Арсенид-галиевые солнечные батареи

Солнечные батареи, созданные с использованием арсенида галлия (соединение галлия и мышьяка), — это одна из альтернатив привычным кремниевым фотоэлементам. Арсенид галлия – это полупроводник, обладающий такими же гелиоэнергетическими свойствами, как и кремний, но более эффективный с точки зрения производительности. Именно поэтому солнечные элементы на его основе отличаются гораздо большим КПД (до 44%).

Однако применяют такие батареи гораздо реже, причем главным образом в специализированных отраслях (например, в космической сфере). Объясняется это очень просто. Дело в том, что главный недостаток панелей на арсениде галлия – очень высокая стоимость. И сам материал, и технологический процесс производства гораздо дороже, чем для кремниевых аналогов. Кроме того, галлий является достаточно дефицитным полупроводником. Поэтому солнечные батареи этого типа массово не производятся, несмотря на их более высокую эффективность и лучшие характеристики.

Особенности

Фотоэлементы на основе арсенида галлия обладают рядом весомых достоинств:

• Очень высокая поглощательная способность. Материал весьма эффективно поглощает солнечное излучение, благодаря чему его можно наносить слоем всего в несколько микрон. Это означает значительное уменьшение толщины фотоячейки.
• Ширина запрещенной зоны. Запрещенная зона – область энергий, обладать которыми электрон в нормальном состоянии не может. Ее ширина – минимум энергии, требующийся для перемещения электрона, чтобы он участвовал в формировании фототока. Для арсенида галлия этот параметр составляет – 1,43 эВ, что является практически идеальным значением для однопереходного фотоэлемента.
• Очень высокая стойкость к радиации. В сочетании с производительностью эта характеристика делает данные фотоячейки очень подходящими для использования в космической отрасли.
• Малая чувствительность к нагреванию. В отличие от кремниевых панелей, солнечные батареи на арсениде галлия практически не теряют производительность при повышении температуры и перегреве. А значит, им нужно меньше дополнительного охлаждения.
• Возможность изменения рабочих характеристик. Добавление разного рода примесей (фосфора, индия, мышьяка, алюминия) позволяет корректировать параметры галлия арсенида (например, ширину запрещенной зоны). Это позволяет расширить возможности создания солнечных ячеек с точно заданными параметрами и структурой (таких, как сложные многопереходные элементы).

Использование галлия арсенида дает возможность разработчиками получать многослойные ячейки с различным составом слоев. За счет этого можно более точно управлять процессом генерации носителей заряда (интенсивностью фототока). Для кремниевых элементов эти возможности ограничены, поскольку материал имеет предельно допустимый уровень легирования (введения примесей для изменения свойств).

Многослойные галлий-арсенидные элементы

Сегодня одной из самых высокопроизводительных (но и самых дорогих) является трехслойная структура, состоящая из германия (подложка, нижний слой), арсенида галлия и фосфида индия-галлия. В данной схеме слои последовательно выращиваются друг за другом. При этом каждый слой отвечает за поглощение определенной части солнечного спектра (диапазон поглощения зависит от запрещенной зоны). Такой подход позволяет получить наиболее полное поглощение солнечных лучей по всей длине волн, что для однопереходных ячеек недостижимо. Однако процесс изготовления подобных структур очень сложен и, как следствие, весьма дорог.

Удешевление технологии

Технологии изготовления галлий-арсенидных солнечных элементов довольно дороги, однако ведутся активные работы по их удешевлению. Так, ученые из Иллинойского Университета (США) предложили методику, дающую возможность исключить самую дорогостоящую часть процесса без ущерба для качества.
Как правило, галлия арсенид производится в виде достаточно толстых пластин, нарезаемых в дальнейшем на элементы согласно технологическому процессу. Однако для солнечной ячейки достаточно лишь тонкого слоя данного полупроводника. Таким образом получается, что большая часть материала из-за излишней толщины просто не задействуется.

Ученые же предложили наращивать тонкопленочный галлия арсенид на подложке из алюминия арсенида. Далее, при помощи химической реакции, тонкую пленку полупроводника можно отделить от подложки. В итоге получаются арсенид-галлиевые пластины минимальной толщины, которые в составе фотоячейки будут работать полностью. Такие пластины можно наносить на любые иные подложки для получения солнечных элементов нужной структуры и с заданными параметрами.

На данный момент главная сложность данной методики заключается в получении ячеек полупроводника большей площади (достигнутый результат – лишь 0,5х0,5 мм). При увеличении площади технология станет коммерчески оправданной и позволит значительно снизить затраты на производство фотоячеек этого типа.