Үш қосылысты GaAs күн элементтері: Негізгі ғарыштық фотоэлектрлік құрылымға егжей-тегжейлі шолу
Мазмұны
Кіріспе
Коммерциялық ғарыштық ұшулар өсіп келе жатқандықтан, ғарыш аппараттарына көбірек электр қуаты қажет. Ғарыштық фотоэлектрлік көптеген ғарыш аппараттары үшін негізгі қуат көзі болып табылады, сондықтан күн элементі технологиясын таңдау миссияның сәттілігіне, оның экономикалық тиімділігіне және нарықтағы бәсекеге қабілеттілігіне тікелей әсер етеді.
Қазіргі уақытта үш негізгі технологиялық бағыт бар: галлий арсениді (GaAs), p-типті гетероқұрылымды (HJT) және p-типті HJT/перовскит тандемді элементтер. Технологияның даму бағыты мен ұзақ мерзімді әлеуетін қарастыра отырып, әр бағыттың негізгі артықшылықтары мен кемшіліктерін талдай келе, GaAs әлі де көшбасшы болып қалады. Құнына қарамастан, оның теңдессіз жан-жақты өнімділігі, экстремалды ортада дәлелденген сенімділігі және құнын төмендетудің айқын және айтарлықтай мүмкіндіктері GaAs-ты қазіргі және алдағы 3-5 жылдағы жоғары құнды, жоғары сенімді коммерциялық ғарыштық миссиялар үшін ең жақсы таңдау етеді.
Үш қабатты GaAs элементтерінің артықшылықтары
Жоғары тиімділік
GaAs тыйым салынған аймағы (1.42 эВ) теориялық оңтайлы диапазонда орналасқан. Сонымен қатар, көп қабатты элементтер жоғары, орташа және төмен энергиялы фотондарды сіңіретін GaInP, GaAs және Ge қабаттарын біріктіреді, бұл олардың пайдаланатын спектрін айтарлықтай кеңейтеді. Ғарыштық фотоэлектрлік үшін соңғы үш қабатты GaAs элементтері қазір 30%-дан астам қуатты түрлендіру тиімділігіне жетеді.
Жоғары сенімділік
Күшті радиацияға төзімділік және тамаша жоғары температуралық тұрақтылық бұл элементтерді жоғары деңгейлі, ұзақ мерзімді миссиялардың негізгі қажеттіліктеріне тамаша сәйкес етеді. Өнімділік артықшылығы жоғары құнын өтеуге жеткілікті.
Орбитада ұзақ тарихы бар жетілген технология
1965 жылы бұрынғы Кеңес Одағының Venera 3 серігі GaAs элементтерін қолданған алғашқы серік болды. 1995 жылы алғашқы коммерциялық байланыс серігі MEASAT негізгі қуат көзі ретінде бір қосылысты GaAs пайдаланды, ал күн батареясының дизайны GaAs элементтерінің ғарыш аппаратының толық өмірлік цикліндегі қуат қажеттіліктерін қанағаттандыра алатынын дәлелдейтін толық деректер базасын құрды. Содан бері GaAs элементтері біртіндеп ескі элементтерді ауыстырып, ғарыш аппараттарындағы негізгі қуат өндіруші блокқа айналды, бір қосылыстан көп қосылысты дизайнға дейін дамыды.
Неліктен оны үш қосылысты құрылым ретінде жобалау керек?
Кез келген жартылай өткізгіш материал өзінің тыйым салынған зонасынан үлкен энергиясы бар фотондарды ғана тиімді жұта алады. Энергиясы тым аз фотондарды пайдалану мүмкін емес, ал энергиясы тым көп фотондар артық энергияны жылу ретінде жоғалтады (термализация шығыны). Бір қосылысты элементтің тыйым салынған зонасы күн спектріне толық сәйкес келе алмайды. Мысалы, бір қосылысты кремний элементін алайық: ол 0.3-1.1 мкм (300 нм-1100 нм) диапазонындағы фотондарды жұта алады, негізінен 0.38 мкм-0.7 мкм диапазонында жұмыс істейді. Сондықтан бір қосылысты кремний элементтерінің тиімділік шегі шектеулі, теориялық шегі шамамен 29.7%.
Үш қосылысты элемент жұмысты үш ішкі элемент арасында бөледі, күн спектрін үш сегментке бөледі, сондықтан әр ішкі элемент өзіне ең қолайлы диапазонда жұмыс істейді. Бұл термализация шығындарын да, спектрлік сәйкессіздік шығындарын да күрт төмендетеді. Теориялық тұрғыдан, көп қосылысты элементтер 50% тиімділікке жете алады, бұл бір қосылысты құрылымнан әлдеқайда жоғары.
Үш қосылысты GaAs элементінің құрылымы
Үш қосылысты GaAs элементі үш бөлікке бөлінеді: жоғарғы элемент, ортаңғы элемент және төменгі элемент. Әр бөлік әртүрлі негізгі (базалық аймақ) материалдарды пайдаланады және әртүрлі рөл атқарады.
Жоғарғы элемент
Әдетте AlGaInP / GaInP, тыйым салынған зонасы шамамен 1.8-1.9 эВ. Ол негізінен қысқа толқынды фотондарды (ультракүлгін, көк жарық) жұтады. Жоғарғы элемент жоғары энергиялы фотондарды сіңіріп, термализация шығындарын азайтады.
Ортаңғы элемент
Әдетте InGaAs немесе GaAs, тыйым салынған зонасы шамамен 1.42 эВ. Ол негізінен орташа және ұзын толқынды фотондарды (жасыл, сары, қызыл жарық) жұтады. Ортаңғы элемент орташа және ұзын толқындарды өңдейді және фототоктың көп бөлігін береді.
Төменгі элемент
Әдетте Ge, тыйым салынған зонасы шамамен 0.67 эВ. Ол негізінен ұзын толқынды фотондарды (жақын инфрақызыл) жұтады. Төменгі элемент жоғары ену қабілеті бар инфрақызыл сәулелерді ұстайды.
Енді әр қабаттың не істейтінін қарастырайық.
① Контактілі қабат
Ең сыртқы Cap қабатының дәл үстінде орналасқан, бұл металл электрод тікелей тиетін жартылай өткізгіш қабат. Ол әдетте қатты допирленген n⁺⁺-GaAs немесе n⁺⁺-GaInP болады. Оның негізгі міндеті - жанасу кедергісін төмендету; қатты допирлеу оған металл электродпен жақсы омдық жанасу құруға көмектеседі және электр шығындарын азайтады. Сондай-ақ ол белсенді аймақты қорғайды, металл электродты төмендегі нәзік белсенді аймақтан (терезе қабаты, эмиттер және т.б.) оқшаулап, процесс зақымдануын болдырмайды.
② Cap қабаты
Терезе қабатының үстінде және шағылысуға қарсы жабынның астында, шағылысуға қарсы пленка мен контактілі қабат арасында орналасқан. Ол әдетте GaAs, бірақ кейбір конструкцияларда ITO сияқты мөлдір өткізгіш оксидтер (TCO) қолданылады. Оның негізгі рөлі - «көмекші электрод» ретінде ток жинауға көмектесу, контактілі қабатпен бірге токты көлденең жинап, шығару - әсіресе жіңішке сызықты тор конструкциялары үшін пайдалы. Оның қалыңдығы мен сыну көрсеткішін оптикалық дизайнға қатысу және қосымша шағылысуға қарсы әсер беру үшін де реттеуге болады.
③ Терезе қабаты
Эмиттердің үстінде орналасқан, әдетте AlInP, AlGaInP немесе AlGaAs-тан жасалады. Оның негізгі рөлі - беттік рекомбинацияны азайту: материалдың кең жолақты болуы оның жарықты аз сіңіруін білдіреді және ол жоғары-төмен түйіспе құрып, фототудырылған тасымалдаушыларды (электрондарды) эмиттердің ішіне қарай итеріп, беттік ақаулардағы рекомбинация шығындарын азайтады. Сондай-ақ ол «қолшатыр» ретінде әрекет етіп, түйіспе аймағын электрод булануы сияқты кейінгі процестер кезінде зақымданудан қорғайды.
④ Эмиттер
Терезе қабатының астында және базаның үстінде орналасқан, базамен PN түйіспесін құрайды. Ол әдетте N-типті GaInP немесе GaAs болады. Оның негізгі рөлі - «оң электрод» ретінде әрекет етіп, фототудырылған электрондарды жинап, оларды сыртқы тізбекке өткізу. Сондай-ақ ол жарық сіңіру мен жинау арасындағы тепе-теңдікті сақтайды - қалыңдығы мен допирлеу концентрациясын мұқият реттеу арқылы ол қысқа толқынды жарықты сіңіруге жеткілікті қалың, бірақ тасымалдаушылар диффузия кезінде рекомбинацияланбайтындай тым қалың емес.
⑤ База
Эмиттердің астында және BSF қабатының үстінде орналасқан, бұл PN түйіспесінің негізгі бөлігі. Ол әдетте p-типті GaInP немесе AlGaInP болады. Негізгі жарық сіңіру аймағы ретінде ол жоғарғы элементтің «жұмыс күші» болып табылады, қысқа толқынды жарықтың (көк және ультракүлгін) көп бөлігін сіңіріп, фототудырылған электрон-тесік жұптарын жасайды және фототудырылған тесіктерді артқы BSF қабатына немесе электродқа тиімді тасымалдайды.
⑥ BSF қабаты (Артқы бет өрісі)
Негіздің астында және туннельдік қосылыстың үстінде орналасқан, артқы жағында негізбен жоғары-төмен қосылыс құрайды. Материал әдетте кең жолақты p-AlGaInP, AlGaAs және т.б. Оның негізгі рөлі - кері тасымалдаушы рекомбинациясын басу: BSF қабаты негіздің артқы жағында «кедергі» жасайды, бұл фото-генерацияланған тесіктердің артқы электродқа диффузиялану кезінде рекомбинациялануын тоқтатады, осылайша кернеу мен тиімділікті арттырады.
⑦ Шағылыстырғыш
Жоғарғы ұяшық пен ортаңғы ұяшық арасында немесе ортаңғы ұяшық пен төменгі ұяшық арасында орналасқан. Бұл жоғары және төмен сыну көрсеткіштері бар материалдардың кезектесуінен өсірілген таратылған Брэгг шағылыстырғышы (DBR), мысалы, AlAs/AlGaAs немесе AlInP/AlGaInP. Оның негізгі міндеті - жоғарғы және ортаңғы ұяшықтар сіңірмеген және қашып кетуге жақын орта және ұзын толқынды жарықты кері шағылыстыру, екінші сіңіру өтуіне мүмкіндік беру арқылы жалпы ток пен тиімділікті көтеру.
⑧ Туннельдік қосылыс
Қосалқы ұяшықтар арасында орналасқан, қатты допирленген жұқа қабаттардан (мысалы, n++GaAs / p++GaAs) жасалған. «Кванттық туннель» сияқты, ол фото-генерацияланған тасымалдаушылардың тиімді өтуіне мүмкіндік береді, әр қосалқы ұяшықты электрлік тәуелсіз ұстайды.
Ортаңғы ұяшықтың құрылымы жоғарғы ұяшыққа ұқсас, тек материалдар әртүрлі, сондықтан мұнда қайталамаймыз. Төменде төменгі ұяшықтың ерекшеліктерін қысқаша қарастырамыз.
⑨ Буферлік қабат
Төменгі ұяшық пен ортаңғы ұяшық арасында орналасқан, тор тұрақсыздығы мәселесін шешеді. Төменгі ұяшық материалы (мысалы, InGaAs) жоғарғы материалдың (мысалы, GaAs) тор тұрақтысына сәйкес келмегенде, буферлік қабат «градиентті» немесе «метаморфты тор» құрылымын пайдаланып, кернеуді біртіндеп босатады және өтетін дислокацияларды «ұстап қалады», оларды төменгі ұяшықтың белсенді аймағынан тыс ұстап, ұяшық өнімділігін жақсартады.
⑩ Төменгі ұяшық негізі
Төменгі ұяшықтың PN қосылысының «қалың» жағында орналасқан. Ол әдетте p-типті Ge субстраты. Оның негізгі функциясы - ұзын толқынды инфрақызыл жарықты сіңіру, төменгі ұяшықта фото-генерацияланған тасымалдаушыларды өндіру үшін жұмыс күші ретінде қызмет етеді.
Бірнеше ескерту
P/N типті белгілерде N++/P++ және ұқсас белгілер жеңіл және ауыр допирлеуді көрсетеді. Осы мақалада көрсетілген үш қосылысты GaAs ұяшық құрылымы жеңілдету үшін электрод құрылымын, анти-шағылысу қабаты құрылымын және ұқсас бөлшектерді қамтымайды.
Әдебиеттер:
Шағылыстырғышы бар үш қосылысты күн ұяшығы және оны дайындау әдісі - 2022-0804
InGaP/InGaAs/Ge үш қабатты күн батареясы микро-нано шағылысуға қарсы құрылымымен және оны дайындау әдісі - 2018-0425
Үш қабатты күн батареясына арналған әдіс және үш қабатты күн батареясы - 2020-11-13
Ooitech көзқарасы
Ooitech сенеді: үш қабатты GaAs элементтері күн спектрін үш ішкі элементке бөлу арқылы жоғары тиімділік пен дәлелденген сенімділікті қамтамасыз етеді, бұл оларды бүгінгі жоғары құнды ғарыштық қуат миссиялары үшін жетекші таңдауға айналдырады.
