Sel surya multi-persimpangan (MJ) menggunakan beberapa lapisan W semikonduktor (subsel) untuk menghasilkan listrik dengan efisiensi pengoperasian yang tinggi. Setiap lapisan memiliki celah pita unik W yang dirancang untuk secara efisien menyerap segmen tertentu dari spektrum matahari W . Hal ini memiliki dua keuntungan penting dibandingkan perangkat sambungan tunggal (SJ): penyerapan foton datang yang lebih luas serta ekstraksi energi yang lebih efektif dari foton-foton ini. Celah pita terendah sel MJ akan lebih rendah dibandingkan celah pita SJ pada umumnya. Oleh karena itu, sel MJ dapat menyerap foton tambahan yang memiliki energi lebih kecil dibandingkan celah pita SJ namun lebih besar dari celah pita terendahnya. Sel MJ akan menyerap foton yang sama dengan lebih efisien karena memiliki celah pita yang lebih dekat dengan energi foton akan mengurangi kehilangan termalisasi. Misalnya, celah pita SJ sebesar 1 eV hanya dapat mengekstraksi 1 eV dari foton 3 eV dengan 2 eV yang terbuang melalui peluruhan termal. Di sisi lain, sel MJ dengan celah pita atas 2 eV akan mengekstraksi energi dua kali lipat dari foton yang sama. Gambar 1 mengilustrasikan perbedaan penyerapan energi antara sel triple MJ dan sel SJ. Area berwarna menunjukkan jumlah energi yang dapat diekstraksi oleh setiap sel. Tabel 1 memberikan celah pita optimal dan efisiensi yang sesuai untuk sel MJ. Tabel tersebut mengilustrasikan bagaimana sambungan tambahan meningkatkan efisiensi maksimum . Namun, menambahkan persimpangan juga meningkatkan kompleksitas dan biaya perangkat. Perlu dicatat bahwa penggunaan konsentrator memberikan dorongan tambahan terhadap potensi efisiensi.
Contents
Produksi Tenaga Listrik
Memaksimalkan pembangkit listrik adalah tujuan perancangan sel surya. Daya (P) merupakan perkalian sederhana dari arus (I) dan tegangan (V) yang dihasilkan:
Secara keseluruhan, sel MJ akan menyerap lebih banyak foton dan menghasilkan lebih banyak pembawa dibandingkan sel SJ. Namun arus yang dihasilkan justru lebih rendah karena setiap subsel hanya menyerap foton dari segmen tertentu di spektrum matahari. Karena subsel berada dalam rangkaian seri, hukum Kirchoff W menyatakan bahwa arus perangkat dibatasi oleh arus terkecil yang dihasilkan dari subsel (lihat Pencocokan Saat Ini ). Namun, produksi daya sel MJ masih meningkat dibandingkan sel SJ karena tegangan yang jauh lebih tinggi menghasilkan lebih banyak daripada mengimbangi arus yang lebih rendah. Tidak seperti arus, tegangan bersifat aditif dan celah pita ganda berarti tegangan yang lebih tinggi diperoleh dari foton yang datang.
Keuntungan lain dari sel MJ adalah kerugian resistif yang jauh lebih rendah akibat arusnya yang lebih rendah. Rugi-rugi daya (PL) ini sama dengan kuadrat arus (I) dikalikan hambatan (R):
Hal ini sangat penting untuk sistem konsentrator yang menggunakan sel MJ karena menghasilkan arus yang sangat tinggi.
Struktur Sel MJ
Dalam sel MJ, semikonduktor dengan celah pita tertinggi digunakan sebagai lapisan atas. Kesenjangan pita kemudian dikurangi dengan setiap lapisan berikutnya. Desain ini memaksimalkan ekstraksi energi foton karena lapisan atas menyerap foton berenergi tertinggi sehingga memungkinkan foton dengan energi lebih sedikit untuk melewatinya. Setiap lapisan berikutnya kemudian mengekstraksi energi dari foton yang paling dekat dengan celah pita sehingga meminimalkan kehilangan termalisasi. Lapisan bawah kemudian menyerap semua foton yang tersisa di atas celah pitanya. Seperti yang ditunjukkan Gambar 2, efisiensi sel paling sensitif terhadap celah pita subsel bawah. Bilah kesalahan menunjukkan kisaran celah pita subsel yang akan mempertahankan efisiensi teoritis teratas dalam 1% dari ideal. Oleh karena itu, pemilihan material untuk lapisan bawah merupakan pertimbangan yang sangat penting dalam desain perangkat MJ.
Gambar 3 menunjukkan struktur rinci sel surya sambungan rangkap tiga GaInP (1,8 eV) / GaInAs (1,4 eV) / Ge (0,67 eV). Dalam desain ini lapisan jendela celah pita lebar (transparan) digunakan untuk menurunkan resistansi seri sel. Ia melakukannya dengan meningkatkan aliran lateral elektron terfotogenerasi yang mencoba mencapai kontak listrik atau persimpangan terowongan (lihat Persimpangan Terowongan). Lapisan penyangga juga digunakan antara lapisan bawah dan tengah untuk mengurangi efek ketidakcocokan kisi (lihat Pencocokan Konstan Kisi).
Pembuatan
Sel multi-persimpangan dapat dibangun secara mekanis atau monolitik . Dalam penumpukan mekanis, sekumpulan sel sambungan tunggal dengan rangkaian kontak individual dan celah pita unik ditumpuk di atas satu sama lain. Ukurannya yang besar, biaya kontak dan substrat tambahan serta kesulitan dalam menyebarkan panas menjadikan metode ini kurang disukai. Dalam sel monolitik, setiap lapisan semikonduktor dengan celah pita uniknya ditumbuhkan secara berurutan untuk membentuk satu perangkat dengan satu set kontak. Deposisi uap kimia organik logam (MOCVD W ) adalah prosedur pertumbuhan yang paling umum digunakan karena presisi, kualitas kristal tinggi, dan skalabilitasnya. Deposisi penguapan yang ditingkatkan plasma adalah metode fabrikasi lain yang mudah diskalakan dan sangat cocok untuk pertumbuhan semikonduktor dalam sel MJ.
Persimpangan Terowongan
Dalam sel monolitik, kontak positif dan negatif terletak di bagian atas dan bawah sel. Akibatnya, pembawa fotogenerasi yang dihasilkan di lapisan tengah semikonduktor harus melewati banyak lapisan tanpa bergabung kembali untuk mencapai kontak. Ini adalah salah satu kesulitan tambahan yang terkait dengan sel MJ. Persimpangan terowongan, daerah yang banyak dikotori yang menghubungkan terminal n dan p dari lapisan yang berdekatan, digunakan untuk membantu transportasi pembawa ini. Persimpangan pn ini (biasanya sambungan hetero ganda) dibuat dengan tujuan meminimalkan rugi-rugi listrik (penurunan tegangan) serta rugi-rugi optik (penyerapan foton). Yang terakhir ini dilakukan dengan menggunakan bahan sambungan terowongan celah pita lebar untuk memungkinkan foton masuk ke lapisan bawah. Namun, hal ini menyulitkan perolehan arus puncak terowongan yang tinggi sehingga penipisan lapisan penipisan melalui sambungan yang sangat terdoping (>10 19 cm -3 ) diperlukan. Desain ini mendukung penerowongan kuantum namun juga berfungsi sebagai penghalang potensial yang efektif bagi pembawa minoritas. Namun, fisika pasti di balik penerowongan kuantum belum sepenuhnya dipahami. Gambar 4 di sebelah kanan menunjukkan diagram pita persimpangan terowongan hetero ganda.
Pertimbangan Desain
Pencocokan Saat Ini
Karena hanya ada satu set kontak di bagian atas dan bawah untuk perangkat MJ monolitik, beberapa subsel dihubungkan secara seri dan harus mematuhi hukum Kirchoff saat ini. Hukum ini menyatakan bahwa arus yang masuk dan keluar dari setiap sambungan seri harus sama yang berarti sel surya MJ dibatasi oleh subsel yang menghasilkan arus paling kecil. Akibatnya, pencocokan arus untuk setiap subsel sangat penting dalam desain perangkat. Arus yang dihasilkan oleh setiap subsel bergantung pada tiga faktor:
- jumlah foton datang dengan energi lebih besar dari celah pita
- koefisien penyerapan bahan
- ketebalan lapisan
Jumlah foton yang datang dapat diatur secara kasar dengan pemilihan celah pita untuk subsel tertentu dan subsel di atasnya. Koefisien penyerapan tergantung pada bahan spesifik. Oleh karena itu, pencocokan arus subsel secara tepat dilakukan dengan menyesuaikan ketebalan lapisan. Misalnya, jika jumlah foton datang yang mencapai setiap lapisan sama, subsel dengan koefisien serapan rendah harus dibuat lebih tebal agar dapat menyerap jumlah foton yang sama (dan menghasilkan pembawa) seperti subsel lainnya.
Pencocokan arus dalam sel MJ sangat penting karena perbedaan apa pun akan mengakibatkan kerugian arus dan efisiensi yang signifikan. Semikonduktor dengan koefisien serapan yang besar bermanfaat untuk mengurangi biaya material dan jarak transportasi pembawa. Sel MJ harus dirancang secara hati-hati sehubungan dengan pemilihan celah pita dan ketebalan lapisan agar sesuai dengan arus yang dihasilkan oleh setiap subsel.
Pencocokan Konstan Kisi
Dalam perangkat MJ monolitik, setiap lapisan semikonduktor ditanam di atas satu sama lain. Namun, jika konstanta kisi kristal pada lapisan yang berdekatan tidak sesuai, hal ini akan mengakibatkan regangan kisi dan berpotensi dislokasi. Dislokasi ini menyebabkan terbentuknya cacat pada struktur kristal yang menyebabkan rekombinasi yang tidak diinginkan dan selanjutnya penurunan efisiensi sel. Oleh karena itu, akan lebih menguntungkan jika memilih bahan semikonduktor yang mempunyai konstanta kisi yang sama atau hampir serupa. Gambar 5 menunjukkan daftar semikonduktor MJ yang umum dan konstanta kisinya. Garis pirus menunjukkan konstanta kisi untuk campuran dua bahan yang terhubung.
Dapat dilihat bahwa hanya sedikit bahan yang memiliki konstanta kisi yang selaras sempurna. Karena alasan ini, sel MJ yang tidak cocok dengan kisi, atau metamorfik , mulai dikembangkan karena hal ini memungkinkan tingkat kebebasan yang jauh lebih besar dalam pemilihan semikonduktor. Potensi sel metamorf terletak pada kemampuan produsen untuk memanfaatkan bahan yang lebih murah yang juga memiliki celah pita mendekati nilai optimal untuk efisiensi teoritis maksimum. Dalam kasus tertentu, manfaat ini akan lebih besar daripada kerugian rekombinasi akibat ketidakcocokan kisi.
Selain itu, ada dua strategi utama yang digunakan untuk mengurangi efek ketidakcocokan kisi ini. Yang pertama melibatkan penggunaan lapisan penyangga antara dua bahan yang kisi-kisinya tidak cocok untuk mencocokkan konstanta kisi. Lapisan penyangga ini biasanya bertingkat yang berarti konstanta kisinya diubah secara perlahan dengan mengubah komposisi sehingga kedua ujung lapisan penyangga cocok dengan subsel yang berdekatan. Metode kedua menggunakan metode pertumbuhan terbalik untuk menghindari efek ketidakcocokan kisi jika lapisan atas cocok tetapi lapisan bawah tidak. Proses pertumbuhan dibalik dimulai dengan lapisan atas (celah pita terluas) dan menambahkan lapisan berikutnya. Substrat tempat lapisan atas ditanam kemudian digores setelahnya. Gambar 6 menunjukkan proses sel triplet MJ untuk lapisan lattice matched top (InGaP) dan middle (GaAs) dengan lattice mismatched bottom cell (InGaAs).
Bahan
Paduan III-V telah terbukti menjadi semikonduktor yang paling cocok untuk perangkat MJ karena sejumlah alasan. Pertama, celah pita paduan menjangkau rentang spektral yang memungkinkan penyerapan foton maksimum. Kedua, paduan mempunyai celah pita langsung yang berarti getaran kisi (fonon) tidak diperlukan untuk promosi elektron. Hal ini menghindari kebutuhan ketebalan lapisan tambahan untuk menghasilkan fonon sehingga mengurangi biaya material. Selain itu, paduan tersebut mempunyai koefisien serapan yang besar yang merupakan alasan lain mengapa hanya diperlukan lapisan tipis. Semikonduktor III-V dapat ditanam dalam volume tinggi dengan sifat kristalin dan optoelektronik yang tinggi sehingga dapat diterapkan untuk produksi modul surya komersial skala besar. Terakhir, paduan ini sangat keras dan memiliki ketahanan radiasi dan suhu tinggi sehingga ideal untuk aplikasi ruang angkasa dan cuaca ekstrem.
InGaN
Indium gallium nitride (InGaN) adalah paduan III-V dengan potensi besar untuk membentuk sel surya MJ yang hemat biaya dan berefisiensi sangat tinggi. Dengan memvariasikan rasio indium-gallium dalam material, celah pitanya dapat berkisar dari 0,7 eV (InN) hingga 3,4 eV (GaN) yang mencakup hampir seluruh spektrum matahari. Karena tiga elemen yang sama digunakan untuk subsel yang berbeda, proses pengendapan skala besar disederhanakan sehubungan dengan kebutuhan peralatan dan pembersihan ruang. InGaN menunjukkan pertumbuhan kolom nano yang meningkatkan panjang optik untuk meningkatkan tingkat penangkapan dan penyerapan cahaya. Struktur kolom ini juga mengurangi regangan dan cacat serta meningkatkan fleksibilitas dan ketahanan aus pada skala makro.
Referensi
Al Naser, Q dkk. Perkembangan Terakhir Sel Surya Multi-Persimpangan III-V. Kolokium Internasional ISECS tentang Komputasi, Komunikasi, Kontrol dan Manajemen , 2009.
Barnett, A dkk. 2007. Tonggak pencapaian menuju modul sel surya yang efisien 50%. Konferensi Energi Surya Fotovoltaik Eropa ke-22
Fetzer, CM dkk. 2004. Sel surya GaInP/GaInAs/Ge metamorf efisiensi tinggi yang ditanam oleh MOVPE. Jurnal Pertumbuhan Kristal . 261: 341-348
Raja RR dkk. 2007. Sel surya multijungsi GaInP/GaInAs/Ge metamorfik yang efisien sebesar 40%. Surat Fisika Terapan . 90: 183516
Lee, SH dkk. 2008. Sel Surya Multijungsi III-IV. Universitas Negeri Iowa
Marti, A dan Araujo, G. 1996. Membatasi efisiensi konversi energi fotovoltaik dalam sistem multigap. Bahan Energi Surya dan Sel Surya . 43: 203-222
Román, JM 2004. Teknologi fabrikasi sel surya III-V yang canggih, desain perangkat dan aplikasinya. Desain Sel Fotovoltaik Tingkat Lanjut .
Sherif, RA dkk. Sel surya multijungsi: sebuah alat untuk menurunkan biaya listrik untuk memusatkan sistem fotovoltaik. Proses. Konferensi Tenaga Surya 2006 .
Takomoto, T. Status Sel Surya Multijungsi dan Perkembangan Masa Depan. Konferensi CS MANTECH , 2009
Wheeldon J dkk. Persimpangan Terowongan AlGaAs Untuk Sel Surya Multi-Persimpangan Efisiensi Tinggi: Simulasi dan Pengukuran Operasi Tergantung Suhu. Pusat Penelitian Fotonik, U Ottawa.
Yamaguchi, M dkk. 2006. Sel surya multi-persimpangan dan konsentrator dengan efisiensi super tinggi. Bahan Energi Surya dan Sel Surya . 90: 18-19, hal 3068-3077
Yastrebova, N. 2007. Sel surya multi-persimpangan efisiensi tinggi: Status saat ini dan potensi masa depan. Pusat Penelitian Fotonik
- ---
Kembali ke MECH820