Célula solar GaAs de triple unión — Estructura y ventajas
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Respuesta rápida: Una célula solar de GaAs de triple unión apila tres uniones fotovoltaicas, cada una ajustada para absorber una banda diferente del espectro solar, sobre un sustrato de arseniuro de galio. Debido a que cada unión convierte solo los fotones con los que está emparejada, y la luz no utilizada pasa a la capa inferior, la pila convierte mucho más del espectro que una célula de silicio de una sola unión. Por eso las células de GaAs de triple unión superan el 30% de eficiencia bajo concentración, frente a aproximadamente el 22% al 24% del silicio convencional. La contrapartida es el costo: la epitaxia de GaAs sobre sustratos de germanio o GaAs es órdenes de magnitud más cara por vatio que el silicio, por lo que la tecnología se limita a la fotovoltaica de concentración y a las naves espaciales, donde la potencia por kilogramo importa más que el costo por vatio. Los paneles espaciales las utilizan porque la masa y el área plegada son las restricciones limitantes.
Fabricación de módulos fotovoltaicos · por Jerry, Ooitech
Introducción
A medida que el vuelo espacial comercial sigue creciendo, las naves espaciales necesitan cada vez más energía eléctrica. La fotovoltaica espacial sirve como la principal fuente de energía para la mayoría de las naves espaciales, por lo que la elección de la tecnología de células solares determina directamente si una misión tiene éxito, cuán rentable es y cuán competitiva se mantiene en el mercado.
En este momento, hay tres direcciones tecnológicas principales: arseniuro de galio (GaAs), heterounión tipo p (HJT) y células tándem de HJT tipo p/perovskita. Observando hacia dónde se dirige la tecnología y su potencial a largo plazo, y profundizando en los pros y contras principales de cada ruta, el GaAs sigue siendo la mejor opción. A pesar de los desafíos de costos, su rendimiento integral incomparable, su fiabilidad comprobada en entornos extremos y su claro y considerable margen para la reducción de costos hacen del GaAs la mejor opción para misiones espaciales comerciales de alto valor y alta fiabilidad tanto hoy como en los próximos 3-5 años.
Las Ventajas de las Células de GaAs de Triple Unión
Alta eficiencia
La banda prohibida del GaAs (1.42 eV) se encuentra justo en el rango teóricamente óptimo. Además, las células de multiunión apilan capas de GaInP, GaAs y Ge que absorben fotones de alta, media y baja energía respectivamente, lo que amplía enormemente el espectro que pueden utilizar. Las últimas células de GaAs de triple unión para fotovoltaica espacial ahora alcanzan eficiencias de conversión de potencia superiores al 30%.
Alta fiabilidad
La fuerte resistencia a la radiación y la excelente estabilidad a altas temperaturas hacen que estas células sean perfectas para las necesidades centrales de misiones de alta gama y larga duración. La ventaja de rendimiento es suficiente para compensar el mayor costo.
Tecnología madura con un largo historial en órbita
En 1965, el satélite Venera 3 de la antigua Unión Soviética se convirtió en el primero en utilizar células de GaAs. En 1995, el primer satélite de comunicaciones comercial MEASAT utilizó GaAs de unión simple como su unidad de potencia principal, y el diseño del panel solar construyó una base de datos completa que demostró que las células de GaAs podían satisfacer las necesidades de energía de todo el ciclo de vida de una nave espacial. A partir de entonces, las células de GaAs reemplazaron gradualmente a las células más antiguas como la unidad básica de generación de energía en las naves espaciales, evolucionando paso a paso desde diseños de unión simple a diseños de unión múltiple.
¿Por qué diseñarlo como una estructura de triple unión?
Cualquier material semiconductor solo puede absorber eficientemente fotones con energía mayor que su banda prohibida. Los fotones con muy poca energía no se pueden utilizar, mientras que los fotones con demasiada energía pierden el exceso como calor (pérdida por termalización). La banda prohibida de una célula de unión simple no puede coincidir perfectamente con el espectro solar. Tomemos como ejemplo una célula de silicio de unión simple: puede absorber fotones en el rango de 0.3-1.1 μm (300 nm-1100 nm), trabajando principalmente en la banda de 0.38 μm-0.7 μm. Es por eso que las células de silicio de unión simple tienen un límite de eficiencia limitado, con un límite teórico de alrededor del 29.7%.
Una célula de triple unión divide el trabajo entre tres subcélulas, cortando el espectro solar en tres segmentos para que cada subcélula opere en su banda más adecuada. Esto reduce drásticamente tanto las pérdidas por termalización como las pérdidas por desajuste espectral. En teoría, las células de unión múltiple pueden acercarse al 50% de eficiencia, mucho más alto de lo que puede ofrecer una estructura de unión simple.
La estructura de una célula de GaAs de triple unión
La célula de GaAs de triple unión se divide en tres partes: la célula superior, la célula media y la célula inferior. Cada parte utiliza diferentes materiales principales (región base) y desempeña un papel diferente.
Célula superior
Generalmente AlGaInP / GaInP, con una banda prohibida de alrededor de 1.8-1.9 eV. Absorbe principalmente fotones de longitud de onda corta (ultravioleta, luz azul). La célula superior absorbe fotones de alta energía y reduce las pérdidas por termalización.
Célula media
Generalmente InGaAs o GaAs, con una banda prohibida de alrededor de 1.42 eV. Absorbe principalmente fotones de longitud de onda media y larga (luz verde, amarilla, roja). La célula media maneja las longitudes de onda medias a largas y contribuye con la mayor parte de la fotocorriente.
Célula inferior
Generalmente Ge, con una banda prohibida de alrededor de 0.67 eV. Absorbe principalmente fotones de longitud de onda larga (infrarrojo cercano). La célula inferior captura la luz infrarroja altamente penetrante.
Ahora veamos qué hace cada capa.
① Capa de contacto
Situada justo encima de la capa Cap más externa, esta es la capa semiconductora que el electrodo metálico toca directamente. Suele estar fuertemente dopada con n⁺⁺-GaAs o n⁺⁺-GaInP. Su función principal es reducir la resistencia de contacto: el dopaje fuerte ayuda a formar un buen contacto óhmico con el electrodo metálico y reduce las pérdidas eléctricas. También protege la región activa, aislando el electrodo metálico de la delicada región activa inferior (capa ventana, emisor, etc.) para evitar daños durante el proceso.
② Capa Cap
Ubicada sobre la capa ventana y debajo del recubrimiento antirreflectante, se sitúa entre la película antirreflectante y la capa de contacto. Comúnmente es de GaAs, aunque algunos diseños utilizan óxidos conductores transparentes (TCO) como el ITO. Su función principal es ayudar en la recolección de corriente como un "electrodo auxiliar", trabajando con la capa de contacto para recolectar y conducir la corriente lateralmente, especialmente útil en diseños de rejilla de líneas finas. Su espesor e índice de refracción también se pueden ajustar para participar en el diseño óptico y proporcionar un efecto antirreflectante auxiliar.
③ Capa Ventana
Ubicada sobre el emisor, generalmente hecha de AlInP, AlGaInP o AlGaAs. Su función principal es reducir la recombinación superficial: la naturaleza de banda ancha del material significa que absorbe poca luz, y forma una unión alta-baja que empuja los portadores fotogenerados (electrones) hacia el interior del emisor, reduciendo las pérdidas por recombinación en los defectos superficiales. También actúa como un "paraguas", protegiendo la región de la unión de daños durante procesos posteriores como la evaporación de electrodos.
④ Emisor
Ubicado debajo de la capa ventana y sobre la base, formando una unión PN con la base. Generalmente es de tipo N GaInP o GaAs. Su función principal es actuar como el "electrodo positivo", recolectando electrones fotogenerados y conduciéndolos al circuito externo. También equilibra la absorción de luz con la recolección: mediante un ajuste cuidadoso del espesor y la concentración de dopaje, es lo suficientemente grueso para absorber luz de longitud de onda corta, pero no tan grueso que los portadores se recombinan durante la difusión.
⑤ Base
Ubicada debajo del emisor y sobre la capa BSF, este es el cuerpo principal de la unión PN. Generalmente es de tipo p GaInP o AlGaInP. Como la región principal de absorción de luz, es el "caballo de batalla" de la celda superior, absorbiendo la mayor parte de la luz de longitud de onda corta (azul y ultravioleta), generando pares electrón-hueco fotogenerados y transportando eficientemente los huecos fotogenerados a la capa BSF posterior o al electrodo.
⑥ Capa BSF (Campo Superficial Posterior)
Ubicada debajo de la base y encima de la unión del túnel, formando una unión alta-baja con la base en la parte posterior. El material suele ser un p-AlGaInP de banda ancha, AlGaAs, y similares. Su función principal es suprimir la recombinación de portadores inversos: la capa BSF crea una "barrera" en la parte posterior de la base que impide que los huecos fotogenerados se recombinen mientras se difunden hacia el electrodo posterior, aumentando así el voltaje y la eficiencia.
⑦ Reflector
Ubicado entre la celda superior y la celda media, o entre la celda media y la celda inferior. Es un Reflector de Bragg Distribuido (DBR) cultivado a partir de materiales alternados de alto y bajo índice de refracción, como AlAs/AlGaAs o AlInP/AlGaInP. Su función principal es reflejar la luz de longitud de onda media a larga que las celdas superior y media no han absorbido y que está a punto de escapar, permitiendo una segunda pasada de absorción que eleva la corriente y la eficiencia generales.
⑧ Unión de Túnel
Ubicada entre las subceldas, hecha de capas delgadas fuertemente dopadas (como n++GaAs / p++GaAs). Como un "túnel cuántico", permite que los portadores fotogenerados pasen eficientemente mientras mantiene cada subcelda eléctricamente independiente.
La estructura de la celda media es similar a la de la celda superior, solo que con diferentes materiales, por lo que no la repetiremos aquí. A continuación, cubrimos brevemente lo que es diferente en la celda inferior.
⑨ Capa de Amortiguación
Intercalada entre la celda inferior y la celda media, resuelve el problema de desajuste de red. Cuando el material de la celda inferior (como InGaAs) no coincide con la constante de red del material superior (como GaAs), la capa de amortiguación utiliza una estructura "graduada" o "de red metamórfica" para liberar gradualmente el estrés e "interceptar" las dislocaciones de hilo, manteniéndolas fuera de la región activa de la celda inferior y mejorando así el rendimiento de la celda.
⑩ Base de la Celda Inferior
Ubicada en el lado "grueso" de la unión PN de la celda inferior. Suele ser un sustrato de Ge tipo p. Su función principal es absorber la luz infrarroja de longitud de onda larga, sirviendo como el caballo de batalla para generar portadores fotogenerados en la celda inferior.
Algunas Notas
En las etiquetas de tipo P/N, las marcas N++/P++ y similares indican dopaje ligero versus pesado. La estructura de celda de GaAs de triple unión ilustrada en este artículo omite la estructura de electrodos, la estructura de capa antirreflectante y detalles similares por simplicidad.
Referencias:
Celda solar de triple unión con reflector y su método de fabricación - 2022-0804
Célula solar de triple unión InGaP/InGaAs/Ge con estructura antirreflectante micro-nano y su método de fabricación - 2018-0425
Un método para una célula solar de triple unión y la célula solar de triple unión - 2020-11-13
La opinión de Ooitech
Ooitech cree: las células de triple unión de GaAs, al dividir el espectro solar en tres subcélulas, ofrecen la alta eficiencia y la fiabilidad comprobada que las convierten en la opción líder para las misiones espaciales de alta potencia de hoy en día.
