출처 : energy.gov
배경
고효율 다중 접합 장치는 태양 광 대역의 특정 영역을 흡수하여 기록 효율이 45 % 이상인 태양 전지를 생성하도록 조정 된 다중 밴드 갭 또는 접합을 사용합니다. 단일 밴드 갭 태양 전지가 비 집광 태양 광으로 달성 할 수있는 이론상 최대 효율 은 약 33.5 %이며, 주로 태양 방출 광자의 광범위한 분포 때문입니다. Shockley-Queisser 한계로 알려진이 제한 효율은 태양 전지의 개방 회로 전압 (Voc)이 흡수 물질의 밴드 갭에 의해 제한되고 밴드 갭 아래의 에너지를 갖는 광자가 흡수되지 않기 때문에 발생합니다. 밴드 갭보다 큰 에너지를 갖는 광자는 흡수되지만, 밴드 갭보다 큰 에너지는 열로 손실된다.
다중 접합 장치는 고 대역 갭 상부 셀을 사용하여 고 에너지 광자를 흡수하면서 저에너지 광자를 통과시킨다. 그런 다음 밴드 갭이 약간 낮은 물질을 고 대역 갭 접합 아래에 배치하여 약간 적은 에너지 (더 긴 파장)의 광자를 흡수합니다. 전형적인 다중 접합 전지는 둘 이상의 흡수 접합을 사용하고 접합의 수에 따라 이론상 최대 효율이 증가합니다. 다중 접합 장치에 대한 초기 연구는 갈륨 인듐 포스페이트 (GaInP), 갈륨 인듐 비소 (GaInAs) 및 갈륨 비소 (GaAs)와 같은 주기율표의 III 및 V 열 요소로 구성된 반도체의 특성을 활용했습니다. III-V 반도체를 사용하는 3- 접합 장치는 집중된 햇빛을 사용하여 45 % 이상의 효율에 도달했습니다. 이 구조는 다른 태양 전지 기술로 옮겨 질 수 있으며 CIGS, CdSe, 실리콘, 유기 분자 및 기타 재료로 만든 다중 접합 셀이 연구되고 있습니다.
과거에, 다중 접합 장치는 주로 공간에서 사용되어 왔으며, 여기서는 비교적 고비용의 태양 광 기술을 사용할 수 있도록 경량 발전에 프리미엄이 적용되었습니다. 지상 애플리케이션의 경우, 이러한 반도체 기판 (예를 들어 실리콘과 비교)의 높은 비용은 주로 프레 넬 렌즈를 사용하는 현재 시스템과 함께 집중 광학을 사용하여 상쇄 될 수 있습니다. 집중 광학 장치는 태양 전지에 입사되는 빛의 양을 증가시켜 더 많은 전력 생산을 이끌어냅니다. 집중 형 광학 장치를 사용하려면 시스템 비용을 고려해야하는 이중 축 선 추적을 사용해야합니다.
연구 방향
다중 접합 III-V 전지는 경쟁 기술보다 높은 효율을 갖지만, 이러한 태양 전지는 현재의 제조 기술 및 재료 때문에 상당히 더 비싸다. 따라서, 새로운 기판 재료, 흡수제 재료, 및 제조 기술과 같은 접근법을 통해 이러한 태양 전지에 의해 생성 된 전기 비용을 낮추는 데 적극적인 연구 노력이 진행되고있다. 효율 증가; 및 다중 접합 개념을 다른 PV 기술로 확장. 또한, 이러한 태양 전지의 비용으로 인해, 다중 접합 전지를 사용하는 PV 시스템의 비용 절감을 지원하기 위해 추적 및 농축을위한 신뢰할 수있는 저비용 솔루션을 개발하는 것도 활발한 연구 분야이다.
수상자 및 아래 고효율 III-V 셀 관련 프로젝트에 대해 자세히 알아보십시오.
오하이오 주립 대학 : 콜럼버스 캠퍼스 (태양 광 연구 및 개발)
애리조나 주립대 학교 (태양 광 연구 및 개발)
오리건 대학교 (태양 광 연구 및 개발 : 소규모 혁신 프로젝트)
사우스 다코타 광산 및 기술 학교 (태양 광 연구 및 개발 : 소규모 혁신 프로젝트)
애리조나 주립 대학교 (태양 광 연구 및 개발 : 소규모 혁신 프로젝트)
nLiten Energy (태양 광 연구 및 개발 : 소규모 혁신 프로젝트)
캘리포니아 대학교 버클리 (차세대 태양 광 발전 II 프로젝트)
캘리포니아 기술 연구소 (차세대 태양 광 발전 II 프로젝트)
노스 캐롤라이나 주립 대학 (셀 효율 향상을위한 기초 프로그램)
국가 신 재생 에너지 연구소 (세포 효율 향상을위한 기초 프로그램)
오하이오 주립대 (셀 효율 향상을위한 기초 프로그램)
휴스턴 대학교 (차세대 태양 광 발전 3 프로젝트)
국가 신 재생 에너지 연구소 (차세대 태양 광 발전 3 프로젝트)
혜택
다 접합 III-V 태양 전지의 장점은 다음과 같습니다.
스펙트럼 매칭 : 고효율 셀 (> 45 %)은 특정 밴드 갭을 갖는 특정 흡수층과 태양 스펙트럼의 섹션을 매칭함으로써 제작 될 수있다.
결정 구조 : III-V 반도체의 다양한 조합은 긴 결정자 확산 길이, 캐리어 이동도 및 호환 가능한 흡수 스펙트럼을 포함하여 유사한 결정 구조와 태양 전지에 대한 이상적인 특성을 갖습니다.
생산
전통적인 다중 접합 III-V 셀은 터널 접합에 의해 직렬로 연결된 서브 셀과 함께 에피 택셜 모 놀리 식 스택으로 조립된다. 모 놀리 식 스택 (monolithic stack)에서 다중 접합 셀을 구성하는 것은 재료 제약을 초래하고, 서브 셀의 개별 층이 호환 가능한 원자 격자 위치를 갖고 격자 정합되는 경우 이러한 장치의 제작이 용이해진다. 격자 정합의 이러한 장점은 일부 III-V 합금에 격자 정합되는 Ge가 MJ의 기판 및 좁은 밴드 갭 셀로서 전통적으로 사용되는 이유이다. 격자 매칭 한계는 웨이퍼 본딩 또는 변형 버퍼층을 사용하는 추가적인 복잡성으로 극복 될 수있다.
터널 접합 층은 고도로 도핑 된 p ++ 및 n ++ 층의 인터페이스로 구성됩니다. 이들 층의 상호 작용은 공간적으로 좁은 공간 전하 영역을 초래하여, 서브 셀 사이에 전류가 흐르게한다. 서브 셀과 터널 접합 사이의 인터페이스에서 표면 상태를 패시 베이트하기 위해 윈도우 레이어 및 후면 필드로 알려진 고 대역 갭 레이어를 추가 할 수 있습니다. 패시베이션되지 않은 상태로두면 캐리어를 포착하고 재결합을 가속화 할 수 있습니다.
서브 셀이 직렬로 연결된 경우, 가장 작은 전류를 전도하는 서브 셀은 장치를 통해 흐를 수있는 최대 전류를 제한합니다. 따라서, 서브 셀의 전류를 튜닝하는 데 상당한 노력이 기울여진다. 서브 셀 간의 발광 결합은 전류 매칭 설계 요구 사항을 완화 할 수 있습니다.
다중 접합 III-V 태양 전지는 MBE (molecular-beam epitaxy) 기술을 사용하여 제조 될 수 있지만, 대형 금속 유기 화학 기상 증착 (MOCVD) 반응기에서의 제조는 GaInP / GaInAs / Ge 장치의 상업적 규모 생산에 일반적이다. 수소 캐리어 가스에서 트리메틸 갈륨 (Ga (CH3) 3), 트리메틸 인듐 (InC3H9), 아르 신 (AsH3) 및 포스 핀 (PH3)으로부터 층을 성장시킬 수 있으며, 셀렌 화수소 (H2Se), 실란 (SiH6), 및 디 에틸 아연 ((C2H5) 2Zn). 집중 광학 장치를 사용하면 개별 셀이 연필 끝의 크기만큼 작아 질 수 있습니다. 따라서, 이들 기술은 수백 개의 태양 전지가 단일 배치로 성장 될 수있게한다. 세포의 크기를 더 줄이고 단일 웨이퍼로부터 성장할 수있는 세포의 수를 증가시키기위한 연구가 진행되고 있으며, 이는 세포 당 비용을 감소시키는 데 도움이 될 것이다.
