Kenaikan kos tenaga merupakan pemacu utama untuk membangunkan sumber tenaga baharu, menjadikan teknologi seperti fotovoltaik semikonduktor III-V lebih kompetitif. Walaupun secara tradisinya mahal, sel solar III-V adalah teknologi fotovoltaik paling cekap yang tersedia. Kelemahan utama mereka termasuk sintesis yang kompleks, fabrikasi peranti, dan kebergantungan pada unsur yang agak jarang seperti Indium (In) dan Galium (Ga). Sebaliknya, kelebihan mereka berpunca daripada kejuruteraan jurang jalur yang fleksibel merentasi sebatian binari hingga kuaternari, jurang jalur langsung yang membolehkan pekali penyerapan tinggi, dan pancaran cahaya yang cekap. Ini menjadikannya sesuai untuk aplikasi kecekapan tinggi, secara sejarahnya di angkasa (di mana berat dan kebolehpercayaan adalah utama) dan semakin meningkat dalam sistem pemekat daratan. Dokumen ini memberi tumpuan kepada aspek bahan dan reka bentuk untuk memaksimumkan kecekapan.
Bahagian ini memperincikan bahan asas dan teknik fabrikasi untuk sel solar III-V.
Semikonduktor III-V adalah sebatian unsur Kumpulan III (B, Al, Ga, In) dan Kumpulan V (N, P, As, Sb). Rajah 1 (diterangkan kemudian) memetakan sebatian utama seperti GaAs, InP, GaInP, dan GaInAsP berdasarkan pemalar kekisi dan jurang jalur mereka. GaAs dan InP adalah substrat biasa, dengan jurang jalur hampir ideal untuk penukaran solar. Pertumbuhan padanan kekisi pada substrat ini adalah penting untuk mengelakkan kecacatan teraruh terikan yang merosakkan prestasi.
Epitaksi Wap Metalorganik (MOVPE) dan Epitaksi Rasuk Molekul (MBE) adalah teknik utama untuk menumbuhkan struktur III-V berbilang lapisan berkualiti tinggi. Kaedah ini membolehkan kawalan tepat ke atas komposisi, pendopan, dan ketebalan lapisan pada skala atom, yang penting untuk reka bentuk pelbagai simpang yang kompleks.
Menumbuhkan bahan dengan pemalar kekisi yang berbeza (contohnya, GaAs pada Si) memperkenalkan terikan. Teknik seperti lapisan penimbal bergred atau pertumbuhan metamorfik digunakan untuk menguruskan terikan ini, membolehkan pelbagai kombinasi bahan yang lebih luas untuk pasangan jurang jalur optimum dalam sel pelbagai simpang, walaupun dengan peningkatan kerumitan.
Bahagian ini menggariskan prinsip fizik yang mengawal operasi dan kecekapan sel solar.
Foton dengan tenaga melebihi jurang jalur ($E > E_g$) mencipta pasangan elektron-lubang. Tenaga berlebihan biasanya hilang sebagai haba ($\Delta E = h\nu - E_g$), satu mekanisme kehilangan asas. Meminimumkan kehilangan termalisasi ini adalah motivasi utama untuk sel pelbagai simpang.
Kawasan pemancar dan tapak didop dengan kuat untuk mencipta medan elektrik. Dalam kawasan kuasi-neutral ini, proses utama adalah resapan dan penyusunan semula pembawa. Jangka hayat pembawa minoriti dan panjang resapan yang tinggi adalah kritikal untuk mengumpul pembawa yang dijana sebelum mereka menyusun semula.
Kawasan susutan pada simpang p-n adalah di mana medan elektrik terbina dalam memisahkan pasangan elektron-lubang terjana foto. Lebarnya dikawal oleh tahap pendopan dan mempengaruhi kecekapan pengumpulan pembawa.
Dalam bahan jurang jalur langsung seperti kebanyakan III-V, penyusunan semula radiatif (songsangan penyerapan) adalah ketara. Di bawah pencahayaan tinggi (contohnya, pemekatan), ini boleh membawa kepada kitar semula foton, di mana foton yang dipancarkan semula diserap semula, berpotensi meningkatkan voltan—satu kelebihan unik bahan III-V berkualiti tinggi.
Persamaan diod ideal, diubah suai untuk fotocurrent, membentuk asas: $J = J_0[\exp(qV/nkT)-1] - J_{ph}$, di mana $J_{ph}$ adalah ketumpatan fotocurrent, $J_0$ adalah arus tepu gelap, dan $n$ adalah faktor keidealan. Meminimumkan $J_0$ (melalui kualiti bahan tinggi) dan memaksimumkan $J_{ph}$ (melalui penyerapan dan pengumpulan yang baik) adalah matlamatnya.
Untuk simpang tunggal, kecekapan maksimum teori (had Shockley-Queisser) adalah sekitar 33-34% di bawah cahaya matahari pekat. Sel GaAs, dengan jurang jalur ~1.42 eV, menghampiri had ini dengan rapat, menunjukkan kecemerlangan bahan III-V untuk peranti simpang tunggal.
Sifat bahan yang unggul (jurang jalur langsung, penyerapan tinggi, $J_0$ rendah) membolehkan sel simpang tunggal III-V beroperasi hampir dengan had termodinamik mereka. Peningkatan kecekapan utama selanjutnya memerlukan pergerakan melampaui satu jurang jalur tunggal.
Menyusun simpang dengan jurang jalur yang berbeza adalah laluan terbukti untuk melepasi had simpang tunggal.
Dengan bilangan jurang jalur yang tidak terhingga dan padanan sempurna, had kecekapan teori di bawah pemekatan melebihi 85%. Sel 3-4 simpang praktikal mempunyai had teori dalam julat 50-60%.
Cabaran utama adalah mencari bahan dengan jurang jalur yang dikehendaki yang juga padanan kekisi (atau boleh ditumbuhkan secara metamorfik) dan mempunyai sifat elektronik yang baik. Pencarian untuk sel "tengah" 1.0-1.2 eV yang optimum masih berterusan.
Satu contoh klasik adalah sel tiga simpang padanan kekisi GaInP/GaAs/Ge. GaInP (~1.85 eV) menyerap foton tenaga tinggi, GaAs (~1.42 eV) menyerap spektrum tengah, dan Ge (~0.67 eV) bertindak sebagai sel bawah jurang jalur rendah. Padanan arus antara simpang adalah kritikal.
Sel tiga simpang metamorfik terbalik (IMM) terkini, menggunakan komposisi seperti GaInP/GaAs/GaInAs, telah mencapai kecekapan disahkan melebihi 47% di bawah cahaya matahari pekat (rekod Makmal Tenaga Boleh Diperbaharui Kebangsaan (NREL)). Ini menunjukkan kuasa kejuruteraan jurang jalur melampaui kekangan kekisi.
Seni bina pelbagai simpang adalah juara yang tidak dipertikaikan untuk kecekapan fotovoltaik puncak. Bahan III-V adalah unik sesuai untuk ini kerana kebolehubahan jurang jalur dan kualiti bahan tinggi mereka, walaupun pada kos yang tinggi.
Struktur nano (telaga kuantum, titik, wayar) menawarkan laluan masa depan yang berpotensi untuk kejuruteraan jurang jalur lanjutan dalam satu sistem bahan tunggal atau untuk mencipta sel solar jalur pertengahan. Walau bagaimanapun, cabaran dalam pengekstrakan pembawa dan peningkatan penyusunan semula berkaitan kecacatan kini menghadkan kecekapan praktikal mereka berbanding reka bentuk pelbagai simpang pukal matang.
Sel solar III-V mewakili kemuncak kecekapan penukaran fotovoltaik, didorong oleh sifat bahan yang luar biasa dan kejuruteraan jurang jalur yang canggih. Kos tinggi mereka mengekang mereka kepada pasaran khusus (angkasa, fotovoltaik pemekat) dan penyelidikan asas. Kemajuan masa depan bergantung pada strategi pengurangan kos dan meneroka konsep baharu seperti struktur nano.
Pandangan Teras: Sektor PV III-V adalah kes klasik teknologi yang terperangkap dalam niche "prestasi tinggi, kos tinggi". Evolusinya mencerminkan sektor khusus seperti pengkomputeran prestasi tinggi, di mana kecekapan melampau mewajarkan ekonomi premium tetapi penembusan pasaran massa masih sukar difahami. Tesis utama kertas ini—bahawa keunggulan bahan membolehkan rekod kecekapan—adalah betul tetapi tidak lengkap tanpa analisis kos-faedah yang tegas terhadap gergasi silikon.
Aliran Logik: Dokumen ini betul membina dari asas bahan (jurang jalur, pemalar kekisi) ke fizik peranti (penyusunan semula, simpang) dan akhirnya ke seni bina peringkat sistem (susunan pelbagai simpang). Ini adalah pedagogi kejuruteraan yang kukuh. Walau bagaimanapun, ia menganggap kos sebagai nota kaki sekunder dan bukannya halangan utama kepada penerimaan. Aliran yang lebih kritikal ialah: 1) Kecekapan apa yang mungkin secara fizikal? 2) Berapa kos untuk mencapainya? 3) Di mana keluk kos-prestasi itu bersilang dengan permintaan pasaran? Kertas ini cemerlang pada #1, melirik #2, dan mengabaikan #3.
Kekuatan & Kelemahan: Kekuatan kertas ini adalah penerangan berwibawa dan terperinci tentang "bagaimana" di sebalik rekod kecekapan III-V, merujuk konsep utama seperti had Shockley-Queisser dan kitar semula foton. Kelemahannya adalah kekurangan konteks komersial. Sebagai contoh, semasa membincangkan "unsur yang agak jarang (In, Ga)", ia tidak mengukur risiko rantaian bekalan atau turun naik harga, yang kritikal untuk pelabur. Bandingkan ini dengan fokus tanpa henti industri PV silikon pada metrik $/Watt, didokumenkan dalam laporan tahunan dari institusi seperti Peta Jalan Teknologi Antarabangsa untuk Fotovoltaik (ITRPV). Konsep reka bentuk kertas ini kekal, tetapi analisis pasarnya sudah lapuk, kurang menekankan kenaikan mendadak dan keruntuhan kos terkini tandem perovskit-silikon, yang kini mengancam untuk mencapai kecekapan serupa pada pecahan kos III-V, seperti dilaporkan oleh kumpulan penyelidikan di Oxford PV dan KAUST.
Pandangan Boleh Tindak: Untuk pemegang kepentingan industri, jalan ke hadapan bukan hanya epitaksi yang lebih baik. Pertama, berputar ke model hibrid. Masa depan III-V mungkin bukan sebagai panel berdiri sendiri tetapi sebagai sel atas ultra-cekap dalam tandem tersusun mekanikal atau terikat wafer dengan silikon atau perovskit, memanfaatkan prestasi III-V dan substrat kos rendah teknologi rakan kongsi. Kedua, terima pembuatan yang mengganggu. Penyelidikan ke dalam pertumbuhan wafer langsung, spalling untuk penggunaan semula substrat (seperti dipelopori oleh syarikat seperti Alta Devices), dan MOVPE berkeluaran tinggi mesti diutamakan. Ketiga, sasarkan pasaran asimetri. Daripada mengejar PV daratan umum, tingkatkan aplikasi di mana kecekapan secara langsung diterjemahkan kepada penjimatan peringkat sistem yang besar: angkasa (di mana setiap gram dikira), kenderaan udara tanpa pemandu (UAV), dan pemasangan yang sangat terhad tanah. Analisis dalam kertas ini menyediakan pelan teknikal; industri kini mesti melaksanakan inovasi model perniagaan untuk sepadan.
Kecekapan teras ($\eta$) sel solar dikawal oleh keseimbangan antara penjanaan foto dan kehilangan penyusunan semula: $$\eta = \frac{J_{sc} \times V_{oc} \times FF}{P_{in}}$$ di mana $J_{sc}$ adalah ketumpatan arus litar pintas, $V_{oc}$ adalah voltan litar terbuka, $FF$ adalah faktor pengisian, dan $P_{in}$ adalah kuasa insiden.
Kunci kepada $V_{oc}$ tinggi adalah meminimumkan arus tepu gelap $J_0$: $$V_{oc} = \frac{nkT}{q} \ln\left(\frac{J_{sc}}{J_0} + 1\right)$$ Untuk bahan III-V, $J_0$ didominasi oleh penyusunan semula radiatif: $J_{0,rad} \propto \exp(-E_g/kT)$. Jurang jalur langsung mereka membawa kepada $J_{0,rad}$ yang lebih tinggi daripada Si tidak langsung, tetapi di bawah suntikan tinggi (pemekatan), ini menjadi kelebihan kerana kitar semula foton, secara efektif mengurangkan $J_0$ bersih dan meningkatkan $V_{oc}$ melebihi ramalan klasik.
Untuk sel pelbagai simpang dengan $m$ simpang, jumlah arus dihadkan oleh fotocurrent terkecil ($J_{ph, min}$) dalam susunan bersambung siri: $$J_{total} \approx J_{ph, min}$$ $$V_{total} = \sum_{i=1}^{m} V_{oc,i}$$ Reka bentuk optimum memerlukan padanan arus dengan menala jurang jalur dan ketebalan setiap subsell dengan teliti kepada spektrum solar.
Penerangan Rajah 1 (Berdasarkan Teks): Carta seminal memplot tenaga jurang jalur suhu bilik (300K) (eV) terhadap pemalar kekisi (Å) untuk semikonduktor III-V utama (contohnya, GaAs, InP, GaP, InAs, AlAs) dan aloi ternari/kuaternari mereka (seperti GaInAsP). Satu jalur mendatar berlorek mewakili julat jurang jalur boleh ubah untuk komposisi GaInAsP. Kedudukan substrat biasa (Si, GaAs, InP) ditanda. Yang penting, paksi kanan bertindih spektrum solar daratan (AM1.5), menunjukkan fluks foton atau ketumpatan kuasa terhadap tenaga foton. Visualisasi ini dengan kuat menunjukkan bagaimana jurang jalur sebatian III-V utama (contohnya, ~1.42 eV untuk GaAs, ~1.34 eV untuk InP) sejajar dengan kuasa spektrum puncak, sementara keluarga aloi boleh direkayasa untuk meliputi hampir keseluruhan spektrum berguna dari ~0.7 eV hingga ~2.2 eV, membolehkan reka bentuk pelbagai simpang optimum.
Sumber: Carta Kecekapan Sel Penyelidikan Terbaik Makmal Tenaga Boleh Diperbaharui Kebangsaan (NREL).
Kes: Menilai Bahan Sel Tengah Baharu untuk Susunan 4 Simpang
Langkah Kerangka:
Kerangka ini bergerak melampaui pemilihan jurang jalur mudah kepada penilaian holistik kualiti optoelektronik dan kebolehintegrasian.