita dalla linea rossa con l’area totale di flusso di fotoni determinata dalla linea nera. (Questo è il motivo per cui questo metodo è chiamato analisi QE “grafica”.) Sebbene questo valore di efficienza limitante sia coerente con i valori pubblicati da Parrott e Vos nel 1979: 64% e 68,2% rispettivamente, c’è un piccolo divario tra il valore stimato in questo rapporto e valori di letteratura. Questa piccola differenza è probabilmente dovuta ai diversi modi di approssimare il flusso di fotoni da 0 eV a 0,3096 eV. Qui, abbiamo approssimato il flusso di fotoni da 0 eV a 0,3096 eV come lo stesso flusso di fotoni a 0,31 eV.