स्रोत: energy.gov
पृष्ठभूमि
उच्च दक्षता वाले मल्टीजंक्शन डिवाइस कई बैंडगैप या जंक्शनों का उपयोग करते हैं, जो सौर कोशिकाओं के एक विशिष्ट क्षेत्र को अवशोषित करने के लिए ट्यून होते हैं, जिससे सौर कोशिकाओं को 45% से अधिक रिकॉर्ड क्षमता वाले सौर सेल बनाते हैं। एक एकल-बैंडगैप सौर सेल गैर-केंद्रित सूर्य के प्रकाश के साथ प्राप्त कर सकता है कि अधिकतम सैद्धांतिक दक्षता लगभग 33.5% है, मुख्य रूप से सौर उत्सर्जित फोटॉनों के व्यापक वितरण के कारण। Shockley-Queisser सीमा के रूप में ज्ञात यह सीमित दक्षता, इस तथ्य से उत्पन्न होती है कि सौर सेल के ओपन-सर्किट वोल्टेज (Voc) को अवशोषित सामग्री के बैंडगैप द्वारा सीमित किया जाता है और बैंडगैप के नीचे ऊर्जा वाले फोटॉन अवशोषित नहीं होते हैं। बैंडगैप से अधिक ऊर्जा वाले फोटोज अवशोषित होते हैं, लेकिन बैंडगैप से अधिक ऊर्जा गर्मी के रूप में खो जाती है।
मल्टीजंक्शन डिवाइस उच्च-ऊर्जा फोटॉनों को अवशोषित करने के लिए एक उच्च-बैंडगैप शीर्ष सेल का उपयोग करते हैं, जबकि कम-ऊर्जा फोटॉन को गुजरने की अनुमति देते हैं। थोड़ा कम बैंडगैप के साथ एक सामग्री तब फोटॉन को थोड़ी कम ऊर्जा (लंबे तरंग दैर्ध्य) के साथ अवशोषित करने के लिए उच्च-बैंडगैप जंक्शन के नीचे रखा जाता है। ठेठ मल्टीजंक्शन कोशिकाएं दो या अधिक अवशोषित जंक्शनों का उपयोग करती हैं, और जंक्शनों की संख्या के साथ सैद्धांतिक अधिकतम दक्षता बढ़ जाती है। मल्टीजंक्शन उपकरणों के प्रारंभिक अनुसंधान ने अर्धचालक के गुणों का लाभ उठाया, जिसमें आवर्त सारणी के तृतीय और वी कॉलम जैसे गैलियम इंडियम फॉस्फेट (GaInP), गैलियम इंडियम आर्सेनाइड (GaAs) और गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) के तत्व शामिल थे। III-V सेमीकंडक्टर्स का उपयोग करने वाले तीन-जंक्शन डिवाइस केंद्रित सूर्य के प्रकाश का उपयोग करके 45% से अधिक की क्षमता तक पहुंच गए हैं। इस वास्तुकला को अन्य सौर सेल प्रौद्योगिकियों में भी स्थानांतरित किया जा सकता है, और CIGS, CdSe, सिलिकॉन, कार्बनिक अणुओं और अन्य सामग्रियों से बने बहुक्रिया कोशिकाओं की जांच की जा रही है।
अतीत में, बहुक्रिया उपकरणों का उपयोग मुख्य रूप से अंतरिक्ष में किया गया है, जहां हल्के विद्युत उत्पादन पर एक प्रीमियम रखा गया है, जो इस अपेक्षाकृत उच्च लागत वाली सौर प्रौद्योगिकी के उपयोग की अनुमति देता है। स्थलीय अनुप्रयोगों के लिए, इन सेमीकंडक्टर सब्सट्रेट्स (सिलिकॉन की तुलना में, उदाहरण के लिए) की उच्च लागत को ध्यान केंद्रित ऑप्टिक्स का उपयोग करके ऑफसेट किया जा सकता है, जिसमें वर्तमान सिस्टम मुख्य रूप से फ्रेस्नेल लेंस का उपयोग कर रहा है। ध्यान केंद्रित करने वाले प्रकाशिकी सौर सेल पर प्रकाश की घटना की मात्रा में वृद्धि करते हैं, इस प्रकार अधिक बिजली उत्पादन के लिए अग्रणी होते हैं। ध्यान केंद्रित प्रकाशिकी का उपयोग करने के लिए दोहरी-अक्ष सन-ट्रैकिंग के उपयोग की आवश्यकता होती है, जिसे सिस्टम की लागत में विभाजित किया जाना चाहिए।
अनुसंधान के निर्देश
यद्यपि बहुक्रिया III-V कोशिकाओं में प्रतिस्पर्धी प्रौद्योगिकियों की तुलना में अधिक क्षमता है, लेकिन वर्तमान निर्माण तकनीकों और सामग्रियों के कारण ऐसी सौर कोशिकाएं काफी अधिक महंगी हैं। इसलिए, सक्रिय अनुसंधान प्रयासों को नई सब्सट्रेट सामग्री, अवशोषक सामग्री और निर्माण तकनीक विकसित करने जैसे दृष्टिकोणों के माध्यम से इन सौर कोशिकाओं द्वारा उत्पन्न बिजली की लागत को कम करने के लिए निर्देशित किया जाता है; बढ़ती दक्षता; और अन्य पीवी प्रौद्योगिकियों के लिए बहुक्रिया अवधारणा का विस्तार। इसके अलावा, इस तरह के सौर कोशिकाओं की लागत के कारण, ट्रैकिंग और एकाग्रता के लिए विश्वसनीय कम-लागत समाधान विकसित करना भी मल्टीजंक्शन कोशिकाओं का उपयोग करके पीवी सिस्टम के लिए लागत में कटौती का समर्थन करने के लिए अनुसंधान के सक्रिय क्षेत्र हैं।
नीचे दिए गए उच्च दक्षता III-V कोशिकाओं से जुड़े पुरस्कार विजेताओं और परियोजनाओं के बारे में अधिक जानें।
ओहियो स्टेट यूनिवर्सिटी: कोलंबस कैम्पस (फोटोवोल्टिक्स रिसर्च एंड डेवलपमेंट)
एरिज़ोना स्टेट यूनिवर्सिटी (फोटोवोल्टिक्स रिसर्च एंड डेवलपमेंट)
ओरेगन विश्वविद्यालय (फोटोवोल्टिक विज्ञान अनुसंधान और विकास: सौर में लघु नवीन परियोजनाएं)
दक्षिण डकोटा स्कूल ऑफ माइंस एंड टेक्नोलॉजी (फोटोवोल्टिक्स रिसर्च एंड डेवलपमेंट: स्मॉल इनोवेटिव प्रोजेक्ट्स इन सोलर)
एरिज़ोना स्टेट यूनिवर्सिटी (फोटोवोल्टिक्स रिसर्च एंड डेवलपमेंट: स्मॉल इनोवेटिव प्रोजेक्ट्स इन सोलर)
nLiten Energy (फोटोवोल्टिक अनुसंधान और विकास: सौर में लघु नवीन परियोजनाएं)
कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले (अगली पीढ़ी के फोटोवोल्टिक द्वितीय परियोजनाएं)
कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (अगली पीढ़ी के फोटोवोल्टिक्स II प्रोजेक्ट्स)
नार्थ कैरोलिना स्टेट यूनिवर्सिटी (एडवांस सेल एफिशिएंसी का संस्थापक कार्यक्रम)
राष्ट्रीय अक्षय ऊर्जा प्रयोगशाला (एडवांस सेल दक्षता के लिए संस्थापक कार्यक्रम)
ओहियो स्टेट यूनिवर्सिटी (एडवांस सेल एफिशिएंसी के लिए संस्थापक कार्यक्रम)
ह्यूस्टन विश्वविद्यालय (अगली पीढ़ी के फोटोवोल्टिक 3 परियोजनाएं)
राष्ट्रीय अक्षय ऊर्जा प्रयोगशाला (अगली पीढ़ी के फोटोवोल्टिक 3 परियोजनाएं)
लाभ
मल्टीजंक्शन III-V सौर कोशिकाओं के लाभों में शामिल हैं:
स्पेक्ट्रम मिलान: उच्च दक्षता कोशिकाओं (> 45%) को विशिष्ट स्पेक्ट्रम परतों के साथ सौर स्पेक्ट्रम के मिलान वर्गों द्वारा विशिष्ट बैंडगैप के साथ निर्मित किया जा सकता है।
क्रिस्टल संरचना: III-V सेमीकंडक्टर्स के विभिन्न संयोजनों में समान क्रिस्टल संरचनाएं और सौर कोशिकाओं के लिए आदर्श गुण हैं, जिसमें लंबी एक्साइटन प्रसार लंबाई, वाहक गतिशीलता और संगत अवशोषण स्पेक्ट्रा शामिल हैं।
उत्पादन
पारंपरिक मल्टीजंक्शन III-V कोशिकाओं को एक एपिटैक्सियल मोनोलिथिक स्टैक में इकट्ठा किया जाता है, जो टनल जंक्शनों के माध्यम से श्रृंखला में जुड़े उप-भागों के साथ होता है। सामग्री बाधाओं में एक अखंड सेल में एक बहुक्रिया सेल का निर्माण, और इस तरह के उपकरणों को गढ़ने की सुविधा है अगर उप-परतों की व्यक्तिगत परतों में संगत परमाणु जाली स्थान होते हैं और जाली मिलान होते हैं। जाली मिलान का यह फायदा है कि क्यों जीई, जो कि कुछ III-V मिश्र धातुओं से मेल खाती है, पारंपरिक रूप से एमजे के सब्सट्रेट और संकीर्ण बैंडगैप सेल के रूप में उपयोग किया जाता है। जाली मिलान सीमाएं वेफर बॉन्डिंग या मेटामॉर्फिक बफर परतों का उपयोग करके अतिरिक्त जटिलता के साथ दूर की जा सकती हैं।
सुरंग-जंक्शन परत का निर्माण अत्यधिक डॉप्ड पी ++ और एन ++ परतों के इंटरफेस द्वारा किया गया है। इन परतों के परस्पर संपर्क से एक स्थानिक रूप से संकीर्ण स्थान-प्रभारी क्षेत्र उत्पन्न होता है, जो वर्तमान को उपचरों के बीच प्रवाह करने की अनुमति देता है। हाई-बैंडगैप लेयर, जिसे विंडो लेयर्स और बैक-सरफेस फिल्ड्स के रूप में जाना जाता है, को एक सबसेल और टनल जंक्शन के बीच इंटरफेस में सरफेस स्टेट्स को जोड़ने के लिए जोड़ा जा सकता है, जिसे यदि छोड़ दिया जाता है, तो वाहक फंस सकते हैं और पुनर्संयोजन में तेजी ला सकते हैं।
यदि सबस्केल श्रृंखला में जुड़े हुए हैं, तो जो सबस्लेट सबसे छोटी धारा का संचालन करता है वह अधिकतम प्रवाह को सीमित करता है जो डिवाइस के माध्यम से प्रवाह कर सकता है। इसलिए, उपचरों की धारा को ट्यूनिंग करने पर काफी प्रयास किया जाता है। सबस्केल के बीच Luminescent युग्मन वर्तमान-मिलान डिज़ाइन आवश्यकताओं में से कुछ को आराम दे सकता है।
मल्टीजंक्शन III-V सौर कोशिकाओं को आणविक-बीम एपिटॉक्सी (MBE) तकनीकों का उपयोग करके गढ़ा जा सकता है, लेकिन बड़े धातु-कार्बनिक रासायनिक-वाष्प जमाव (MOCVD) रिएक्टरों में निर्माण GaIn / GaInAs / Ge उपकरणों के व्यावसायिक-पैमाने पर उत्पादन के लिए विशिष्ट है। एक हाइड्रोजन वाहक गैस में ट्राइमेथाइलगैलियम (गा (सीएच 3) 3), ट्राइमेथिलिंडियम (इनसी 3 एच 9), आर्सिन (एसएच 3), और फॉस्फीन (पीएच 3) से परतें उगाई जा सकती हैं और हाइड्रोजन सेलेनाइड (एच 2 एस), सिलेन (सीआईएच 6) जैसे डोपेंट का उपयोग कर सकते हैं। और डायथाइल जिंक ((C2H5) 2Zn)। ध्यान केंद्रित प्रकाशिकी का उपयोग करने से व्यक्तिगत कोशिकाएं काफी छोटी हो जाती हैं - कई बार, पेंसिल के सिरे के आकार जितनी छोटी होती हैं। इसलिए, ये तकनीक एकल बैचों में सैकड़ों सौर कोशिकाओं को विकसित करने की अनुमति देती हैं। कोशिकाओं के आकार को कम करने और एकल वेफर से उगाई जाने वाली कोशिकाओं की संख्या को बढ़ाने के लिए अनुसंधान किया जा रहा है, जो प्रति सेल लागत को कम करने में मदद करेगा।
