ট্রিপল-জাংশন GaAs সোলার সেল: মূলধারার স্পেস ফটোভোলটাইক কাঠামোর বিস্তারিত বিবরণ

ভূমিকা

বাণিজ্যিক মহাকাশযান ক্রমাগত বৃদ্ধি পাওয়ায়, মহাকাশযানের আরও বেশি বৈদ্যুতিক শক্তির প্রয়োজন হয়। মহাকাশ ফটোভোল্টাইকস বেশিরভাগ মহাকাশযানের প্রধান শক্তির উৎস হিসেবে কাজ করে, তাই সোলার সেল প্রযুক্তির পছন্দ সরাসরি মিশনের সাফল্য, খরচ-কার্যকারিতা এবং বাজারে প্রতিযোগিতামূলক অবস্থান নির্ধারণ করে।

বর্তমানে, তিনটি প্রধান প্রযুক্তিগত দিক রয়েছে: গ্যালিয়াম আর্সেনাইড (GaAs), পি-টাইপ হেটেরোজাংশন (HJT), এবং পি-টাইপ HJT/পেরোভস্কাইট ট্যান্ডেম সেল। প্রযুক্তির গতিপথ এবং দীর্ঘমেয়াদী সম্ভাবনা বিবেচনা করে, এবং প্রতিটি পথের মূল সুবিধা ও অসুবিধা বিশ্লেষণ করে, GaAs এখনও শীর্ষে রয়েছে। খরচের চ্যালেঞ্জ সত্ত্বেও, এর অতুলনীয় সামগ্রিক কর্মক্ষমতা, চরম পরিবেশে প্রমাণিত নির্ভরযোগ্যতা এবং খরচ কমানোর স্পষ্ট ও যথেষ্ট সুযোগ GaAs কে বর্তমান এবং আগামী ৩-৫ বছরের জন্য উচ্চ-মূল্য, উচ্চ-নির্ভরযোগ্য বাণিজ্যিক মহাকাশ মিশনের জন্য সেরা পছন্দ করে তোলে।

ট্রিপল-জাংশন GaAs সেলের সুবিধা

উচ্চ দক্ষতা

GaAs ব্যান্ডগ্যাপ (1.42 eV) তাত্ত্বিকভাবে সর্বোত্তম সীমার মধ্যে অবস্থিত। এর পাশাপাশি, মাল্টি-জাংশন সেলগুলি GaInP, GaAs এবং Ge স্তরগুলিকে স্ট্যাক করে যা যথাক্রমে উচ্চ, মধ্যম এবং নিম্ন শক্তির ফোটন শোষণ করে, যা তাদের ব্যবহারযোগ্য বর্ণালীকে ব্যাপকভাবে প্রসারিত করে। মহাকাশ ফটোভোল্টাইকসের জন্য সর্বশেষ ট্রিপল-জাংশন GaAs সেলগুলি এখন 30% এর বেশি পাওয়ার রূপান্তর দক্ষতা অর্জন করে।

উচ্চ নির্ভরযোগ্যতা

শক্তিশালী বিকিরণ প্রতিরোধ এবং চমৎকার উচ্চ-তাপমাত্রা স্থিতিশীলতা এই সেলগুলিকে উচ্চ-প্রান্ত, দীর্ঘজীবী মিশনের মূল প্রয়োজনীয়তার জন্য উপযুক্ত করে তোলে। কর্মক্ষমতার সুবিধা উচ্চ খরচ পূরণের জন্য যথেষ্ট।

পরিপক্ক প্রযুক্তি যার কক্ষপথে দীর্ঘ ট্র্যাক রেকর্ড রয়েছে

1965 সালে, সাবেক সোভিয়েত ইউনিয়নের ভেনেরা 3 উপগ্রহ প্রথমবারের মতো GaAs কোষ ব্যবহার করে। 1995 সালে, প্রথম বাণিজ্যিক যোগাযোগ উপগ্রহ MEASAT তার প্রধান শক্তি ইউনিট হিসাবে একক-জাংশন GaAs ব্যবহার করে এবং সোলার অ্যারে ডিজাইন একটি সম্পূর্ণ ডেটাবেস তৈরি করে যা প্রমাণ করে যে GaAs কোষ একটি মহাকাশযানের সম্পূর্ণ জীবনচক্রের শক্তি চাহিদা পূরণ করতে পারে। তারপর থেকে, GaAs কোষ ধীরে ধীরে পুরানো কোষগুলিকে প্রতিস্থাপন করে মহাকাশযানের মৌলিক শক্তি উৎপাদন ইউনিটে পরিণত হয়, একক-জাংশন থেকে মাল্টি-জাংশন ডিজাইনে ধাপে ধাপে বিবর্তিত হয়।

কেন এটি একটি তিন-জাংশন কাঠামো হিসাবে ডিজাইন করবেন?

যেকোনো সেমিকন্ডাক্টর উপাদান শুধুমাত্র তার ব্যান্ডগ্যাপের চেয়ে বেশি শক্তি সম্পন্ন ফোটনকে দক্ষতার সাথে শোষণ করতে পারে। খুব কম শক্তির ফোটন ব্যবহার করা যায় না, অন্যদিকে খুব বেশি শক্তির ফোটন অতিরিক্ত শক্তি তাপ হিসাবে হারায় (থার্মালাইজেশন লস)। একটি একক-জাংশন কোষের ব্যান্ডগ্যাপ সৌর বর্ণালীর সাথে পুরোপুরি মেলাতে পারে না। উদাহরণস্বরূপ, একটি একক-জাংশন সিলিকন কোষ 0.3-1.1 μm (300 nm-1100 nm) পরিসরে ফোটন শোষণ করতে পারে, প্রধানত 0.38 μm-0.7 μm ব্যান্ডে কাজ করে। এই কারণে একক-জাংশন সিলিকন কোষের দক্ষতার সীমা সীমিত, তাত্ত্বিক সীমা প্রায় 29.7%।

একটি তিন-জাংশন কোষ কাজটিকে তিনটি উপ-কোষের মধ্যে ভাগ করে, সৌর বর্ণালীকে তিনটি ভাগে বিভক্ত করে যাতে প্রতিটি উপ-কোষ তার সবচেয়ে উপযুক্ত ব্যান্ডে কাজ করে। এটি থার্মালাইজেশন লস এবং বর্ণালী অমিল লস উভয়কেই তীব্রভাবে হ্রাস করে। তাত্ত্বিকভাবে, মাল্টি-জাংশন কোষ 50% দক্ষতা অর্জন করতে পারে, যা একক-জাংশন কাঠামোর চেয়ে অনেক বেশি।

ট্রিপল-জাংশন GaAs কোষের গঠন

ট্রিপল-জাংশন GaAs কোষ তিনটি অংশে বিভক্ত: শীর্ষ কোষ, মধ্যম কোষ এবং নীচের কোষ। প্রতিটি অংশ বিভিন্ন প্রধান (বেস অঞ্চল) উপাদান ব্যবহার করে এবং বিভিন্ন ভূমিকা পালন করে।

শীর্ষ কোষ

সাধারণত AlGaInP / GaInP, যার ব্যান্ডগ্যাপ প্রায় 1.8-1.9 eV। এটি প্রধানত স্বল্প-তরঙ্গদৈর্ঘ্যের ফোটন (অতিবেগুনী, নীল আলো) শোষণ করে। শীর্ষ কোষ উচ্চ-শক্তির ফোটন শোষণ করে এবং থার্মালাইজেশন লস হ্রাস করে।

মধ্যম কোষ

সাধারণত InGaAs বা GaAs, যার ব্যান্ডগ্যাপ প্রায় 1.42 eV। এটি প্রধানত মাঝারি- এবং দীর্ঘ-তরঙ্গদৈর্ঘ্যের ফোটন (সবুজ, হলুদ, লাল আলো) শোষণ করে। মধ্যম কোষ মাঝারি থেকে দীর্ঘ তরঙ্গদৈর্ঘ্য পরিচালনা করে এবং সর্বাধিক ফটোকারেন্ট সরবরাহ করে।

নীচের কোষ

সাধারণত Ge, যার ব্যান্ডগ্যাপ প্রায় 0.67 eV। এটি প্রধানত দীর্ঘ-তরঙ্গদৈর্ঘ্যের ফোটন (নিকট-অবলোহিত) শোষণ করে। নীচের কোষ উচ্চ অনুপ্রবেশকারী অবলোহিত আলো ক্যাপচার করে।

এখন দেখা যাক প্রতিটি স্তর কী করে।

① যোগাযোগ স্তর

এটি সবচেয়ে বাইরের ক্যাপ স্তরের ঠিক উপরে অবস্থিত, এটি সেই অর্ধপরিবাহী স্তর যা ধাতব ইলেকট্রোড সরাসরি স্পর্শ করে। এটি সাধারণত ভারী ডোপযুক্ত n⁺⁺-GaAs বা n⁺⁺-GaInP হয়। এর প্রধান কাজ হল যোগাযোগ প্রতিরোধ কমানো—ভারী ডোপিং এটিকে ধাতব ইলেকট্রোডের সাথে একটি ভাল ওহমিক যোগাযোগ গঠনে সাহায্য করে এবং বৈদ্যুতিক ক্ষতি কমায়। এটি সক্রিয় অঞ্চলকেও রক্ষা করে, ধাতব ইলেকট্রোডকে নীচের সূক্ষ্ম সক্রিয় অঞ্চল (উইন্ডো স্তর, ইমিটার ইত্যাদি) থেকে বিচ্ছিন্ন করে প্রক্রিয়াজাত ক্ষতি প্রতিরোধ করে।

② ক্যাপ স্তর

উইন্ডো স্তরের উপরে এবং অ্যান্টি-রিফ্লেকশন আবরণের নীচে অবস্থিত, অ্যান্টি-রিফ্লেকশন ফিল্ম এবং যোগাযোগ স্তরের মধ্যে বসে। এটি সাধারণত GaAs, যদিও কিছু ডিজাইনে স্বচ্ছ পরিবাহী অক্সাইড (TCO) যেমন ITO ব্যবহার করা হয়। এর প্রধান ভূমিকা হল একটি 'সহায়ক ইলেকট্রোড' হিসাবে কারেন্ট সংগ্রহে সহায়তা করা, যোগাযোগ স্তরের সাথে কাজ করে পার্শ্বীয়ভাবে কারেন্ট সংগ্রহ ও নিষ্কাশন করা—বিশেষ করে সূক্ষ্ম-রেখা গ্রিড ডিজাইনের জন্য উপযোগী। এর বেধ এবং প্রতিসরাঙ্ক সুর করে অপটিক্যাল ডিজাইনে অংশ নিতে এবং একটি সহায়ক অ্যান্টি-রিফ্লেকশন প্রভাব প্রদান করতে পারে।

③ উইন্ডো স্তর

ইমিটারের উপরে অবস্থিত, সাধারণত AlInP, AlGaInP, বা AlGaAs দিয়ে তৈরি। এর প্রধান ভূমিকা হল পৃষ্ঠের পুনর্মিলন কমানো: উপাদানের প্রশস্ত-ব্যান্ডগ্যাপ প্রকৃতির কারণে এটি সামান্য আলো শোষণ করে এবং এটি একটি উচ্চ-নিম্ন জংশন গঠন করে যা ফটো-জেনারেটেড ক্যারিয়ার (ইলেকট্রন) কে ইমিটারের অভ্যন্তরের দিকে ঠেলে দেয়, পৃষ্ঠের ত্রুটিগুলিতে পুনর্মিলন ক্ষতি কমায়। এটি একটি 'ছাতা' হিসাবেও কাজ করে, ইলেকট্রোড বাষ্পীভবনের মতো পরবর্তী প্রক্রিয়াগুলির সময় জংশন অঞ্চলকে ক্ষতি থেকে রক্ষা করে।

④ ইমিটার

উইন্ডো স্তরের নীচে এবং বেসের উপরে অবস্থিত, বেসের সাথে একটি PN জংশন গঠন করে। এটি সাধারণত N-টাইপ GaInP বা GaAs হয়। এর প্রধান ভূমিকা হল 'পজিটিভ ইলেকট্রোড' হিসাবে কাজ করা, ফটো-জেনারেটেড ইলেকট্রন সংগ্রহ করে বাহ্যিক সার্কিটে পরিচালনা করা। এটি আলো শোষণ এবং সংগ্রহের মধ্যে ভারসাম্য বজায় রাখে—বেধ এবং ডোপিং ঘনত্বের যত্নশীল সুরকরণের মাধ্যমে, এটি স্বল্প-তরঙ্গদৈর্ঘ্যের আলো শোষণের জন্য যথেষ্ট পুরু কিন্তু এত পুরু নয় যে ক্যারিয়ারগুলি প্রসারণের সময় পুনর্মিলিত হয়।

⑤ বেস

ইমিটারের নীচে এবং BSF স্তরের উপরে অবস্থিত, এটি PN জংশনের প্রধান অংশ। এটি সাধারণত p-টাইপ GaInP বা AlGaInP হয়। প্রধান আলো-শোষণকারী অঞ্চল হিসাবে, এটি শীর্ষ কোষের 'ওয়ার্কহরস', যা বেশিরভাগ স্বল্প-তরঙ্গদৈর্ঘ্যের আলো (নীল এবং অতিবেগুনী) শোষণ করে, ফটো-জেনারেটেড ইলেকট্রন-হোল জোড়া তৈরি করে এবং ফটো-জেনারেটেড হোলগুলিকে পিছনের BSF স্তর বা ইলেকট্রোডে দক্ষতার সাথে পরিবহন করে।

⑥ BSF স্তর (ব্যাক সারফেস ফিল্ড)

বেসের নীচে এবং টানেল জংশনের উপরে অবস্থিত, পিছনের দিকে বেসের সাথে একটি উচ্চ-নিম্ন জংশন গঠন করে। উপাদানটি সাধারণত প্রশস্ত-ব্যান্ডগ্যাপ p-AlGaInP, AlGaAs ইত্যাদি। এর প্রধান ভূমিকা হল বিপরীত ক্যারিয়ার পুনর্মিলন দমন করা: BSF স্তর বেসের পিছনে একটি "বাধা" তৈরি করে যা ফটো-জেনারেটেড হোলগুলিকে পিছনের ইলেক্ট্রোডের দিকে ছড়িয়ে পড়ার সময় পুনর্মিলিত হতে বাধা দেয়, যার ফলে ভোল্টেজ এবং দক্ষতা বৃদ্ধি পায়।

⑦ প্রতিফলক

শীর্ষ কোষ এবং মধ্যম কোষের মধ্যে, অথবা মধ্যম কোষ এবং নীচের কোষের মধ্যে অবস্থিত। এটি একটি ডিস্ট্রিবিউটেড ব্র্যাগ রিফ্লেক্টর (DBR) যা উচ্চ এবং নিম্ন প্রতিসরাঙ্ক উপাদানের বিকল্প স্তর থেকে তৈরি, যেমন AlAs/AlGaAs বা AlInP/AlGaInP। এর প্রধান কাজ হল মাঝারি থেকে দীর্ঘ তরঙ্গদৈর্ঘ্যের আলো প্রতিফলিত করা যা শীর্ষ এবং মধ্যম কোষ শোষণ করেনি এবং বেরিয়ে যেতে চলেছে, যাতে দ্বিতীয় শোষণ পাসের মাধ্যমে সামগ্রিক কারেন্ট এবং দক্ষতা বৃদ্ধি পায়।

⑧ টানেল জংশন

উপ-কোষগুলির মধ্যে অবস্থিত, ভারী ডোপযুক্ত পাতলা স্তর (যেমন n++GaAs / p++GaAs) দিয়ে তৈরি। একটি "কোয়ান্টাম টানেলের" মতো, এটি ফটো-জেনারেটেড ক্যারিয়ারগুলিকে দক্ষতার সাথে অতিক্রম করতে দেয় এবং প্রতিটি উপ-কোষকে বৈদ্যুতিকভাবে স্বাধীন রাখে।

মধ্যম কোষের গঠন শীর্ষ কোষের মতোই, শুধু উপাদান ভিন্ন, তাই আমরা এখানে পুনরাবৃত্তি করছি না। নীচে আমরা নীচের কোষের ভিন্নতা সম্পর্কে সংক্ষেপে আলোচনা করব।

⑨ বাফার স্তর

নীচের কোষ এবং মধ্যম কোষের মধ্যে স্যান্ডউইচ করা, এটি জালি-অমিল সমস্যা সমাধান করে। যখন নীচের কোষের উপাদান (যেমন InGaAs) উপরের উপাদানের (যেমন GaAs) জালি ধ্রুবকের সাথে মেলে না, তখন বাফার স্তর একটি "গ্রেডেড" বা "মেটামরফিক জালি" কাঠামো ব্যবহার করে ধীরে ধীরে চাপ মুক্ত করে এবং থ্রেডিং ডিসলোকেশনগুলিকে "আটকায়", তাদের নীচের কোষের সক্রিয় অঞ্চলে প্রবেশ করতে বাধা দেয় এবং এর ফলে কোষের কর্মক্ষমতা উন্নত করে।

⑩ নীচের কোষের বেস

নীচের কোষের PN জংশনের "মোটা" দিকে অবস্থিত। এটি সাধারণত একটি p-টাইপ Ge সাবস্ট্রেট। এর প্রধান কাজ হল দীর্ঘ তরঙ্গদৈর্ঘ্যের ইনফ্রারেড আলো শোষণ করা, যা নীচের কোষে ফটো-জেনারেটেড ক্যারিয়ার তৈরির মূল চালিকাশক্তি।

কয়েকটি নোট

P/N টাইপ লেবেলে, N++/P++ এবং অনুরূপ চিহ্নগুলি হালকা বনাম ভারী ডোপিং নির্দেশ করে। এই নিবন্ধে চিত্রিত ট্রিপল-জংশন GaAs কোষ কাঠামোটি সরলতার জন্য ইলেক্ট্রোড কাঠামো, অ্যান্টি-রিফ্লেকশন স্তর কাঠামো ইত্যাদি বাদ দিয়েছে।

রেফারেন্স:

• একটি প্রতিফলক সহ ট্রিপল-জংশন সোলার সেল এবং এর উৎপাদন পদ্ধতি - 2022-0804

• InGaP/InGaAs/Ge ট্রিপল-জাংশন সোলার সেল যার একটি মাইক্রো-ন্যানো অ্যান্টি-রিফ্লেকশন স্ট্রাকচার এবং এর উৎপাদন পদ্ধতি - 2018-0425

• একটি ট্রিপল-জাংশন সোলার সেল এবং ট্রিপল-জাংশন সোলার সেলের জন্য একটি পদ্ধতি - 2020-11-13

Ooitech-এর দৃষ্টিভঙ্গি

Ooitech বিশ্বাস করে: ট্রিপল-জাংশন GaAs সেল, তিনটি উপ-কোষ জুড়ে সৌর বর্ণালীকে বিভক্ত করে, উচ্চ দক্ষতা এবং প্রমাণিত নির্ভরযোগ্যতা প্রদান করে যা তাদের আজকের উচ্চ-মূল্যের মহাকাশ শক্তি মিশনের জন্য শীর্ষ পছন্দ করে তোলে।