Логотип Рентехно
(044) 332-81-90
Рішення відновлювальної енергетики - Перевищуючи ваші очікування
enuaru

Блог

Головна » Блог » Сонячні фотоелектричні перетворювачі

Твердотільні сонячні елементи 

Одним з найбільш доступних і довговічних, а також енергетично збалансованих альтернативних джерел енергозабезпечення є фотоелектричні перетворювачі (ФЕП). Реалізація фотоелектричних перетворювачів або сонячних елементів, як правило, ґрунтується на твердотільних технологіях і в цілому добре відпрацьована. Вперше фотовольтаїчний ефект був отриманий в 1941 році, а перший (ФЕП) створений в 1954 році на основі дифузійного кремнієвого p-n переходу. Згодом були розроблені і створені ФЕП на основі інших напівпровідників з використанням різних конструкцій.

При виборі вихідного матеріалу для твердотільних ФЕП в першу чергу необхідно враховувати ширину забороненої зони напівпровідника, яка обумовлює максимальну питому потужність фотоперетворювача. В даний час найбільш придатними для виготовлення твердотільних ФЕП вважаються наступні напівпровідники: кремній (Si), телурид кадмію (CdTe), арсенід галію (GaAs) і фосфід індію (InP).

Сьогоднішні фотоелектричні перетворювачі можуть бути класифіковані на основі кількості для їх виготовлення матеріалів, які діляться на кристалічні і тонкоплівкові, полікристалічні або аморфні.

До твердотілим кристалічним матеріалами в першу чергу відносяться монокристаллический і мультикристалічних кремній, вирощені методом витягування через фільєру профільовані стрічки кремнію, дендритні кремнієві стрічки, арсенід галію. До тонкоплівкових матеріалів відносяться напівпровідники, вирощені на електрично активних або пасивних підкладках, а саме аморфний кремній, телурид кадмію, діселеніда міді та індію.

Найбільшого поширення набули твердотільні кремнієві ФЕП, так як спектральна характеристика поглинання кремнію добре узгоджується зі спектральної характеристикою сонячного випромінювання. За допомогою кремнію можна перетворювати в електроенергію близько 91% енергії падаючого світлового потоку, тобто частина сонячного спектра з довжиною хвилі 1,1 мкм і коротше.

ФЕП на основі кристалічного кремнію мають досить високу вартість, пов'язану, в першу чергу, з дорогою операцією різання кремнієвих злитків на пластини. Кремнієвий ФЕП має теоретичну граничну ефективність близько 30% при стандартних умовах (освітленість 1 кВт/м2, температура +25 оС, повітряна маса АМ1,5).

Аморфний кремній виступає більш дешевою альтернативою кристалічному кремнію. Оптичне поглинання аморфного кремнію в 20 разів вище, ніж кристалічного. Тому для істотного поглинання видимого світла досить плівки a-Si: Н товщиною 0,5 ... 1,0 мкм замість дорогих кремнієвих 240 мікронних підкладок. Крім того, для отримання аморфного кремнію у вигляді тонких плівок великої площі не потрібно операція різання, необхідна для ФЕП на основі монокристалічного кремнію. Все це скорочує витрату кремнію в 20 разів. Максимальний ККД ФЕП на основі a-Si: Н трохи нижче ККД кристалічних кремнієвих ФЕП і теоретично може досягати 16%.

Досить перспективним матеріалом, до якого прикута увага великої кількості дослідників, є арсенід галію, з використанням якого відразу вдалося отримати досить високий ККД. Незважаючи на деякі недоліки (крихкість, велика щільність), у арсеніду галію є безсумнівні переваги перед кремнієм. З огляду на велику ширини Еg його здатність перетворювати довгохвильове випромінювання обмежена (він поглинає випромінювання з довжиною хвилі менше 0,9 мкм), але це ж призводить до значно меншим значенням зворотних струмів (10-9 ... 10-10 А/см2 проти 10-6 ... 10-7 А/см2 в кремнієвих ФЕП), а також дає можливість отримувати великі значення Uxx = 0,7 ... 0,8 в і досить високий ККД. Крім того, ФЕП з цього матеріалу характеризуються більш повільним падінням ефективності із зростанням температури і підвищеною здатністю до поглинання сонячного випромінювання.

 

Сонячні батареї космічного і наземного застосування

До проблеми освоєння енергії сонячного світла залучено в даний час увагу фахівців різних наукових дисциплін. Особливо великі успіхи досягнуті на шляху створення напівпровідникових сонячних елементів (ФЕП) і батарей різних конструкцій. Все більший, легше і потужніше стають сонячні батареї (СБ) космічних апаратів і станцій, все ширше їх застосування на землі, все вище ККД і різноманітніше їх властивості.

Розвиток теорії та досвід минулих років дозволили описати фізичні механізми фотоефекту, визначити джерела втрат потужності в ФЕП, пояснити реально отримані ККД і вказати шляхи їх підвищення. Зонна теорія твердих тіл в поєднанні з термодинамікою системи напівпровідник-випромінювання дала можливість зробити оптимальний вибір вихідного напівпровідника, ввівши поняття і визначивши значення граничного теоретичного ККД. І хоча не завжди вдавалося довести рівень знань до розуміння всіх складних електронних процесів, що відбуваються в обсязі напівпровідника або на його поверхні - контактах з повітрям, металами або іншими речовинами. Проте, зазвичай з'ясовувалося, як можна уникнути впливу негативних явищ, посилити роль позитивних і розробити моделі удосконалення.

Незвичайні експлуатаційні умови (невагомість, глибокий вакуум, контрастні зміни температури) не дозволяють широко використовувати в умовах космосу відомі на Землі традиційні методи отримання електрики. Тому основним джерелом електроенергії для космічних апаратів є СБ України. І розвиток космічної техніки вимагає подальшого вдосконалення і підвищення техніко-економічних показників останніх. Робота в космосі пред'являє СЕ дуже жорсткі і часом суперечливі вимоги. Дійсно, поглинаючи щонайбільше світлової енергії, вони не повинні перегріватися. У той час як діоди і транзистори розміщуються в герметичних, іноді теплоізольованих приладових відсіках, панелі сонячних елементів нагріваються до +80 °С, коли їх висвітлює Сонце, і остигають до -150 °С під час заходу космічних апаратів в тінь Землі. Крім цього, сонячні батареї повинні мати здатність тривалий час протистояти потокам корпускулярного випромінювання, дії частинок високих енергій і метеоритним потокам.

Але не менш жорсткі вимоги пред'являються до фотоелектричним перетворювачів експлуатованим в наземних умовах. Це пов'язано зі зростаючим спектром застосування СБ України. Спочатку сонячні батареї використовувалися лише в портативній техніці, термін служби і енергоспоживання яких невелика. Зараз ФЕП використовуються як автономні джерела живлення для систем навігації та зв'язку, систем телекомунікацій і додаткові джерела електроенергії, які працюють в години пікового навантаження в електромережі. Ці джерела енергії повинні володіти великою потужністю, великим терміном служби і стійкістю до кліматичних умов. Самі ж ФЕП повинні бути недорогими і мати можливість з'єднання в великі батареї.

Найбільшого поширення набули кремнієві ФЕП, що пов'язано з добре розвиненою технологією, відносною дешевизною сировини і хорошими параметрами кремнію з точки зору безпосереднього перетворення сонячної енергії в електричну. Основними напрямками поліпшення параметрів фотоелектричних перетворювачів є: оптимізація параметрів існуючих перетворювачів, удосконалення технології виготовлення ФЕП з метою зниження матеріальних і енергетичних витрат на їх виготовлення, застосування нових матеріалів у технології ФЕП. Про це та багато іншого ми будемо ще не раз писати.

 

Вплив дефектів на кість ФЕП

У напівпровідникових матеріалах, які використовуються при виробництві фотоелектричних перетворювачів (ФЕП), спочатку мають місце дефекти різного типу, що залежать в першу чергу від способу і умов отримання напівпровідника. Активність дефектів визначається їх типом, розміром поля деформації, взаємодією дефектів один з одним і з домішками, розташуванням дефектів по відношенню до активних областях ФЕП, типом і особливостями виготовлення ФЕП.

Різні термічні і механічні процеси, які мають місце на всіх етапах виготовлення твердотільних ФЕП, можуть призводити до появи нових структурних дефектів, а також додаткових домішок в оброблюваному матеріалі. Крім того, в ході проведення технологічних операцій можливо зміни природи існуючих дефектів і розвиток нових дефектів. Дефектоутворення на кожній стадії технологічного процесу сильно залежить також від попередніх операцій і режимів проведення подальших операцій.

Структурні дефекти суттєво впливають на тривалість життя носіїв заряду і питомий опір матеріалу, що призводить в результаті до зміни вольтамперних характеристик ФЕП. Дефекти викликають збільшення струмів витоків, призводять до появи локального пробою p-n переходу, неоднорідності фронту дифузії домішок, обриву металізації, проколів оксиду, що в свою чергу призводить до деградації ФЕП, а також зниження відсотка виходу придатних виробів і їх надійності.

 

Дефекти конструкції кремнієвих ФЕП

До вихідних дефектів структури фотоелектричних перетворювачів відносяться агломерати точкових дефектів, дислокації і їх скупчення, планарні дефекти типу двійників, дефекти упаковки, межі зерен, а також преципітати і мікродефекти, які розташовані всередині зерен, макродефектів матеріалу і т.п. Відхилення в ході проведення технологічних операцій, забруднення поверхні і об'єму напівпровідникового матеріалу, рідких і газоподібних технологічних середовищ, термічні і механічні процеси також призводять до появи і розвитку дефектів, пов'язаних з недосконалістю конструкції ФЕП.

При дослідженнях зразків були виявлені наступні види конструктивних дефектів кремнієвих ФЕП: дефекти структури і забруднення поверхні кремнієвих пластин, дефекти структури антіотражающім покриття (АОП), нерівномірність глибини залягання тильного ізотипних переходу, механічні відколи по периметру пластин, дефекти контактної металізації.

Залишки порушеного шару кремнію призводять до збільшення швидкості поверхневої рекомбінації і зменшення спектрального відгуку ФЕП. Нерівномірність висоти пірамід текстури може бути причиною нерівномірності товщини АОП і, відповідно, збільшення інтегрального коефіцієнта оптичного відбиття від поверхні ФЕП. Наявність на поверхні пластин частинок металу та інших забруднень призводить до шунтування емітерного переходу.

Тріщини і пори в АОП виникають під час високотемпературних обробок пластин внаслідок різниці коефіцієнтів термічного розширення матеріалу покриття і кремнію. Ці дефекти призводять до зменшення оптичного коефіцієнта пропускання АОП і збільшення оптичних втрат.

Нерівномірність глибини залягання тильного ізотипних переходу має місце при неоптимальних або нестабільних режимах нанесення і вжигания алюмінію на тильній поверхні ФЕП. Зменшення глибини тильного ізотипних переходу призводить до зростання швидкості рекомбінації на тильній поверхні пластини і зниження напруги холостого ходу приладу.

Механічні відколи з'являються при контактах пластин з технологічним оснащенням, пінцетами і т.п., а також внаслідок неакуратних маніпуляцій з пластинами. Механічні відколи є причиною утворення в пластинах мікротріщин, які призводять до істотної деградації електричних параметрів ФЕП.

До дефектів контактної металізації відносяться:

  • розриви і нерівномірність ширини срібною контактної шини, ненадруковані ділянки і відхилення геометрії малюнка металізації внаслідок дефектів трафарету при нанесенні контактів методом трафаретного друку;
  • нерівномірність товщини металізації;
  • відсутність адгезії лицьовій або тильній контактної металізації внаслідок відхилення від оптимальних режимів вжигания і забруднень на поверхні пластин;
  • відшаровування і відпадання алюмінієвої металізації через різницю коефіцієнтів термічного розширення кремнію і алюмінію.

Дефекти контактної металізації призводять до виникнення механічних напруг пластин, зменшення щільності струму короткого замикання і неможливості з'єднання ФЕП в модулі для отримання заданих значень струму і напруги в робочій точці.

 

Зниження втрат енергії в ФЕП наземного застосування

Для зниження оптичних втрат, пов'язаних з неповним використанням падаючого на поверхню фотоелектричного перетворювача випромінювання, в даний час найбільш широко застосовуються такі методи:

  • структурування поверхні, що приводить до зниження інтегрального коефіцієнта відображення ФЕП;
  • нанесення на поверхню ФЕП одно- або двошарового антіотражающім покриття;
  • зменшення площі контактів на лицьовій поверхні для зниження втрат на затінення;
  • нанесення на тильну поверхню ФЕП металевого шару, що збільшує ефективність поглинання довгохвильового випромінювання за рахунок його багаторазового проходження через обсяг напівпровідника;
  • зменшення глибини емітерного переходу і зниження концентрації легуючої домішки поблизу лицьової поверхні для підвищення чутливості ФЕП в короткохвильової частини спектра.

Електричні втрати енергії зазвичай зменшуються за допомогою таких методів:

  • вибір оптимального кроку і товщини контактних шин на лицьовій поверхні для зниження послідовного опору ФЕП;
  • використання геттерірующіх обробок, що збільшують час життя неосновних носіїв заряду;
  • пассивация лицьовій поверхні для зниження швидкості поверхневої рекомбінації;
  • пассивация тильній поверхні і створення ізотипних переходу;
  • мінімізація площі контактів і додаткове легування приконтактних областей для зменшення рекомбінаційних втрат на кордоні розділу метал-напівпровідник.

(розгорнути малюнок в повному розмірі)


Друкувать

Залишилися питання по призначенню наших послуг?
Залиште нам заявку. Наші фахівці проконсультують Вас

Тема вашого запиту
Замовити дзвінок

^