ٹرپل جنکشن GaAs سولر سیلز: مین اسٹریم اسپیس فوٹوولٹک ڈھانچے پر ایک تفصیلی نظر
مواد کی فہرست
تعارف
جیسے جیسے تجارتی خلائی پرواز بڑھ رہی ہے، خلائی جہازوں کو زیادہ سے زیادہ برقی طاقت کی ضرورت ہوتی ہے۔ خلائی فوٹو وولٹکس زیادہ تر خلائی جہازوں کے لیے بنیادی طاقت کا ذریعہ ہیں، لہذا شمسی سیل ٹیکنالوجی کا انتخاب براہ راست اس بات کو متاثر کرتا ہے کہ آیا مشن کامیاب ہوتا ہے، یہ کتنا لاگت مؤثر ہے، اور یہ مارکیٹ میں کتنا مسابقتی رہتا ہے۔
اس وقت، تین اہم ٹیکنالوجی سمت ہیں: گیلیم آرسنائیڈ (GaAs)، پی ٹائپ ہیٹروجنکشن (HJT)، اور پی ٹائپ HJT/پیرووسکائٹ ٹینڈم سیل۔ 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 سرفہرست ہے۔ لاگت کے چیلنجوں کے باوجود، اس کی بے مثال مجموعی کارکردگی، انتہائی ماحول میں ثابت شدہ بھروسے، اور لاگت میں کمی کے واضح اور کافی گنجائش کی وجہ سے، GaAs آج اور اگلے 3-5 سالوں میں اعلیٰ قدر، اعلیٰ بھروسے والے تجارتی خلائی مشنوں کے لیے بہترین انتخاب ہے۔
ٹرپل جنکشن GaAs خلیات کے فوائد
اعلی کارکردگی
GaAs بینڈ گیپ (1.42 eV) نظریاتی طور پر بہترین حد میں ہے۔ اس کے علاوہ، ملٹی جنکشن سیل GaInP، GaAs، اور Ge کی تہوں کو اسٹیک کرتے ہیں جو بالترتیب اعلی، درمیانی، اور کم توانائی والے فوٹونز کو جذب کرتے ہیں، جو ان کے استعمال کردہ اسپیکٹرم کو بہت وسیع کرتا ہے۔ خلائی فوٹو وولٹکس کے لیے جدید ترین ٹرپل جنکشن GaAs سیل اب 30% سے زیادہ پاور کنورژن افادیت حاصل کرتے ہیں۔
اعلی بھروسہ
مضبوط تابکاری مزاحمت اور بہترین اعلی درجہ حرارت استحکام ان خلیات کو اعلیٰ درجے کے، طویل مدتی مشنوں کی بنیادی ضروریات کے لیے بہترین بناتا ہے۔ کارکردگی کا فائدہ زیادہ لاگت کو پورا کرنے کے لیے کافی ہے۔
پختہ ٹیکنالوجی جس کا مدار میں طویل ٹریک ریکارڈ ہے
1965 میں، سابق سوویت یونین کا وینیرا 3 سیٹلائٹ پہلا تھا جس نے GaAs سیلز استعمال کیے۔ 1995 میں، پہلا تجارتی مواصلاتی سیٹلائٹ MEASAT نے سنگل جنکشن GaAs کو اپنے مرکزی پاور یونٹ کے طور پر استعمال کیا، اور سولر اری ڈیزائن نے ایک مکمل ڈیٹا بیس بنایا جس نے ثابت کیا کہ GaAs سیلز خلائی جہاز کی پوری زندگی کی بجلی کی ضروریات پوری کر سکتے ہیں۔ اس کے بعد، GaAs سیلز نے آہستہ آہستہ پرانے سیلز کی جگہ لے لی اور خلائی جہاز پر بنیادی بجلی پیدا کرنے والے یونٹ بن گئے، سنگل جنکشن سے ملٹی جنکشن ڈیزائن کی طرف قدم بہ قدم ترقی کرتے ہوئے۔
اسے تین جنکشن ڈھانچے کے طور پر کیوں ڈیزائن کیا گیا؟
کوئی بھی سیمی کنڈکٹر مواد صرف ان فوٹونز کو مؤثر طریقے سے جذب کر سکتا ہے جن کی توانائی اس کے بینڈ گیپ سے زیادہ ہو۔ بہت کم توانائی والے فوٹونز استعمال نہیں ہو سکتے، جبکہ بہت زیادہ توانائی والے فوٹونز اضافی توانائی کو حرارت کے طور پر کھو دیتے ہیں (تھرملائزیشن نقصان)۔ ایک سنگل جنکشن سیل کا بینڈ گیپ شمسی سپیکٹرم سے بالکل مماثل نہیں ہو سکتا۔ مثال کے طور پر سنگل جنکشن سلکان سیل: یہ 0.3-1.1 μm رینج (300 nm-1100 nm) میں فوٹونز جذب کر سکتا ہے، بنیادی طور پر 0.38 μm-0.7 μm بینڈ میں کام کرتا ہے۔ یہی وجہ ہے کہ سنگل جنکشن سلکان سیلز کی کارکردگی کی ایک محدود چھت ہے، جس کی نظریاتی حد تقریباً 29.7% ہے۔
تین جنکشن سیل کام کو تین ذیلی سیلز میں تقسیم کرتا ہے، شمسی سپیکٹرم کو تین حصوں میں کاٹتا ہے تاکہ ہر ذیلی سیل اپنے بہترین بینڈ میں کام کرے۔ اس سے تھرملائزیشن کے نقصانات اور سپیکٹرل مماثلت کے نقصانات دونوں میں تیزی سے کمی آتی ہے۔ نظریہ میں، ملٹی جنکشن سیلز 50% کارکردگی تک پہنچ سکتے ہیں، جو سنگل جنکشن ڈھانچے سے کہیں زیادہ ہے۔
ٹرپل جنکشن GaAs سیل کا ڈھانچہ
ٹرپل جنکشن GaAs سیل تین حصوں میں تقسیم ہے: اوپری سیل، درمیانی سیل، اور نچلا سیل۔ ہر حصہ مختلف اہم (بیس ریجن) مواد استعمال کرتا ہے اور مختلف کردار ادا کرتا ہے۔
اوپری سیل
عام طور پر AlGaInP / GaInP، جس کا بینڈ گیپ تقریباً 1.8-1.9 eV ہوتا ہے۔ یہ بنیادی طور پر چھوٹی طول موج والے فوٹونز (الٹرا وائلٹ، نیلی روشنی) جذب کرتا ہے۔ اوپری سیل اعلی توانائی والے فوٹونز جذب کرتا ہے اور تھرملائزیشن کے نقصانات کو کم کرتا ہے۔
درمیانی سیل
عام طور پر InGaAs یا GaAs، جس کا بینڈ گیپ تقریباً 1.42 eV ہوتا ہے۔ یہ بنیادی طور پر درمیانی اور لمبی طول موج والے فوٹونز (سبز، پیلی، سرخ روشنی) جذب کرتا ہے۔ درمیانی سیل درمیانی سے لمبی طول موج کو سنبھالتا ہے اور زیادہ تر فوٹو کرنٹ فراہم کرتا ہے۔
نچلا سیل
عام طور پر Ge، جس کا بینڈ گیپ تقریباً 0.67 eV ہوتا ہے۔ یہ بنیادی طور پر لمبی طول موج والے فوٹونز (قریب اورکت) جذب کرتا ہے۔ نچلا سیل زیادہ گھسنے والی اورکت روشنی کو پکڑتا ہے۔
اب آئیے دیکھتے ہیں کہ ہر پرت کیا کرتی ہے۔
① رابطہ پرت
سب سے باہر کیپ پرت کے بالکل اوپر بیٹھی، یہ وہ سیمی کنڈکٹر پرت 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 رابطہ مزاحمت کو کم کرنا ہے—بھاری ڈوپنگ اسے دھاتی الیکٹروڈ کے ساتھ اچھا اوہمک رابطہ بنانے میں مدد دیتی ہے اور بجلی کے نقصانات کو کم کرتی ہے۔ یہ فعال علاقے کی بھی حفاظت کرتی ہے، دھاتی الیکٹروڈ کو نیچے کے نازک فعال علاقے (ونڈو پرت، ایمیٹر وغیرہ) سے الگ کرکے عمل کے نقصان کو روکتی ہے۔
② کیپ پرت
ونڈو پرت کے اوپر اور اینٹی ریفلیکشن کوٹنگ کے نیچے واقع، اینٹی ریفلیکشن فلم اور کنٹیکٹ پرت کے درمیان بیٹھی ہے۔ یہ عام طور پر GaAs ہوتی ہے، حالانکہ کچھ ڈیزائن شفاف کنڈکٹیو آکسائیڈز (TCO) جیسے ITO استعمال کرتے ہیں۔ اس کا بنیادی کردار ایک 'معاون الیکٹروڈ' کے طور پر کرنٹ جمع کرنے میں مدد کرنا ہے، کنٹیکٹ پرت کے ساتھ مل کر کرنٹ کو افقی طور پر جمع اور نکالنا—خاص طور پر باریک لائن گرڈ ڈیزائن کے لیے مفید۔ اس کی موٹائی اور ریفریکٹیو انڈیکس کو بھی آپٹیکل ڈیزائن میں حصہ لینے اور معاون اینٹی ریفلیکشن اثر فراہم کرنے کے لیے ایڈجسٹ کیا جا سکتا ہے۔
③ ونڈو پرت
ایمیٹر کے اوپر واقع، عام طور پر AlInP، AlGaInP، یا AlGaAs سے بنی ہوتی ہے۔ اس کا بنیادی کردار سطحی ری کمبینیشن کو کم کرنا ہے: مواد کی وسیع بینڈ گیپ نوعیت کا مطلب ہے کہ یہ کم روشنی جذب کرتی ہے، اور یہ ایک اونچ نیچ جنکشن بناتی ہے جو فوٹو جنریٹڈ کیریئرز (الیکٹران) کو ایمیٹر کے اندر کی طرف دھکیلتی ہے، سطحی نقائص پر ری کمبینیشن کے نقصانات کو کم کرتی ہے۔ یہ ایک 'چھتری' کے طور پر بھی کام کرتی ہے، بعد کے عمل جیسے الیکٹروڈ بخارات کے دوران جنکشن علاقے کو نقصان سے بچاتی ہے۔
④ ایمیٹر
ونڈو پرت کے نیچے اور بیس کے اوپر واقع، بیس کے ساتھ PN جنکشن بناتی ہے۔ یہ عام طور پر N-type GaInP یا GaAs ہوتی ہے۔ اس کا بنیادی کردار 'مثبت الیکٹروڈ' کے طور پر کام کرنا، فوٹو جنریٹڈ الیکٹران جمع کرنا اور انہیں بیرونی سرکٹ تک پہنچانا ہے۔ یہ روشنی جذب اور جمع کرنے کے درمیان توازن بھی برقرار رکھتی ہے—موٹائی اور ڈوپنگ ارتکاز کو احتیاط سے ایڈجسٹ کرکے، یہ اتنی موٹی ہوتی ہے کہ مختصر طول موج کی روشنی جذب کر سکے لیکن اتنی موٹی نہیں کہ کیریئرز پھیلاؤ کے دوران ری کمبائن 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-type GaInP یا AlGaInP ہوتی ہے۔ روشنی جذب کرنے والے مرکزی علاقے کے طور پر، یہ ٹاپ سیل کا 'ورک ہارس' ہے، جو زیادہ تر مختصر طول موج کی روشنی (نیلی اور الٹرا وائلٹ) جذب کرتی ہے، فوٹو جنریٹڈ الیکٹران ہول جوڑے پیدا کرتی ہے، اور فوٹو جنریٹڈ ہولز کو پیچھے BSF پرت یا الیکٹروڈ تک مؤثر طریقے سے پہنچاتی ہے۔
⑥ BSF پرت (بیک سرفیس فیلڈ)
بیس کے نیچے اور ٹنل جنکشن کے اوپر واقع، پچھلی طرف بیس کے ساتھ ایک ہائی-لو جنکشن بناتا ہے۔ مواد عام طور پر وسیع بینڈ گیپ p-AlGaInP، AlGaAs وغیرہ ہوتا ہے۔ اس کا بنیادی کردار ریورس کیریئر ری کمبینیشن کو دبانا ہے: BSF پرت بیس کے پچھلے حصے پر ایک "رکاوٹ" پیدا کرتی ہے جو فوٹو جنریٹڈ ہولز کو پچھلے الیکٹروڈ کی طرف پھیلتے ہوئے ری کمبائن ہونے سے روکتی ہے، اس طرح وولٹیج اور کارکردگی میں اضافہ ہوتا ہے۔
⑦ ریفلیکٹر
اوپری سیل اور درمیانی سیل کے درمیان، یا درمیانی سیل اور نیچے والے سیل کے درمیان واقع ہے۔ یہ ایک ڈسٹری بیوٹڈ بریگ ریفلیکٹر (DBR) ہے جو متبادل ہائی اور لو ریفریکٹیو انڈیکس مواد، جیسے AlAs/AlGaAs یا AlInP/AlGaInP سے اگایا جاتا ہے۔ اس کا بنیادی کام درمیانی سے لمبی طول موج کی روشنی کو واپس منعکس کرنا ہے جسے اوپری اور درمیانی سیلز نے جذب نہیں کیا اور جو باہر نکلنے والی ہے، تاکہ دوسری بار جذب ہو سکے اور مجموعی کرنٹ اور کارکردگی میں اضافہ ہو۔
⑧ ٹنل جنکشن
سب سیلز کے درمیان واقع، بھاری ڈوپڈ پتلی تہوں (جیسے n++GaAs / p++GaAs) سے بنا ہوتا ہے۔ ایک "کوانٹم ٹنل" کی طرح، یہ فوٹو جنریٹڈ کیریئرز کو مؤثر طریقے سے گزرنے دیتا ہے جبکہ ہر سب سیل کو برقی طور پر آزاد رکھتا ہے۔
درمیانی سیل کی ساخت اوپری سیل کی طرح ہے، صرف مواد مختلف ہے، لہٰذا ہم اسے یہاں دہرائیں گے نہیں۔ نیچے ہم مختصراً بتاتے ہیں کہ نیچے والے سیل میں کیا مختلف ہے۔
⑨ بفر لیئر
نیچے والے سیل اور درمیانی سیل کے درمیان سینڈوچ کیا جاتا ہے، یہ لیٹیس مماثلت کے مسئلے کو حل کرتا ہے۔ جب نیچے والے سیل کا مواد (جیسے InGaAs) اوپری مواد (جیسے GaAs) کے لیٹیس کنسٹنٹ سے مماثل نہیں ہوتا، تو بفر لیئر "گریڈیڈ" یا "میٹامورفک لیٹیس" ڈھانچہ استعمال کرکے آہستہ آہستہ تناؤ کو جاری کرتی ہے اور تھریڈنگ ڈس لوکیشنز کو "روکتی" ہے، انہیں نیچے والے سیل کے فعال علاقے سے باہر رکھتی ہے اور اس طرح سیل کی کارکردگی کو بہتر بناتی ہے۔
⑩ نیچے والے سیل کی بیس
نیچے والے سیل کے PN جنکشن کے "موٹے" حصے پر واقع ہے۔ یہ عام طور پر p-type Ge سبسٹریٹ ہوتا ہے۔ اس کا بنیادی کام لمبی طول موج کی انفراریڈ روشنی کو جذب کرنا ہے، جو نیچے والے سیل میں فوٹو جنریٹڈ کیریئرز پیدا کرنے کا کام کرتا ہے۔
چند نوٹس
P/N ٹائپ لیبلز میں، N++/P++ اور اسی طرح کے نشانات ہلکی بمقابلہ بھاری ڈوپنگ کی نشاندہی کرتے ہیں۔ اس مضمون میں دکھایا گیا ٹرپل جنکشن GaAs سیل ڈھانچہ سادگی کے لیے الیکٹروڈ ڈھانچہ، اینٹی ریفلیکشن لیئر ڈھانچہ اور اسی طرح کی تفصیلات کو چھوڑ دیتا ہے۔
حوالہ جات:
ریفلیکٹر کے ساتھ ٹرپل جنکشن سولر سیل اور اس کی تیاری کا طریقہ - 2022-0804
InGaP/InGaAs/Ge تین جنکشن والا شمسی سیل جس میں مائیکرو نینو اینٹی ریفلیکشن ڈھانچہ ہے اور اس کی تیاری کا طریقہ - 2018-0425
تین جنکشن والے شمسی سیل کے لیے ایک طریقہ اور تین جنکشن والا شمسی سیل - 2020-11-13
Ooitech کا نقطہ نظر
Ooitech کا ماننا ہے: تین جنکشن والے GaAs سیل، شمسی سپیکٹرم کو تین ذیلی سیلوں میں تقسیم کرکے، اعلی کارکردگی اور ثابت شدہ بھروسے کی فراہمی کرتے ہیں جو انہیں آج کے اعلیٰ قیمت والے خلائی بجلی مشنوں کے لیے اولین انتخاب بناتے ہیں۔
