Sumber: energy.gov
LATAR BELAKANG
Perangkat multijungsi efisiensi tinggi menggunakan beberapa celah pita, atau persimpangan, yang disetel untuk menyerap wilayah spesifik dari spektrum surya untuk membuat sel surya yang memiliki efisiensi rekaman lebih dari 45%. Efisiensi teoritis maksimum yang dapat dicapai oleh sel surya celah tunggal dengan sinar matahari tidak terkonsentrasi adalah sekitar 33,5%, terutama karena distribusi luas foton yang dipancarkan matahari. Efisiensi pembatas ini, yang dikenal sebagai batas Shockley-Queisser, muncul dari kenyataan bahwa tegangan rangkaian terbuka (Voc) sel surya dibatasi oleh celah pita dari bahan yang menyerap dan bahwa foton dengan energi di bawah celah pita tidak diserap. Foton yang memiliki energi lebih besar dari celah pita diserap, tetapi energi yang lebih besar dari celah pita hilang sebagai panas.
Perangkat multijunction menggunakan sel atas celah pita tinggi untuk menyerap foton berenergi tinggi sambil memungkinkan foton berenergi rendah melewatinya. Bahan dengan celah pita sedikit lebih rendah kemudian ditempatkan di bawah persimpangan celah pita tinggi untuk menyerap foton dengan energi yang sedikit lebih sedikit (panjang gelombang lebih panjang). Sel multi fungsi multifungsi menggunakan dua atau lebih sambungan penyerap, dan efisiensi maksimum teoretis meningkat dengan jumlah persimpangan. Penelitian awal ke perangkat multi fungsi memanfaatkan sifat semikonduktor yang terdiri dari unsur-unsur dalam kolom III dan V dari tabel Periodik, seperti gallium indium phosphate (GaInP), gallium indium arsenide (GaInAs), dan gallium arsenide (GaAs). Perangkat tiga persimpangan menggunakan semikonduktor III-V telah mencapai efisiensi lebih besar dari 45% menggunakan sinar matahari pekat. Arsitektur ini juga dapat ditransfer ke teknologi sel surya lainnya, dan sel multi fungsi yang terbuat dari CIGS, CdSe, silikon, molekul organik, dan bahan lainnya sedang diselidiki.
Di masa lalu, perangkat multijungsi terutama telah digunakan di ruang angkasa, di mana ada premium ditempatkan pada pembangkit listrik ringan, yang memungkinkan untuk penggunaan teknologi surya yang relatif mahal ini. Untuk aplikasi terestrial, biaya tinggi dari substrat semikonduktor ini (dibandingkan dengan silikon, misalnya) dapat diimbangi dengan menggunakan optik berkonsentrasi, dengan sistem saat ini terutama menggunakan lensa Fresnel. Optik berkonsentrasi meningkatkan jumlah insiden cahaya pada sel surya, sehingga mengarah pada lebih banyak produksi daya. Menggunakan optik berkonsentrasi memerlukan penggunaan pelacakan matahari poros ganda, yang harus diperhitungkan dalam biaya sistem.
ARAH PENELITIAN
Meskipun sel-sel Multijunction III-V memiliki efisiensi yang lebih tinggi daripada teknologi yang bersaing, sel surya tersebut jauh lebih mahal karena teknik dan bahan fabrikasi saat ini. Oleh karena itu, upaya penelitian aktif diarahkan untuk menurunkan biaya listrik yang dihasilkan oleh sel surya ini melalui pendekatan seperti mengembangkan bahan substrat baru, bahan penyerap, dan teknik fabrikasi; meningkatkan efisiensi; dan memperluas konsep multijungsi ke teknologi PV lainnya. Selain itu, karena biaya sel surya tersebut, pengembangan solusi biaya rendah yang dapat diandalkan untuk pelacakan dan konsentrasi juga merupakan bidang penelitian aktif untuk mendukung pengurangan biaya untuk sistem PV menggunakan sel multijunction.
Pelajari lebih lanjut tentang penerima penghargaan dan proyek yang melibatkan sel III-V efisiensi tinggi di bawah ini.
Universitas Negeri Ohio: Kampus Columbus (Penelitian dan Pengembangan Fotovoltaik)
Arizona State University (Penelitian dan Pengembangan Fotovoltaik)
University of Oregon (Penelitian dan Pengembangan Photovoltaics: Proyek Inovatif Kecil di Solar)
Sekolah Pertambangan dan Teknologi Dakota Selatan (Penelitian dan Pengembangan Fotovoltaik: Proyek Inovatif Kecil dalam Tenaga Surya)
Arizona State University (Penelitian dan Pengembangan Fotovoltaik: Proyek Inovatif Kecil dalam Tenaga Surya)
nLiten Energy (Penelitian dan Pengembangan Fotovoltaik: Proyek Inovatif Kecil dalam Tenaga Surya)
University of California, Berkeley (Proyek Next Generation Photovoltaics II)
California Institute of Technology (Proyek Next Photovoltaics II Generasi Berikutnya)
North Carolina State University (Program Dasar untuk Meningkatkan Efisiensi Sel)
Laboratorium Energi Terbarukan Nasional (Program Dasar untuk Meningkatkan Efisiensi Sel)
Ohio State University (Program Dasar untuk Meningkatkan Efisiensi Sel)
University of Houston (Proyek Photovoltaics 3 Generasi Selanjutnya)
Laboratorium Energi Terbarukan Nasional (Proyek Photovoltaics 3 Generasi Selanjutnya)
MANFAAT
Manfaat sel surya multijunction III-V meliputi:
Pencocokan spektrum: Sel dengan efisiensi tinggi (> 45%) dapat dibuat dengan mencocokkan bagian-bagian dari spektrum surya dengan lapisan penyerap spesifik yang memiliki celah pita spesifik.
Struktur kristal: Berbagai kombinasi semikonduktor III-V memiliki struktur kristal yang serupa dan sifat ideal untuk sel surya, termasuk panjang difusi exciton panjang, mobilitas pembawa, dan spektrum serapan yang kompatibel.
PRODUKSI
Sel-sel III-V multijungsi tradisional dirakit dalam tumpukan monolitik epitaxial dengan subel yang dihubungkan secara seri melalui persimpangan terowongan. Membangun sel multijungsi dalam tumpukan monolitik menghasilkan kendala material, dan membuat perangkat tersebut difasilitasi jika lapisan individu subkunci memiliki posisi kisi atom yang kompatibel dan kisi yang cocok. Keuntungan dari pencocokan kisi ini adalah mengapa Ge, yang merupakan kisi yang cocok dengan beberapa paduan III-V, secara tradisional digunakan sebagai substrat dan sel pita celah sempit dalam MJ's. Keterbatasan pencocokan kisi dapat diatasi dengan kompleksitas tambahan menggunakan ikatan wafer atau lapisan penyangga metamorf.
Lapisan tunnel-junction dibangun oleh antarmuka lapisan p ++ dan n ++ yang sangat didoping. Interaksi dari lapisan-lapisan ini menghasilkan wilayah ruang-muatan yang sempit secara spasial, yang memungkinkan arus mengalir di antara sub-sel. Lapisan celah pita tinggi, yang dikenal sebagai lapisan jendela dan bidang permukaan belakang, dapat ditambahkan ke keadaan permukaan pasif pada antarmuka antara subsel dan persimpangan terowongan, yang jika dibiarkan tidak terklasifikasi, dapat menjebak pembawa dan mempercepat rekombinasi.
Jika subkabel terhubung secara seri, subsel yang melakukan arus terkecil membatasi arus maksimum yang dapat mengalir melalui perangkat. Oleh karena itu, upaya yang cukup besar dilakukan untuk menyetel arus subkunci. Kopling luminescent antara subkellel dapat melonggarkan beberapa persyaratan desain yang sesuai saat ini.
Sel surya Multijunction III-V dapat dibuat menggunakan teknik molekul-balok epitaksi (MBE), tetapi pembuatan dalam reaktor deposisi uap kimia-logam besar-organik (MOCVD) adalah khas untuk produksi skala komersial perangkat GaInP / GaInAs / Ge. Lapisan dapat tumbuh dari trimethylgallium (Ga (CH3) 3), trimethylindium (InC3H9), arsine (AsH3), dan phosphine (PH3) dalam gas pembawa hidrogen dan menggunakan dopan seperti hidrogen selenide (H2Se), silane (SiH6), dan dietil seng ((C2H5) 2Zn). Menggunakan optik yang berkonsentrasi memungkinkan setiap sel menjadi cukup kecil — kadang-kadang, sekecil ukuran ujung pensil. Oleh karena itu, teknik-teknik ini memungkinkan ratusan sel surya untuk tumbuh dalam batch tunggal. Penelitian sedang dilakukan untuk lebih mengurangi ukuran sel dan meningkatkan jumlah sel yang dapat tumbuh dari wafer tunggal, yang akan membantu mengurangi biaya per sel.
