Многоэлементные (MJ) солнечные элементы представляют собой солнечные элементы с несколькими p-n переходами из разных полупроводниковых материалов. Каждый pn-переход каждого материала будет производить электрический ток в ответ на различные длины волн света. Использование нескольких полупроводниковых материалов позволяет поглощать более широкий диапазон длин волн, улучшая солнечный свет ячейки до эффективности преобразования электрической энергии.

Традиционные ячейки с одним соединением имеют максимальную теоретическую эффективность 33,16%. Теоретически бесконечное число соединений 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%, тогда как лабораторные примеры многоконтактных ячеек демонстрируют производительность более 46% при концентрированном солнечном свете. Коммерческие примеры тандемных клеток широко доступны при 30% при освещении одним солнцем и улучшаются примерно до 40% при концентрированном солнечном свете. Однако эта эффективность достигается за счет увеличения сложности и производственной цены. На сегодняшний день их более высокая цена и более высокое соотношение цены и производительности ограничивают их использование специальными ролями, особенно в аэрокосмической промышленности, где желательно их высокое отношение мощности к весу. В наземных приложениях эти солнечные элементы появляются в концентрирующей фотогальванике (CPV) с растущим числом установок по всему миру.

Тандемные технологии изготовления были использованы для повышения эффективности существующих конструкций. В частности, этот метод может быть применен к более дешевым тонкопленочным солнечным элементам, использующим аморфный кремний, в отличие от обычного кристаллического кремния, для получения ячейки с эффективностью 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.

Описание

Основы солнечных элементов

Традиционные фотоэлектрические элементы обычно состоят из легированного кремния с металлическими контактами, нанесенными сверху и снизу. Допирование обычно наносят на тонкий слой в верхней части ячейки, создавая pn-переход с определенной энергией запрещенной зоны, например.

Фотоны, попадающие в верхнюю часть солнечного элемента, либо отражаются, либо передаются в ячейку. Переданные фотоны имеют потенциал, чтобы дать свою энергию h νэлектрону, если h ν ≥ Eg, генерируя электронно-дырочную пару. В области истощения дрейфовое электрическое поле Edrift ускоряет как электроны, так и дырки в сторону соответствующих n-легированных и p-легированных областей (вверх и вниз соответственно).Результирующий ток Ig называется генерируемым фототоком. В квазинейтральной области электрическое поле рассеяния Escatt ускоряет дырки (электроны) в сторону п-легированной (n-легированной) области, что дает рассеянный фототок Ipscatt (Inscatt). Следовательно, из-за накопления зарядов появляется потенциал V и фототок Iph. Выражение для этого фототока получается путем добавления генерирующих и рассеянных фототоков: Iph = Ig + Inscatt + Ipscatt.

Характеристики JV (J — плотность тока, т. Е. Ток на единицу площади) солнечного элемента при освещении, получаются путем смещения характеристик JV диода в темноте вниз на Iph.Поскольку солнечные элементы предназначены для питания и не поглощают его, мощность P = V · Iph должна быть отрицательной. Следовательно, рабочая точка (Vm, Jm) расположена в области, где V> 0 и Iph <0, и выбрана для максимизации абсолютной величины мощности | P |. Механизмы потерь Теоретические характеристики солнечного элемента были впервые изучены в глубину в 60-е годы и сегодня известны как предел Шокли-Киссера. Предел описывает несколько механизмов потерь, которые присущи любой конструкции солнечных элементов. Первыми являются потери из-за излучения черного тела, механизм потерь, который влияет на любой материальный объект выше абсолютного нуля. В случае солнечных элементов при стандартной температуре и давлении эта потеря составляет около 7% от мощности. Второй - эффект, известный как «рекомбинация», где электроны, создаваемые фотоэлектрическим эффектом, соответствуют электронным дырам, оставленным предыдущими возбуждениями. В кремнии это составляет еще 10% мощности. Однако доминирующим механизмом потерь является неспособность солнечного элемента извлекать всю энергию в свете и связанную с этим проблему, что он не может извлечь какую-либо энергию из определенных фотонов. Это связано с тем, что фотоны должны обладать достаточной энергией для преодоления запрещенной зоны материала. Если фотон имеет меньше энергии, чем запрещенная зона, он вообще не собирается. Это основное соображение для обычных солнечных элементов, которые не чувствительны к большей части инфракрасного спектра, хотя это составляет почти половину мощности, исходящей от солнца. Напротив, фотоны с большей энергией, чем запрещенная зона, скажем, голубой свет, изначально выталкивают электрон в состояние высоко над запрещенной зоной, но эта дополнительная энергия теряется при столкновениях в процессе, известном как «релаксация». Эта потерянная энергия превращается в тепло в ячейке, что имеет побочный эффект дальнейшего увеличения потерь черного тела. Объединив все эти факторы, максимальная эффективность для однозонного материала, такого как обычные кремниевые элементы, составляет около 34%. То есть, 66% энергии солнечного света, попавшего в ячейку, будет потеряно. Практические проблемы еще больше уменьшают это, особенно отражение от передней поверхности или металлических клемм, с современными высококачественными ячейками около 22%. Нижние, также называемые более узкие, запрещенные материалы будут преобразовывать более длинные волны с более высокой энергией. Более высокие или более широкие запрещенные материалы преобразуют более короткую длину волны, более высокий энергетический свет. Анализ спектра AM1.5 показывает, что наилучший баланс достигается при около 1,1 эВ (около 1100 нм, в ближней инфракрасной области спектра), что очень близко к естественной запрещенной зоне в кремнии и ряду других полезных полупроводников. 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 упорядочены с уменьшающимися запрещенными зазорами, например, позволяют пропускать свет подзоны (hc / λ категории Технологии η (%) V _OC(V) I _SC(A) Вт / м t (μm) Кристаллические кремниевые ячейки монокристаллический 24,7 0,5 0.8 63 100 поликремния 20,3 0,615 8,35 211 200 Тонкие пленочные солнечные элементы Аморфный кремний 11,1 0,63 0,089 33 1 CdTe 16,5 0,86 0,029 — 5 CIGS +19,5 — — — 1 Многосекционные ячейки MJ 40,7 2,6 1,81 476 140

MJ солнечные элементы и другие фотоэлектрические устройства имеют существенные отличия (см. Таблицу выше). Физически основное свойство солнечного элемента MJ состоит из более чем одного pn-перехода, чтобы поймать более широкий энергетический спектр фотонов, в то время как основным свойством тонкопленочного солнечного элемента является использование тонких пленок вместо толстых слоев, чтобы уменьшить коэффициент рентабельности. С 2010 года солнечные панели MJ дороже других. Эти различия подразумевают разные применения: солнечные элементы MJ предпочтительнее в космических и солнечных элементах c-Si для наземных применений.

Эффективность солнечных батарей и солнечных технологий Si относительно стабильна, а эффективность солнечных модулей и технология многоразъёмных соединений прогрессируют.

Измерения на солнечных элементах MJ обычно производятся в лаборатории, используя концентраторы света (это часто бывает не для других клеток) и в стандартных условиях испытаний (STC). STC предписывают для наземных приложений спектр AM1.5 в качестве эталона. Эта воздушная масса (AM) соответствует фиксированному положению солнца в небе 48 ° и фиксированной мощности 833 Вт / м². Поэтому спектральные вариации падающего света и параметры окружающей среды не учитываются в STC.

Следовательно, производительность солнечных элементов MJ в земной среде ниже, чем в лаборатории. Кроме того, солнечные элементы MJ спроектированы таким образом, что токи соответствуют STC, но не обязательно в полевых условиях. Для сравнения характеристик различных технологий можно использовать QE (λ), но QE (λ) не содержит информации о совпадении токов субэлементов. Важной точкой сравнения является выходная мощность на единицу площади, генерируемая одним и тем же падающим светом.

Приложения

По состоянию на 2010 год стоимость солнечных батарей MJ была слишком высокой, чтобы использовать их вне специализированных приложений. Высокая стоимость в основном обусловлена ​​сложной структурой и высокой ценой материалов. Тем не менее, при использовании легких концентраторов при освещении как минимум 400 солнц, солнечные панели MJ становятся практичными.

По мере появления менее дорогостоящих материалов с несколькими переходами другие применения включают в себя технологию запрещенной зоны для микроклимата с различными атмосферными условиями.

Клетки MJ в настоящее время используются в миссиях Марса.

Окружающая среда в космосе совершенно иная. Поскольку нет атмосферы, спектр Солнца отличается (AM0). Ячейки имеют плохое совпадение тока из-за большего потока фотонов фотонов выше 1,87 эВ против тех, которые находятся между 1,87 и 1,42 эВ. Это приводит к слишком малым токам в узле GaAs и снижает общую эффективность, так как соединение InGaP работает ниже тока MPP, а соединение GaAs работает выше тока MPP. Чтобы улучшить текущее совпадение, слой InGaP намеренно разбавляется, чтобы позволить дополнительным фотонам проникать в нижний слой GaAs.

В приложениях для наземного концентрирования рассеяние голубого света атмосферой уменьшает поток фотонов выше 1,87 эВ, улучшая балансировку токов соединения. Частицы излучения, которые больше не фильтруются, могут повредить клетку. Существует два вида повреждений: ионизация и смещение атомов. Тем не менее, ячейки MJ обеспечивают более высокую радиационную стойкость, более высокую эффективность и более низкий температурный коэффициент.