Célula solar de GaAs de triple unión — Estructura y ventajas

Respuesta rápida: Una célula solar de GaAs de triple unión apila tres uniones fotovoltaicas, cada una sintonizada 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, el apilamiento convierte una porción mucho mayor del espectro que una célula de silicio de unión simple. Esta es la razón por la que 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 los vuelos espaciales comerciales siguen creciendo, las naves espaciales necesitan cada vez más energía eléctrica. La fotovoltaica espacial sirve como fuente de energía principal 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 la actualidad, existen tres direcciones tecnológicas principales: arseniuro de galio (GaAs), heterounión de tipo p (HJT) y células tándem de HJT de tipo p/perovskita. Si observamos hacia dónde se dirige la tecnología y su potencial a largo plazo, y profundizamos en los pros y contras fundamentales de cada ruta, el GaAs sigue saliendo victorioso. A pesar de los desafíos de costo, su rendimiento integral inigualable, su fiabilidad probada en entornos extremos y su margen claro y considerable para la reducción de costos hacen del GaAs la mejor opción para misiones espaciales comerciales de alto valor y alta fiabilidad, tanto hoy como durante los próximos 3 a 5 años.

Las ventajas de las células de GaAs de triple unión

Alta eficiencia

El bandgap del GaAs (1,42 eV) se sitúa justo en el rango teóricamente óptimo. Además, las células 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 alcanzan ahora eficiencias de conversión de potencia superiores al 30%.

Alta fiabilidad

Su fuerte resistencia a la radiación y su excelente estabilidad a alta temperatura hacen que estas células sean perfectas para las necesidades centrales de misiones de gama alta y larga duración. La ventaja de rendimiento es suficiente para compensar el mayor costo.

Tecnología madura con una larga trayectoria en órbita

Ya 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 energía principal, y el diseño del panel solar acumuló una base de datos completa que demostraba 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 hasta diseños multiunión.

¿Por qué diseñarla como una estructura de tres uniones?

Cualquier material semiconductor solo puede absorber eficientemente fotones con energía mayor que su bandgap. Los fotones con muy poca energía no pueden utilizarse, mientras que los fotones con demasiada energía pierden el exceso en forma de calor (pérdida por termalización). El bandgap 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 techo de eficiencia limitado, con un límite teórico de alrededor del 29,7%.

Una célula de tres uniones reparte el trabajo entre tres subcélulas, dividiendo el espectro solar en tres segmentos para que cada subcélula opere en la banda que mejor le conviene. Esto reduce drásticamente tanto las pérdidas por termalización como las pérdidas por desajuste espectral. En teoría, las células multiunión pueden acercarse al 50% de eficiencia, muy por encima 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 intermedia y la célula inferior. Cada parte utiliza diferentes materiales principales (región base) y desempeña un papel diferente.

Célula superior

Normalmente AlGaInP / GaInP, con un bandgap de alrededor de 1,8-1,9 eV. Absorbe principalmente fotones de longitud de onda corta (ultravioleta, luz azul). La célula superior absorbe los fotones de alta energía y reduce las pérdidas por termalización.

Célula intermedia

Normalmente InGaAs o GaAs, con un bandgap de alrededor de 1,42 eV. Absorbe principalmente fotones de longitud de onda media y larga (luz verde, amarilla, roja). La célula intermedia se encarga de las longitudes de onda medias a largas y contribuye con la mayor parte de la fotocorriente.

Célula inferior

Normalmente Ge, con un bandgap 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 repasemos lo que 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. Normalmente es n⁺⁺-GaAs o n⁺⁺-GaInP fuertemente dopado. Su función principal es reducir la resistencia de contacto: el dopaje fuerte le 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

Situada por encima de la capa ventana y por debajo del recubrimiento antirreflectante, entre la película antirreflectante y la capa de contacto. Comúnmente es GaAs, aunque algunos diseños utilizan óxidos conductores transparentes (TCO) como el ITO. Su función principal es ayudar a la recolección de corriente como "electrodo auxiliar", trabajando con la capa de contacto para recoger y extraer la corriente lateralmente, especialmente útil para diseños de rejilla de líneas finas. Su espesor e índice de refracción también pueden ajustarse para participar en el diseño óptico y proporcionar un efecto antirreflectante auxiliar.

③ Capa ventana

Situado por encima del emisor, generalmente fabricado de AlInP, AlGaInP o AlGaAs. Su función principal es reducir la recombinación superficial: la naturaleza de banda ancha prohibida del material hace que absorba 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

Situado por debajo de la capa ventana y por encima de la base, formando una unión PN con la base. Generalmente es GaInP o GaAs de tipo N. Su función principal es actuar como el "electrodo positivo", recolectando los electrones fotogenerados y conduciéndolos al circuito externo. También equilibra la absorción de luz frente a 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 tanto como para que los portadores se recombinan durante la difusión.

⑤ Base

Situada por debajo del emisor y por encima de la capa BSF, este es el cuerpo principal de la unión PN. Generalmente es GaInP o AlGaInP de tipo p. Como principal región de absorción de luz, es el "caballo de batalla" de la célula 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 hacia la capa BSF posterior o el electrodo.

⑥ Capa BSF (Campo de Superficie Posterior)

Situada por debajo de la base y por encima de la unión túnel, formando una unión alta-baja con la base en el lado posterior. El material suele ser un p-AlGaInP, AlGaAs de banda ancha prohibida, y similares. Su función principal es suprimir la recombinación inversa de portadores: la capa BSF crea una "barrera" en la parte posterior de la base que impide que los huecos fotogenerados se recombinen al difundirse hacia el electrodo posterior, aumentando así el voltaje y la eficiencia.

⑦ Reflector

Situado entre la célula superior y la célula media, o entre la célula media y la célula inferior. Es un Reflector Bragg Distribuido (DBR) cultivado a partir de materiales alternos de alto y bajo índice de refracción, como AlAs/AlGaAs o AlInP/AlGaInP. Su función principal es reflejar de vuelta la luz de longitud de onda media a larga que las células superior y media no han absorbido y está a punto de escaparse, permitiendo una segunda pasada de absorción que eleva la corriente y la eficiencia generales.

⑧ Unión Túnel

Situada entre las subcélulas, fabricada con capas delgadas fuertemente dopadas (como n++GaAs / p++GaAs). Como un "túnel cuántico", permite que los portadores fotogenerados pasen eficientemente mientras mantiene cada subcélula eléctricamente independiente.

La estructura de la célula media es similar a la de la célula superior, solo con materiales diferentes, por lo que no la repetiremos aquí. A continuación cubrimos brevemente lo que es diferente en la célula inferior.

⑨ Capa Tampón

Intercalada entre la célula inferior y la célula media, resuelve el problema de desajuste de red. Cuando el material de la célula inferior (como InGaAs) no coincide con la constante de red del material superior (como GaAs), la capa tampón utiliza una estructura de "red graduada" o "red metamórfica" para liberar gradualmente la tensión e "interceptar" las dislocaciones de rosca, manteniéndolas fuera de la región activa de la célula inferior y mejorando así el rendimiento de la célula.

⑩ Base de la Célula Inferior

Situada en el lado "grueso" de la unión PN de la célula inferior. Generalmente es un sustrato de Ge de tipo p. Su función principal es absorber luz infrarroja de longitud de onda larga, sirviendo como el caballo de batalla para generar portadores fotogenerados en la célula inferior.

Algunas Notas

En las etiquetas de tipo P/N, las marcas N++/P++ y similares indican dopaje ligero versus pesado. La estructura de célula GaAs de triple unión ilustrada en este artículo omite la estructura de electrodos, la estructura de capa antirreflejante y detalles similares por simplicidad.

Referencias:

• Célula solar de triple unión con un reflector y su método de fabricación - 2022-0804

• Célula solar de triple unión InGaP/InGaAs/Ge con una estructura antirreflejante 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

Ooitech cree: las uniones de recombinación de nanocristales de In₂O₃ con ingeniería de superficie combinadas con la ingeniería de HSM en volumen/interfaz han llevado los módulos tándem totalmente de perovskita de gran área a una eficiencia certificada del 26,2 %, acercando decisivamente esta tecnología a la comercialización.

Ooitech cree: las células GaAs de triple unión, al dividir el espectro solar en tres subcélulas, ofrecen la alta eficiencia y la fiabilidad probada que las convierten en la opción líder para las misiones de energía espacial de alto valor actuales.

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