Многосекционная фотогальваническая ячейка представляет собой солнечный элемент с несколькими pn переходами из разных полупроводниковых материалов. Каждый pn-переход каждого материала производит электрический ток в ответ на другую длину волны света.Простая ячейка производит электрический ток одной длины волны в спектре солнечного света.Многолучевой солнечный элемент ячейки будет генерировать электрический ток на нескольких длинах волн света, что увеличивает эффективность преобразования энергии солнечного света в полезную электрическую энергию.
Традиционные одноцелевые клетки имеют максимальную теоретическую эффективность 33,16%. Теоретически, бесконечное количество суставов будет иметь предельный КПД 86,8% при высококонцентрированном солнечном свете.

В настоящее время лучшие лабораторные примеры традиционных солнечных элементов из кристаллического кремния имеют эффективность от 20 до 25%, в то время как лабораторные примеры многокомпонентных клеток показали выход, превышающий 46% при концентрированном солнечном свете. Коммерческие примеры тандемных клеток широко доступны до 30% при освещении одним солнцем и улучшаются примерно до 40% при концентрированном солнечном свете. Однако эта эффективность достигается за счет большей сложности и производственной цены. На сегодняшний день его более высокая цена и более высокое соотношение цена / производительность ограничивают его использование специальными функциями, особенно в аэрокосмическом секторе, где желательно высокое соотношение мощности / веса. В земных приложениях эти солнечные элементы появляются в фотогальванических концентраторах (CPV) с увеличением числа установок по всему миру.

Тандемные технологии производства были использованы для повышения эффективности существующих конструкций. В частности, этот метод может быть применен к недорогим тонкопленочным солнечным элементам, которые используют аморфный кремний, в отличие от обычного кристаллического кремния, для получения ячейки с эффективностью около 10%, которая является легкой и гибкой. Этот подход использовался несколькими коммерческими поставщиками, но в настоящее время эти продукты ограничены определенными нишевыми ролями, такими как кровельные материалы.

Традиционные одновитковые ячейки имеют максимальную теоретическую эффективность 34%. В теоретически бесконечном числе суставов эффективность многосоставных ячеек составляла бы 87% при высококонцентрированном солнечном свете.

В настоящее время лучшие лабораторные примеры традиционных кремниевых солнечных элементов имеют эффективность около 25%, в то время как лабораторные примеры многоконтактных ячеек показали производительность выше 43%.

Описание

Многосекционные ячейки
Клетки, выполненные из слоев нескольких материалов, могут иметь несколько запрещенных зон и поэтому будут реагировать на несколько длин волн света, захватывая и преобразуя часть энергии, которая в противном случае была бы потеряна для релаксации, как описано выше.
Например, если у кого-то была ячейка с двумя зазорами в ней, одна была настроена на красный свет, а другая на зеленый, тогда дополнительная энергия в зеленом, голубом и голубом свете была бы потеряна только для запрещенной зоны зеленого материала, в то время как энергия красного, желтого и оранжевого цветов будет потеряна только в запрещенной зоне красно-чувствительного материала. После анализа, аналогичного проведенному для однополосных устройств, можно продемонстрировать, что идеальные запрещенные зоны для двухзонного устройства составляют 1,1 эВ и 1,8 эВ.

Удобно, что свет определенной длины волны сильно не взаимодействует с материалами, имеющими большую запрещенную зону. Это означает, что вы можете сделать многоразъемную ячейку, накладывая различные материалы друг на друга, самые короткие длины волн (самая большая запрещенная зона) на «вершине» и увеличиваясь через тело клетки. Поскольку фотоны должны проходить через ячейку, чтобы достичь надлежащего слоя, который должен быть поглощен, необходимо использовать прозрачные проводники для сбора электронов, генерируемых на каждом слое.

Изготовление тандемной ячейки — непростая задача, в основном из-за тонкости материалов и трудностей с извлечением тока между слоями. Легким решением является использование двух механически отдельных тонкопленочных солнечных элементов, а затем их проводки отдельно отдельно от ячейки. Этот метод широко используется в аморфных кремниевых солнечных элементах, продукты Uni-Solar используют три таких слоя для достижения эффективности около 9%. Лабораторные примеры с использованием более экзотических тонкопленочных материалов продемонстрировали эффективность более 30%.

Более сложным решением является «монолитно интегрированная» ячейка, в которой ячейка состоит из нескольких слоев, которые механически и электрически соединены. Эти клетки намного сложнее производить, поскольку электрические характеристики каждого слоя должны быть тщательно подобраны. В частности, необходимо подбирать фототок, генерируемый в каждом слое, иначе электроны будут поглощаться между слоями. Это ограничивает их конструкцию некоторыми материалами, лучше всего удовлетворяемыми полупроводниками III-V.

Выбор материала
Выбор материалов для каждой подячейки определяется требованиями к согласованности по решетке, согласованию по току и высокоэффективным оптоэлектронным свойствам.

Для оптимального роста и получения качества кристалла постоянная кристаллической решетки a каждого материала должна быть точно согласована, что приводит к устройствам, подобранным решеткой. Это ограничение было несколько ослаблено в недавно разработанных метаморфических солнечных элементах, которые содержат небольшую степень несоответствия решетки. Однако большая степень несоответствия или другие несовершенства роста могут приводить к дефектам кристалла, вызывающим деградацию электронных свойств.

Поскольку каждая подячейка электрически соединена последовательно, один и тот же ток течет через каждое соединение. Материалы упорядочиваются с уменьшающимися запрещенными зазорами E _g , что позволяет пропускать подзонный зазор ( hc / λ <e • E _g ) для передачи в нижние под-ячейки. Поэтому подходящие запреты должны выбираться таким образом, чтобы проектный спектр уравновешивал генерацию тока в каждой из подэлементов, достигая соответствия тока. На рисунке C (b) показана спектральная освещенность E (λ), которая является плотностью мощности источника при заданной длине волны λ. Он строится вместе с максимальной эффективностью преобразования для каждого перехода в зависимости от длины волны, которая непосредственно связана с количеством фотонов, доступных для преобразования в фототок.

Наконец, слои должны быть электрически оптимальными для высокой производительности.Это требует использования материалов с сильными коэффициентами поглощения α (λ), временем жизни носителей с наименьшим числом носителей τ и меньшими подвижностями μ.

Благоприятные значения в приведенной ниже таблице оправдывают выбор материалов, обычно используемых для многосоставных солнечных элементов: InGaP для верхней подкатегории (E _g = 1,8 — 1,9 эВ), InGaAs для средней подсетечки (E _g = 1,4 эВ) и германия для нижней подкатегории (E _g = 0,67 эВ). Использование Ge в основном связано с его постоянной решетки, надежностью, низкой стоимостью, изобилием и простотой производства.

Поскольку различные слои тесно согласованы с решеткой, в изготовлении устройства обычно используется металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD). Этот метод предпочтительнее молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE), поскольку он обеспечивает высокое качество кристаллов и крупномасштабное производство.

материал	E g , эВ	a , нм	поглощение (λ = 0,8 мкм), 1 мкм	μ n , см² / (V • с)	τ p , μs	твердость (Моос)	α, μm / K	S , м / с
с-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

Структурные элементы

Металлические контакты
Металлические контакты представляют собой электроды с низким удельным сопротивлением, которые контактируют с полупроводниковыми слоями. Они часто являются алюминием. Это обеспечивает электрическое соединение с нагрузкой или другими частями массива солнечных элементов. Обычно они находятся с двух сторон клетки. И важно быть на заднем лице, чтобы затенение на поверхности освещения уменьшилось.

Антибликовое покрытие
Антибликовое покрытие (AR) обычно состоит из нескольких слоев в случае солнечных элементов MJ. Верхний слой AR обычно имеет текстуру поверхности NaOH с несколькими пирамидами, чтобы увеличить коэффициент пропускания T , захват света в материале (поскольку фотоны не могут легко выйти из структуры MJ из-за пирамид), и поэтому длина пути фотонов в материале. ^{R уменьшается до 1%. В случае двух слоев AR L ₁ (верхний слой, обычно SiO 
₂ ) и L ₂ (обычно TiO 
₂ ), должно быть  иметь одинаковые амплитуды для отраженных полей и n _L1 d_L1 = 4λ _min , n _L2 d _L2 = λ _min / 4, чтобы иметь противоположную фазу для отраженных полей. С другой стороны, толщина каждого слоя AR также выбирается так, чтобы минимизировать коэффициент отражения на длинах волн, для которых фототок является самым низким. Следовательно, это максимизирует J _SC путем согласования токов трех подъячеек. В качестве примера, поскольку ток, генерируемый нижней ячейкой, больше токов, генерируемых другими ячейками, толщина слоев AR регулируется так, что инфракрасная (ИК) передача (которая соответствует нижней ячейке) ухудшается, тогда как ультрафиолетовый передача (которая соответствует верхней ячейке) обновляется. В частности, покрытие AR очень важно на низких длинах волн, потому что без него T будет сильно уменьшено до 70%.}

Туннельные соединения
Основная цель туннельных соединений — обеспечить низкое электрическое сопротивление и оптически низкое соединение между двумя подъячейками.

Следовательно, электроны могут легко туннелировать через область истощения.Характеристика СП, характерная для туннельного перехода, очень важна, поскольку объясняет, почему туннельные соединения могут быть использованы для соединения с низким электрическим сопротивлением между двумя pn-переходами. На рисунке D показаны три различные области: область туннелирования, область отрицательного дифференциального сопротивления и область термической диффузии. Область, в которой электроны могут туннелировать через барьер, называется туннельной областью. Там напряжение должно быть достаточно низким, так что энергия некоторых электронов, которые являются туннелирующими, равна состояниям энергии, имеющимся на другой стороне барьера.Следовательно, плотность тока через туннельный переход высока (с максимальным значением  , плотность пикового тока) и наклон вблизи источника, поэтому крутой. Тогда сопротивление очень низкое и, следовательно, напряжение тоже. Именно поэтому туннельные соединения идеально подходят для соединения двух pn-переходов без падения напряжения.Когда напряжение выше, электроны не могут пересечь барьер, потому что энергетические состояния больше не доступны для электронов. Поэтому плотность тока уменьшается, а дифференциальное сопротивление отрицательно. Последняя область, называемая областью тепловой диффузии, соответствует СП-характеристике обычного диода:


Чтобы избежать снижения характеристик солнечных элементов MJ, туннельные соединения должны быть прозрачными для длин волн, поглощаемых следующей фотогальванической ячейкой, средней ячейкой, то есть E _gTunnel > E _gMiddleCell .

Оконный слой и поле обратной поверхности
Для уменьшения скорости рекомбинации поверхности S используется оконный слой.Аналогично, слой поверхности задней поверхности (BSF) уменьшает рассеяние носителей в направлении туннельного перехода. Структура этих двух слоев одинакова: это гетеропереход, который захватывает электроны (дырки). Действительно, несмотря на электрическое поле E _d , они не могут прыгать выше барьера, образованного гетеропереходом, потому что они не имеют достаточной энергии, как показано на рисунке E. Следовательно, электроны (дырки) не могут рекомбинировать с дырками (электронами) и не могут диффундировать через барьер.Кстати, слои окна и BSF должны быть прозрачными для длин волн, поглощаемых следующим pn-соединением, т.е. E _gWindow > E _gEmitter и E _gBSF > E _gEmitter . Кроме того, постоянная решетки должна быть близка к константе InGaP, и слой должен быть сильно легированным ( n≥ 10 ¹⁸ см ^-3 ).

Характеристика СП
Для максимальной эффективности каждая подэлементная система должна работать с оптимальными параметрами JV, которые не обязательно равны для каждой подъячейки. Если они различны, общий ток через солнечный элемент является самым низким из трех.Посредством аппроксимации это приводит к тому же соотношению тока короткого замыкания солнечного элемента MJ: J _SC = min (J _SC1 , J _SC2 , J _SC3 ), где J _SCi (λ) — плотность тока короткого замыкания на заданной длины волны λ для подъячейки i .

Из-за невозможности получить J _SC1 , J _SC2 , J _SC3 непосредственно из общей JV-характеристики используется квантовая эффективность QE (λ). Он измеряет соотношение между количеством создаваемых электронно-дырочных пар и падающими фотонами при заданной длине волны λ. Пусть φ _i (λ) — поток фотонов соответствующего падающего света в подъячейке i и QE _i (λ) — квантовая эффективность подъячейки i . По определению это соответствует: 

Значение  получается путем связывания его с коэффициентом поглощения  , т. е. количество фотонов, поглощаемых на единицу длины материалом. Если предположить, что каждый фотон, поглощаемый подъячейкой, создает пар электрон / дырка (что является хорошим приближением), это приводит к:

 где d _i — толщина подъячейки i и  представляет собой процент падающего света, который не поглощается субэлементом i .
Аналогичным образом, поскольку  , можно использовать следующее приближение:  ,
Значения {\ displaystyle V_ {OCi}}  затем задаются уравнением диода JV: 

Теоретическая предельная эффективность
Мы можем оценить предельную эффективность идеальных бесконечных многосвязных солнечных элементов с использованием графического квантово-эффективного (QE) анализа, изобретенного CH Генри. Чтобы полностью использовать метод Генри, единица спектральной интенсивности AM1.5 должна быть преобразована в спектральную составляющую потока фотонов (т. Е. Количество фотонов / м ² / с). Для этого необходимо осуществить переход промежуточной единицы от мощности электромагнитного излучения, падающего на единицу площади на энергию фотона, к потоку фотонов на энергию фотонов (т. Е. От [Вт / м ² / эв] до [числа фотоны / м 2 / с / эВ]). Для этого промежуточного преобразования единиц необходимо учитывать следующие моменты: фотон имеет определенную энергию, которая определяется следующим образом.

(1): E _ph = h ∙ f = h ∙ (c / λ)
где E _ph — энергия фотона, h — постоянная Планка (h = 6,626 * 10 ^-34 [J ∙ s]), c — скорость света (c = 2,998 * 10 ⁸ [м / с]), f — частота [1 / s], λ — длина волны.
Тогда поток фотонов на энергию фотонов dn _ph / dhν по отношению к определенной освещенности E [Вт / м ² / эв] можно рассчитать следующим образом.

(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 [(количество фотонов) / (m ² ∙ s ∙ eV)]
В результате этого преобразования промежуточной единицы спектральная интенсивность AM1.5 задается в единицах потока фотонов на энергию фотонов [количество фотонов / м ² / с / эВ]
Основываясь на приведенном выше результате преобразования промежуточной единицы, мы можем получить поток фотонов путем численного интегрирования потока фотонов на энергию фотона относительно энергии фотонов. Численно интегрированный поток фотонов рассчитывается с использованием правила Трапеции, следующим образом.

(3): 
В результате этого численного интегрирования спектральная интенсивность AM1.5 задается в единице потока фотонов [число фотонов / м2 / с].

Следует отметить, что нет данных о потоках фотонов в диапазоне энергий малых фотонов от 0 эВ до 0,3096 эВ, поскольку стандартный (солнечный энергетический спектр AM1.5) для hν <0,31 эВ недоступен. Однако независимо от этой недоступности данных графический анализ QE может быть сделан с использованием только доступных данных с разумным допущением, что полупроводники непрозрачны для энергий фотонов, превышающих их энергию запрещенной зоны, но прозрачные для энергий фотонов меньше, чем их энергия запрещенной зоны. Это предположение объясняет первую внутреннюю потерю эффективности солнечных элементов, что обусловлено неспособностью односоставных солнечных элементов должным образом соответствовать широкому спектру солнечной энергии. Однако текущий графический анализ QE по-прежнему не может отражать вторую внутреннюю потерю эффективности солнечных элементов, радиационную рекомбинацию. Чтобы учитывать радиационную рекомбинацию, сначала необходимо оценить плотность излучательного тока, J _rad . Согласно методу Шокли и Киссера, J _rad можно аппроксимировать следующим образом.

(4): 

(5): 
где E _g находится в электронных вольтах, а n оценивается как 3,6, значение для GaAs.Падающее поглощенное тепловое излучение J _th дается J _rad с V = 0.

(6): 
Плотность тока, доставляемая на нагрузку, представляет собой разность плотностей тока из-за поглощения солнечного и теплового излучения и плотности тока излучения, излучаемого с верхней поверхности или поглощаемого в подложке. Определяя J _ph = en _ph , мы имеем

(7): J = J _ph + J _th — J _rad
Второй член, J _th , пренебрежимо мал по сравнению с J _ph для всех полупроводников с E _g . ≥ 0,3 эВ, что может быть показано путем оценки вышеуказанного J- _го уравнения. Таким образом, мы будем пренебрегать этим термином, чтобы упростить следующее обсуждение.Тогда мы можем выразить J следующим образом.

(8): 
Напряжение разомкнутой цепи определяется установкой J = 0.

(9): 
Максимальная точка мощности (J _m , V _m ) определяется путем свертывания производного  , Знакомый результат этого расчета

(10): 

(11): 
Наконец, максимальная работа (W _m ), выполненная на поглощенный фотон, Wm задается формулой

(12): 
Объединяя последние три уравнения, мы имеем

(13): 

Используя приведенное выше уравнение, W _m (красная линия) нанесена на график для разных значений E _g (или n _ph ).
Теперь мы можем полностью использовать графический анализ КЭ Генри с учетом двух основных внутренних потерь в эффективности солнечных элементов. Двумя основными внутренними потерями являются радиационная рекомбинация, а неспособность солнечных элементов с одним соединением должным образом соответствовать широкому спектру солнечной энергии. Заштрихованная область под красной линией представляет собой максимальную работу, выполняемую идеальными бесконечными многолучевыми солнечными батареями. Следовательно, предельная эффективность идеальных бесконечных многосоставных солнечных элементов оценивается в 68,8% путем сравнения заштрихованной области, определенной красной линией, с общей площадью фотонного потока, определяемой черной линией. (Вот почему этот метод называется «графическим» анализом QE.) Хотя это предельное значение эффективности согласуется со значениями, опубликованными Парроттом и Вос в 1979 году: 64% и 68,2% соответственно, существует небольшой разрыв между оценочным значением в этот отчет и литературные ценности. Это незначительное различие, скорее всего, связано с различными способами приближения потока фотонов от 0 эВ до 0,3096 эВ. Здесь мы аппроксимировали поток фотонов от 0 эВ до 0,3096 эВ так же, как поток фотонов при 0,31 эВ.