Pendahuluan

Seiring pertumbuhan penerbangan luar angkasa komersial, pesawat ruang angkasa membutuhkan lebih banyak daya listrik. Fotovoltaik luar angkasa berfungsi sebagai sumber daya utama bagi sebagian besar pesawat ruang angkasa, sehingga pilihan teknologi sel surya secara langsung memengaruhi keberhasilan misi, efektivitas biaya, dan daya saing di pasar.

Saat ini, ada tiga arah teknologi utama: gallium arsenide (GaAs), heterojunction tipe-p (HJT), dan sel tandem HJT/perovskite tipe-p. Melihat arah teknologi dan potensi jangka panjangnya, serta menggali kelebihan dan kekurangan inti dari setiap jalur, GaAs masih unggul. Meskipun ada tantangan biaya, kinerja menyeluruhnya yang tak tertandingi, keandalan terbukti di lingkungan ekstrem, dan ruang pengurangan biaya yang jelas dan besar menjadikan GaAs pilihan terbaik untuk misi luar angkasa komersial bernilai tinggi dan berkeandalan tinggi, baik saat ini maupun dalam 3-5 tahun ke depan.

Keunggulan Sel Triple-Junction GaAs

Efisiensi tinggi

Celah pita GaAs (1,42 eV) berada tepat dalam kisaran optimal secara teoritis. Selain itu, sel multi-junction menumpuk lapisan GaInP, GaAs, dan Ge yang masing-masing menyerap foton energi tinggi, menengah, dan rendah, yang secara signifikan memperluas spektrum yang dapat digunakan. Sel surya GaAs triple-junction terbaru untuk fotovoltaik luar angkasa kini mencapai efisiensi konversi daya di atas 30%.

Keandalan tinggi

Ketahanan radiasi yang kuat dan stabilitas suhu tinggi yang sangat baik membuat sel-sel ini sangat cocok untuk kebutuhan inti misi berumur panjang dan berteknologi tinggi. Keunggulan kinerja cukup untuk mengimbangi biaya yang lebih tinggi.

Teknologi matang dengan rekam jejak panjang di orbit

Pada tahun 1965, satelit Venera 3 milik Uni Soviet menjadi yang pertama menggunakan sel GaAs. Pada tahun 1995, satelit komunikasi komersial pertama MEASAT menggunakan GaAs sambungan tunggal sebagai unit daya utama, dan desain panel surya membangun database lengkap yang membuktikan bahwa sel GaAs dapat memenuhi kebutuhan daya siklus hidup penuh pesawat ruang angkasa. Sejak saat itu, sel GaAs secara bertahap menggantikan sel yang lebih tua sebagai unit pembangkit listrik dasar pada pesawat ruang angkasa, berevolusi langkah demi langkah dari desain sambungan tunggal menjadi multi-sambungan.

Mengapa Mendesainnya sebagai Struktur Tiga Sambungan?

Setiap material semikonduktor hanya dapat menyerap foton dengan energi lebih besar dari celah pitanya secara efisien. Foton dengan energi terlalu rendah tidak dapat digunakan, sementara foton dengan energi terlalu tinggi kehilangan kelebihannya sebagai panas (kerugian termalisasi). Celah pita sel sambungan tunggal tidak dapat mencocokkan spektrum matahari dengan sempurna. Ambil contoh sel silikon sambungan tunggal: ia dapat menyerap foton dalam rentang 0,3-1,1 μm (300 nm-1100 nm), terutama bekerja pada pita 0,38 μm-0,7 μm. Itulah mengapa sel silikon sambungan tunggal memiliki batas efisiensi yang terbatas, dengan batas teoritis sekitar 29,7%.

Sel tiga sambungan membagi pekerjaan di antara tiga sub-sel, mengiris spektrum matahari menjadi tiga segmen sehingga setiap sub-sel beroperasi pada pita yang paling cocok. Ini secara tajam mengurangi kerugian termalisasi dan kerugian ketidakcocokan spektrum. Secara teori, sel multi-sambungan dapat mendekati efisiensi 50%, jauh lebih tinggi dari yang dapat diberikan oleh struktur sambungan tunggal.

Struktur Sel GaAs Tiga Sambungan

Sel GaAs tiga sambungan dibagi menjadi tiga bagian: sel atas, sel tengah, dan sel bawah. Setiap bagian menggunakan material utama (daerah basis) yang berbeda dan memainkan peran yang berbeda.

Sel atas

Biasanya AlGaInP / GaInP, dengan celah pita sekitar 1,8-1,9 eV. Ini terutama menyerap foton panjang gelombang pendek (ultraviolet, cahaya biru). Sel atas menyerap foton energi tinggi dan mengurangi kerugian termalisasi.

Sel tengah

Biasanya InGaAs atau GaAs, dengan celah pita sekitar 1,42 eV. Ini terutama menyerap foton panjang gelombang menengah dan panjang (cahaya hijau, kuning, merah). Sel tengah menangani panjang gelombang menengah hingga panjang dan menyumbang sebagian besar fotocurrent.

Sel bawah

Biasanya Ge, dengan celah pita sekitar 0,67 eV. Ini terutama menyerap foton panjang gelombang panjang (inframerah dekat). Sel bawah menangkap cahaya inframerah yang sangat menembus.

Sekarang mari kita lihat apa yang dilakukan setiap lapisan.

① Lapisan Kontak

Terletak tepat di atas lapisan Cap terluar, ini adalah lapisan semikonduktor yang langsung disentuh oleh elektroda logam. Biasanya didoping berat n⁺⁺-GaAs atau n⁺⁺-GaInP. Tugas utamanya adalah menurunkan resistansi kontak—doping berat membantu membentuk kontak ohmik yang baik dengan elektroda logam dan mengurangi kerugian listrik. Ini juga melindungi daerah aktif, mengisolasi elektroda logam dari daerah aktif halus di bawahnya (lapisan jendela, emitor, dll.) untuk mencegah kerusakan proses.

② Lapisan Cap

Terletak di atas lapisan jendela dan di bawah lapisan anti-refleksi, berada di antara film anti-refleksi dan lapisan kontak. Biasanya GaAs, meskipun beberapa desain menggunakan oksida konduktif transparan (TCO) seperti ITO. Peran utamanya adalah membantu pengumpulan arus sebagai "elektroda bantu," bekerja sama dengan lapisan kontak untuk mengumpulkan dan mengalirkan arus secara lateral—terutama berguna untuk desain grid garis halus. Ketebalan dan indeks biasnya juga dapat disesuaikan untuk berpartisipasi dalam desain optik dan memberikan efek anti-refleksi tambahan.

③ Lapisan Jendela

Terletak di atas emitor, biasanya terbuat dari AlInP, AlGaInP, atau AlGaAs. Peran utamanya adalah mengurangi rekombinasi permukaan: sifat material celah pita lebar berarti menyerap sedikit cahaya, dan membentuk persimpangan tinggi-rendah yang mendorong pembawa foto-generasi (elektron) ke bagian dalam emitor, mengurangi kerugian rekombinasi pada cacat permukaan. Ini juga bertindak sebagai "payung," melindungi daerah persimpangan dari kerusakan selama proses selanjutnya seperti penguapan elektroda.

④ Emitor

Terletak di bawah lapisan jendela dan di atas basis, membentuk persimpangan PN dengan basis. Biasanya tipe-N GaInP atau GaAs. Peran utamanya adalah sebagai "elektroda positif," mengumpulkan elektron foto-generasi dan menghantarkannya ke sirkuit eksternal. Ini juga menyeimbangkan penyerapan cahaya dengan pengumpulan—melalui penyesuaian ketebalan dan konsentrasi doping yang cermat, cukup tebal untuk menyerap cahaya panjang gelombang pendek tetapi tidak terlalu tebal sehingga pembawa berekombinasi selama difusi.

⑤ Basis

Terletak di bawah emitor dan di atas lapisan BSF, ini adalah badan utama persimpangan PN. Biasanya tipe-p GaInP atau AlGaInP. Sebagai daerah penyerap cahaya utama, ini adalah "pekerja keras" sel atas, menyerap sebagian besar cahaya panjang gelombang pendek (biru dan ultraviolet), menghasilkan pasangan elektron-lubang foto-generasi, dan secara efisien mengangkut lubang foto-generasi ke lapisan BSF belakang atau elektroda.

⑥ Lapisan BSF (Medan Permukaan Belakang)

Terletak di bawah basis dan di atas sambungan terowongan, membentuk sambungan tinggi-rendah dengan basis di sisi belakang. Materialnya biasanya berupa p-AlGaInP, AlGaAs celah pita lebar, dan sejenisnya. Peran utamanya adalah menekan rekombinasi pembawa balik: lapisan BSF menciptakan "penghalang" di bagian belakang basis yang menghentikan lubang foto-generasi agar tidak berekombinasi saat berdifusi menuju elektroda belakang, sehingga meningkatkan tegangan dan efisiensi.

⑦ Reflektor

Terletak antara sel atas dan sel tengah, atau antara sel tengah dan sel bawah. Ini adalah Distributed Bragg Reflector (DBR) yang ditumbuhkan dari material bergantian indeks bias tinggi dan rendah, seperti AlAs/AlGaAs atau AlInP/AlGaInP. Tugas utamanya adalah memantulkan kembali cahaya panjang gelombang menengah-panjang yang belum diserap oleh sel atas dan sel tengah dan akan keluar, memungkinkan penyerapan kedua yang meningkatkan arus dan efisiensi keseluruhan.

⑧ Sambungan Terowongan

Terletak di antara sub-sel, terbuat dari lapisan tipis yang didoping berat (seperti n++GaAs / p++GaAs). Seperti "terowongan kuantum," ia memungkinkan pembawa foto-generasi melewati secara efisien sambil menjaga setiap sub-sel tetap independen secara listrik.

Struktur sel tengah mirip dengan sel atas, hanya dengan material yang berbeda, jadi tidak akan diulang di sini. Di bawah ini kami bahas secara singkat apa yang berbeda dari sel bawah.

⑨ Lapisan Buffer

Terletak di antara sel bawah dan sel tengah, memecahkan masalah ketidakcocokan kisi. Ketika material sel bawah (seperti InGaAs) tidak cocok dengan konstanta kisi material atas (seperti GaAs), lapisan buffer menggunakan struktur "graded" atau "metamorphic lattice" untuk melepaskan tegangan secara bertahap dan "mencegat" dislokasi threading, menjaganya agar tidak masuk ke daerah aktif sel bawah, sehingga meningkatkan kinerja sel.

⑩ Basis Sel Bawah

Terletak di sisi "tebal" dari sambungan PN sel bawah. Biasanya berupa substrat Ge tipe-p. Fungsi utamanya adalah menyerap cahaya inframerah panjang gelombang panjang, berfungsi sebagai tulang punggung untuk menghasilkan pembawa foto-generasi di sel bawah.

Beberapa Catatan

Dalam label tipe P/N, N++/P++ dan sebutan serupa menunjukkan doping ringan versus berat. Struktur sel GaAs triple-junction yang diilustrasikan dalam artikel ini menghilangkan struktur elektroda, struktur lapisan anti-refleksi, dan detail serupa untuk penyederhanaan.

Referensi:

• Sel surya triple-junction dengan reflektor dan metode fabrikasinya - 2022-0804

• Sel surya triple-junction InGaP/InGaAs/Ge dengan struktur anti-refleksi mikro-nano dan metode pembuatannya - 2018-0425

• Metode untuk sel surya triple-junction dan sel surya triple-junction - 2020-11-13

Pandangan Ooitech

Ooitech percaya: sel GaAs triple-junction, dengan membagi spektrum matahari ke dalam tiga sub-sel, memberikan efisiensi tinggi dan keandalan terbukti yang menjadikannya pilihan utama untuk misi tenaga luar angkasa bernilai tinggi saat ini.