ٹرپل-جنکشن GaAs سولر سیل — ساخت اور فوائد

مختصر جواب: ایک ٹرپل جنکشن GaAs سولر سیل گیلئم آرسنائیڈ سبسٹریٹ پر تین فوٹو وولٹک جنکشنز کو اسٹیک کرتا ہے، ہر ایک شمسی طیف کی مختلف بینڈ کو جذب کرنے کے لیے ترتیب دیا گیا ہے۔ چونکہ ہر جنکشن صرف ان ہی فوٹونز کو تبدیل کرتا ہے جن کے ساتھ وہ مماثل ہے، اور غیر استعمال شدہ روشنی نیچے کی تہہ تک گزر جاتی ہے، اسٹیک سنگل جنکشن سلیکون سیل کے مقابلے میں طیف کا کہیں زیادہ حصہ تبدیل کرتا ہے۔ یہی وجہ ہے کہ ٹرپل جنکشن GaAs سیلز ارتکاز کے تحت 30% سے زیادہ کارکردگی حاصل کرتے ہیں، جبکہ مرکزی دھارے کے سلیکون کے لیے تقریباً 22% سے 24%۔ اس کا نقصان لاگت ہے: جرمینیم یا GaAs سبسٹریٹس پر GaAs ایپیٹیکسی فی واٹ سلیکون سے کئی گنا زیادہ مہنگی ہے، اس لیے یہ ٹیکنالوجی کنسنٹریٹر فوٹو وولٹکس اور خلائی جہاز تک محدود ہے، جہاں فی کلوگرام طاقت فی واٹ لاگت سے زیادہ اہم ہے۔ خلائی اریاں انہیں استعمال کرتی ہیں کیونکہ کمیت اور ذخیرہ شدہ رقبہ محدود کرنے والی پابندیاں ہیں۔

PV ماڈیول مینوفیکچرنگ · از جیری، Ooitech

تعارف

جیسا کہ تجارتی خلائی پرواز مسلسل بڑھ رہی ہے، خلائی جہازوں کو زیادہ سے زیادہ برقی طاقت کی ضرورت ہے۔ خلائی فوٹو وولٹکس زیادہ تر خلائی جہازوں کے لیے بنیادی طاقت کا ذریعہ ہیں، لہٰذا سولر سیل ٹیکنالوجی کا انتخاب براہ راست اس بات کا تعین کرتا ہے کہ مشن کامیاب ہوگا یا نہیں، یہ کتنا لاگت سے موثر ہے، اور مارکیٹ میں یہ کتنا مسابقتی رہتا ہے۔

اس وقت، ٹیکنالوجی کی تین اہم سمتیں ہیں: گیلیم آرسنائیڈ (GaAs)، پی ٹائپ ہیٹروجنکشن (HJT)، اور پی ٹائپ HJT/پیرووسکائٹ ٹینڈم سیلز۔ ٹیکنالوجی کی سمت اور اس کی طویل مدتی صلاحیت کو دیکھتے ہوئے، اور ہر راستے کے بنیادی فوائد اور نقصانات کا جائزہ لیتے ہوئے، GaAs اب بھی سب سے آگے ہے۔ لاگت کے چیلنجوں کے باوجود، اس کی بے مثال ہمہ جہت کارکردگی، انتہائی ماحول میں ثابت شدہ اعتبار، اور لاگت میں کمی کے لیے واضح، کافی گنجائش GaAs کو آج اور اگلے 3-5 سالوں میں اعلیٰ قیمت، اعلیٰ اعتبار والے تجارتی خلائی مشنوں کے لیے بہترین انتخاب بناتی ہے۔

ٹرپل جنکشن GaAs سیلز کے فوائد

اعلیٰ کارکردگی

GaAs بینڈ گیپ (1.42 eV) نظریاتی طور پر بہترین رینج میں آتا ہے۔ اس کے علاوہ، ملٹی جنکشن سیلز GaInP، GaAs، اور Ge کی تہوں کو اسٹیک کرتے ہیں جو بالترتیب اعلیٰ، درمیانی، اور کم توانائی والے فوٹون جذب کرتی ہیں، جو ان کے استعمال کے اسپیکٹرم کو بہت وسیع کرتی ہے۔ خلائی فوٹو وولٹکس کے لیے جدید ترین ٹرپل جنکشن GaAs سیلز اب 30% سے زیادہ پاور کنورژن ایفیشنسی حاصل کرتے ہیں۔

اعلیٰ اعتبار

مضبوط تابکاری مزاحمت اور بہترین اعلیٰ درجہ حرارت استحکام ان سیلز کو اعلیٰ درجے، طویل زندگی والے مشنوں کی بنیادی ضروریات کے لیے بہترین موزوں بناتے ہیں۔ کارکردگی کا برتری زیادہ لاگت کی تلافی کے لیے کافی ہے۔

پختہ ٹیکنالوجی جس کا مدار میں طویل ریکارڈ ہے

1965 میں، سابق سوویت یونین کا وینیرا 3 سیٹلائٹ GaAs سیلز استعمال کرنے والا پہلا سیٹلائٹ بنا۔ 1995 میں، پہلے تجارتی مواصلاتی سیٹلائٹ MEASAT نے سنگل جنکشن GaAs کو اپنی بنیادی پاور یونٹ کے طور پر استعمال کیا، اور سولر اری ڈیزائن نے ایک مکمل ڈیٹا بیس بنایا جو ثابت کرتا ہے کہ GaAs سیلز خلائی جہاز کی مکمل زندگی کے چکر کی طاقت کی ضروریات کو پورا کر سکتے ہیں۔ اس کے بعد سے، GaAs سیلز آہستہ آہستہ پرانے سیلز کی جگہ خلائی جہازوں پر بنیادی بجلی پیدا کرنے والی یونٹ بن گئے، جو سنگل جنکشن سے ملٹی جنکشن ڈیزائنوں تک قدم بہ قدم ترقی کرتے گئے۔

اسے تھری جنکشن ڈھانچے کے طور پر کیوں ڈیزائن کریں؟

کوئی بھی سیمی کنڈکٹر مواد صرف ان فوٹون کو مؤثر طریقے سے جذب کر سکتا ہے جن کی توانائی اس کے بینڈ گیپ سے زیادہ ہو۔ بہت کم توانائی والے فوٹون استعمال نہیں ہو سکتے، جبکہ بہت زیادہ توانائی والے فوٹون اضافی توانائی کو حرارت کے طور پر کھو دیتے ہیں (تھرملائزیشن نقصان)۔ سنگل جنکشن سیل کا بینڈ گیپ شمسی اسپیکٹرم سے مکمل طور پر مطابقت نہیں رکھ سکتا۔ سنگل جنکشن سلکان سیل کو مثال کے طور پر لیں: یہ 0.3-1.1 μm رینج (300 nm-1100 nm) میں فوٹون جذب کر سکتا ہے، بنیادی طور پر 0.38 μm-0.7 μm بینڈ میں کام کرتا ہے۔ اسی لیے سنگل جنکشن سلکان سیلز کی کارکردگی کی حد محدود ہے، جس کی نظریاتی حد تقریباً 29.7% ہے۔

تھری جنکشن سیل کام کو تین ذیلی سیلز میں تقسیم کرتا ہے، شمسی اسپیکٹرم کو تین حصوں میں کاٹتا ہے تاکہ ہر ذیلی سیل اپنے بہترین موزوں بینڈ میں کام کرے۔ یہ تھرملائزیشن نقصانات اور اسپیکٹرل مماثلت کے نقصانات دونوں کو تیزی سے کم کرتا ہے۔ نظریاتی طور پر، ملٹی جنکشن سیلز 50% کارکردگی کے قریب پہنچ سکتے ہیں، جو سنگل جنکشن ڈھانچے کی فراہم کردہ کارکردگی سے بہت زیادہ ہے۔

ٹرپل جنکشن GaAs سیل کی ساخت

ٹرپل جنکشن GaAs سیل تین حصوں میں تقسیم ہے: ٹاپ سیل، مڈل سیل، اور باٹم سیل۔ ہر حصہ مختلف بنیادی (بیس ریجن) مواد استعمال کرتا ہے اور مختلف کردار ادا کرتا ہے۔

ٹاپ سیل

عام طور پر AlGaInP / GaInP، بینڈ گیپ تقریباً 1.8-1.9 eV۔ یہ بنیادی طور پر مختصر طول موج کے فوٹون (الٹرا وائلٹ، نیلی روشنی) جذب کرتا ہے۔ ٹاپ سیل اعلیٰ توانائی والے فوٹون جذب کرتا ہے اور تھرملائزیشن نقصانات کو کم کرتا ہے۔

مڈل سیل

عام طور پر InGaAs یا GaAs، بینڈ گیپ تقریباً 1.42 eV۔ یہ بنیادی طور پر درمیانی اور طویل طول موج کے فوٹون (سبز، پیلی، سرخ روشنی) جذب کرتا ہے۔ مڈل سیل درمیانی سے طویل طول موج کو سنبھالتا ہے اور زیادہ تر فوٹو کرنٹ میں حصہ ڈالتا ہے۔

باٹم سیل

عام طور پر Ge، بینڈ گیپ تقریباً 0.67 eV۔ یہ بنیادی طور پر طویل طول موج کے فوٹون (قریب انفراریڈ) جذب کرتا ہے۔ باٹم سیل انتہائی گھسنے والی انفراریڈ روشنی کو پکڑتا ہے۔

اب آئیے جائزہ لیتے ہیں کہ ہر تہہ کیا کرتی ہے۔

① کنٹیکٹ لیئر

بالکل بیرونی کیپ لیئر کے اوپر واقع، یہ وہ سیمی کنڈکٹر تہہ ہے جسے دھاتی الیکٹروڈ براہ راست چھوتا ہے۔ یہ عام طور پر بھاری ڈوپڈ n⁺⁺-GaAs یا n⁺⁺-GaInP ہوتی ہے۔ اس کا بنیادی کام کنٹیکٹ مزاحمت کو کم کرنا ہے—بھاری ڈوپنگ اسے دھاتی الیکٹروڈ کے ساتھ اچھا اوہمک کنٹیکٹ بنانے میں مدد کرتی ہے اور برقی نقصانات کو کم کرتی ہے۔ یہ ایکٹو ریجن کی بھی حفاظت کرتی ہے، دھاتی الیکٹروڈ کو نیچے کے نازک ایکٹو ریجن (ونڈو لیئر، ایمٹر، وغیرہ) سے الگ کرتی ہے تاکہ عمل کے نقصان کو روکا جا سکے۔

② کیپ لیئر

ونڈو لیئر کے اوپر اور اینٹی ریفلیکشن کوٹنگ کے نیچے واقع، اینٹی ریفلیکشن فلم اور کنٹیکٹ لیئر کے درمیان۔ یہ عام طور پر GaAs ہوتی ہے، حالانکہ کچھ ڈیزائن شفاف conductive آکسائیڈز (TCO) جیسے ITO استعمال کرتے ہیں۔ اس کا بنیادی کردار "معاون الیکٹروڈ" کے طور پر کرنٹ جمع کرنے میں مدد کرنا ہے، کنٹیکٹ لیئر کے ساتھ مل کر کرنٹ کو پس منظر میں جمع اور باہر لے جانا—خاص طور پر باریک لائن گرڈ ڈیزائنوں کے لیے مفید۔ اس کی موٹائی اور ریفریکٹیو انڈیکس کو آپٹیکل ڈیزائن میں حصہ لینے اور معاون اینٹی ریفلیکشن اثر فراہم کرنے کے لیے بھی ایڈجسٹ کیا جا سکتا ہے۔

③ ونڈو لیئر

ایمٹر کے اوپر واقع، عام طور پر AlInP، AlGaInP، یا AlGaAs سے بنی۔ اس کا بنیادی کردار سطح کی دوبارہ ترکیب کو کم کرنا ہے: مواد کی وسیع بینڈ گیپ نوعیت کا مطلب ہے کہ یہ کم روشنی جذب کرتی ہے، اور یہ ایک ہائی-لو جنکشن بناتی ہے جو فوٹو جنریٹڈ کیریئرز (الیکٹران) کو ایمٹر کے اندرونی حصے کی طرف دھکیلتی ہے، سطح کے نقائص پر دوبارہ ترکیب کے نقصانات کو کم کرتی ہے۔ یہ ایک "چھتری" کا کام بھی کرتی ہے، جنکشن ریجن کو بعد کے عمل جیسے الیکٹروڈ evaporation کے دوران نقصان سے بچاتی ہے۔

④ ایمٹر

ونڈو لیئر کے نیچے اور بیس کے اوپر واقع، بیس کے ساتھ PN جنکشن بناتی ہے۔ یہ عام طور پر N-ٹائپ GaInP یا GaAs ہوتی ہے۔ اس کا بنیادی کردار "مثبت الیکٹروڈ" کے طور پر کام کرنا ہے، فوٹو جنریٹڈ الیکٹران جمع کرنا اور انہیں بیرونی سرکٹ تک پہنچانا۔ یہ روشنی جذب اور جمع کے درمیان توازن بھی رکھتی ہے—موٹائی اور ڈوپنگ ارتکاز کی محتاط ایڈجسٹمنٹ کے ذریعے، یہ مختصر طول موج کی روشنی جذب کرنے کے لیے کافی موٹی ہے لیکن اتنی موٹی نہیں کہ کیریئرز diffusion کے دوران دوبارہ ترکیب ہو جائیں۔

⑤ بیس

ایمیٹر کے نیچے اور BSF پرت کے اوپر واقع، یہ PN جنکشن کا مرکزی حصہ ہے۔ یہ عام طور پر p-قسم GaInP یا AlGaInP ہوتا ہے۔ بنیادی روشنی جذب کرنے والے خطے کے طور پر، یہ ٹاپ سیل کا "محنتی گھوڑا" ہے، جو زیادہ تر مختصر طول موج کی روشنی (نیلی اور بالائے بنفشی) جذب کرتا ہے، فوٹو جنریٹڈ الیکٹران-ہول جوڑے پیدا کرتا ہے، اور فوٹو جنریٹڈ ہولز کو مؤثر طریقے سے پچھلی BSF پرت یا الیکٹروڈ تک پہنچاتا ہے۔

⑥ BSF پرت (پچھلی سطح کا میدان)

بیس کے نیچے اور ٹنل جنکشن کے اوپر واقع، جو پچھلی طرف بیس کے ساتھ ایک اونچی-نیچی جنکشن بناتی ہے۔ مواد عام طور پر ایک چوڑے بینڈ گیپ والا p-AlGaInP، AlGaAs، اور اس جیسا ہوتا ہے۔ اس کا بنیادی کردار معکوس کیریئر ری کمبینیشن کو دبانا ہے: BSF پرت بیس کے پچھلے حصے پر ایک "رکاوٹ" بناتی ہے جو فوٹو جنریٹڈ ہولز کو پچھلے الیکٹروڈ کی طرف پھیلتے ہوئے دوبارہ ملنے سے روکتی ہے، جس سے وولٹیج اور کارکردگی بڑھتی ہے۔

⑦ ریفلیکٹر

ٹاپ سیل اور مڈل سیل کے درمیان، یا مڈل سیل اور باٹم سیل کے درمیان واقع۔ یہ ایک ڈسٹری بیوٹڈ بریگ ریفلیکٹر (DBR) ہے جو باری باری اونچے اور کم ریفریکٹیو انڈیکس والے مواد سے اگایا جاتا ہے، جیسے AlAs/AlGaAs یا AlInP/AlGaInP۔ اس کا بنیادی کام درمیانی سے طویل طول موج کی وہ روشنی واپس منعکس کرنا ہے جو ٹاپ اور مڈل سیلز نے جذب نہیں کی اور خارج ہونے والی ہے، جس سے دوسری جذب گزر ممکن ہوتی ہے جو مجموعی کرنٹ اور کارکردگی کو بڑھاتی ہے۔

⑧ ٹنل جنکشن

ذیلی خلیات کے درمیان واقع، بھاری ڈوپ شدہ پتلی تہوں سے بنا (جیسے n++GaAs / p++GaAs)۔ ایک "کوانٹم ٹنل" کی طرح، یہ فوٹو جنریٹڈ کیریئرز کو مؤثر طریقے سے گزرنے دیتا ہے جبکہ ہر ذیلی خلیے کو برقی طور پر آزاد رکھتا ہے۔

مڈل سیل کی ساخت ٹاپ سیل کی طرح ہے، صرف مواد مختلف ہے، اس لیے ہم یہاں اسے دہرائیں گے نہیں۔ ذیل میں ہم مختصراً بتائیں گے کہ باٹم سیل میں کیا مختلف ہے۔

⑨ بفر پرت

باٹم سیل اور مڈل سیل کے درمیان دبائی گئی، یہ جالی کی مماثلت نہ ہونے کا مسئلہ حل کرتی ہے۔ جب باٹم سیل کا مواد (جیسے InGaAs) اوپری مواد (جیسے GaAs) کے جالی مستقل سے مماثل نہیں ہوتا، تو بفر پرت ایک "درجہ بند" یا "میٹامورفک جالی" ساخت استعمال کرتی ہے تاکہ دباؤ کو بتدریج چھوڑے اور تھریڈنگ ڈس لوکیشنز کو "روک" لے، انہیں باٹم سیل کے فعال خطے سے باہر رکھے اور اس طرح خلیے کی کارکردگی بہتر بنائے۔

⑩ باٹم سیل بیس

باٹم سیل کے PN جنکشن کے "موٹے" رخ پر واقع۔ یہ عام طور پر p-قسم Ge سبسٹریٹ ہوتا ہے۔ اس کا بنیادی کام طویل طول موج کی انفراریڈ روشنی جذب کرنا ہے، جو باٹم سیل میں فوٹو جنریٹڈ کیریئرز پیدا کرنے کے لیے محنتی گھوڑے کا کردار ادا کرتا ہے۔

چند نوٹس

P/N قسم کے لیبلز میں، N++/P++ اور اس جیسے نشانات ہلکی بمقابلہ بھاری ڈوپنگ کی نشاندہی کرتے ہیں۔ اس مضمون میں دکھائی گئی ٹرپل-جنکشن GaAs خلیے کی ساخت سادگی کے لیے الیکٹروڈ ساخت، اینٹی ریفلیکشن پرت کی ساخت، اور اس جیسی تفصیلات کو چھوڑ دیتی ہے۔

حوالہ جات:

• ریفلیکٹر کے ساتھ ٹرپل-جنکشن سولر سیل اور اس کی تیاری کا طریقہ - 2022-0804

• مائیکرو-نینو اینٹی ریفلیکشن ساخت کے ساتھ InGaP/InGaAs/Ge ٹرپل-جنکشن سولر سیل اور اس کی تیاری کا طریقہ - 2018-0425

• ٹرپل-جنکشن سولر سیل کے لیے ایک طریقہ اور ٹرپل-جنکشن سولر سیل - 2020-11-13

Ooitech کا نقطہ نظر

Ooitech کا ماننا ہے: ٹرپل-جنکشن GaAs خلیات، شمسی سپیکٹرم کو تین ذیلی خلیات میں تقسیم کر کے، وہ اعلیٰ کارکردگی اور ثابت شدہ قابل اعتماد فراہم کرتے ہیں جو انہیں آج کے اعلیٰ قیمت والے خلائی بجلی مشنوں کے لیے سب سے آگے کا انتخاب بناتے ہیں۔