Логотип Рентехно
(044) 332-81-90
Решения возобновляемой энергетики - Превышая ваши ожидания
enuaru

Best reasearch solar cell efficiencies

Главная » Блог » Солнечные фотоэлектрические преобразователи

Твердотельные солнечные элементы

Одним из наиболее доступных и долговечных, а также энергетически сбалансированных альтернативных источников энергообеспечения являются фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Реализация фотоэлектрических преобразователей или солнечных элементов, как правило, основывается на твердотельных технологиях и в целом хорошо отработана. Впервые фотовольтаический эффект был получен в 1941 году, а первый (ФЭП) создан в 1954 году на основе диффузионного кремниевого p-n перехода. Впоследствии были разработаны и созданы ФЭП на основе других полупроводников с использованием различных конструкций.

При выборе исходного материала для твердотельных ФЭП в первую очередь необходимо учитывать ширину запрещенной зоны полупроводника, которая обуславливает максимальную удельную мощность фотопреобразователя. В настоящее время наиболее пригодными для изготовления твердотельных ФЭП считаются следующие полупроводники: кремний (Si), теллурид кадмия (CdTe), арсенид галлия (GaAs) и фосфид индия (InP).

Сегодняшние фотоэлектрические преобразователи могут быть классифицированы на основании используе­мых для их изготовления материалов, которые делятся на кристаллические и тонкопленочные, поликристаллические или аморфные.

К твердотельным кристал­лическим материалам в первую очередь относятся монокристаллический и мультикристаллический кремний, выращенные методом вытягивания через фильеру профилированные ленты кремния, дендритные кремниевые ленты, арсенид галлия. К тонкопленочным материалам относятся полупроводники, выращенные на электрически активных или пассивных подложках, а именно аморфный кремний, теллурид кадмия, диселенид меди и индия.

Наибольшее распространение получили твердотельные кремниевые ФЭП, так как спектральная характеристика поглощения кремния хорошо согласуется со спектральной характеристикой солнечного излучения. При помощи кремния можно превращать в электроэнергию около 91% энергии падающего светового потока, т.е. часть солнечного спектра с длиной волны 1,1 мкм и короче.

ФЭП на основе кристаллического кремния имеют достаточно высокую стоимость, связанную, в первую очередь, с дорогостоящей операцией резки кремниевых слитков на пластины. Кремниевый ФЭП имеет теоретическую предельную эффективность около 30% при стандартных условиях (освещенность 1 кВт/м2, температура +25 оС, воздушная масса АМ1,5).

Аморфный кремний выступает более дешевой альтернативой кристаллическому кремнию. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки a-Si:Н толщиной 0,5...1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 240 микронных подложек. Кроме того, для получения аморфного кремния в виде тонких пленок большой площади не требуется операция резки, необходимая для ФЭП на основе монокристаллического кремния. Все это сокращает расход кремния в 20 раз. Максимальный КПД ФЭП на основе a-Si:Н несколько ниже КПД кристаллических кремниевых ФЭП и теоретически может достигать 16%.

Достаточно перспективным материалом, к которому привлечено внимание большого числа исследователей, является арсенид галлия, с использованием которого сразу удалось получить достаточно высокий КПД. Несмотря на некоторые недостатки (хрупкость,большая плотность), у арсенида галлия имеются несомненные преимущества перед кремнием. В силу большой ширины Еg его способность преобразовывать длинноволновое излучение ограничена (он поглощает излучение с длиной волны менее 0,9 мкм), но это же приводит к значительно меньшим значениям обратных токов (10-9...10-10 А/см2 против 10-6...10-7 А/см2 в кремниевых ФЭП), а также дает возможность получать большие значения Uxx = 0,7...0,8 В и достаточно высокий КПД. Кроме того, ФЭП из этого материала характеризуются более медленным падением эффективности с ростом температуры и повышенной способностью к поглощению солнечного излучения.

 

Солнечные батареи космического и наземного применения

К проблеме освоения энергии солнечного света привлечено в настоящее время внимание специалистов разных научных дисциплин. Особенно большие успехи достигнуты на пути создания полупроводниковых солнечных элементов (ФЭП) и батарей различных конструкций. Все крупнее, легче и мощнее становятся солнечные батареи (СБ) космических аппаратов и станций, все шире их применение на земле, все выше КПД и разнообразнее их свойства.

Развитие теории и опыт прошедших лет позволили описать физические механизмы фотоэффекта, определить источники потерь мощности в ФЭП, объяснить реально получаемые КПД и указать пути их повышения. Зонная теория твердых тел в сочетании с термодинамикой системы полупроводник-излучение дала возможность сделать оптимальный выбор исходного полупроводника, введя понятие и определив значение предельного теоретического КПД. И хотя не всегда удавалось довести уровень знаний до понимания всех сложных электронных процессов, происходящих в объеме полупроводника или на его поверхности — контактах с воздухом, металлами или другими веществами. Тем не менее, обычно выяснялось, как можно избежать влияния отрицательных явлений, усилить роль положительных и разработать модели усовершенствования.

Необычные эксплуатационные условия (невесомость, глубокий вакуум, контрастные изменения температуры) не позволяют широко использовать в условиях космоса известные на Земле традиционные методы получения электричества. Поэтому основным источником электроэнергии для космических аппаратов являются СБ. И развитие космической техники требует дальнейшего совершенствования и повышения технико-экономических показателей последних. Работа в космосе предъявляет СЭ очень жесткие и подчас противоречивые требования. Действительно, поглощая возможно больше световой энергии, они не должны перегреваться. В то время как диоды и транзисторы размещаются в герметизированных, иногда теплоизолированных приборных отсеках, панели солнечных элементов нагреваются до +80 °С, когда их освещает Солнце, и остывают до −150 °С во время захода космических аппаратов в тень Земли. Кроме этого, солнечные батареи должны обладать способностью длительное время противостоять потокам корпускулярного излучения, действию частиц высоких энергий и метеоритным потокам.

Но не менее жесткие требования предъявляются к фотоэлектрическим преобразователям эксплуатируемым в наземных условиях. Это связанно с возрастающим спектром применения СБ. Первоначально солнечные батареи использовались лишь в портативной технике, срок службы и энергопотребление которых невелико. Сейчас ФЭП используются как автономные источники питания для систем навигации и связи, систем телекоммуникаций и дополнительные источники электроэнергии, которые работают в часы пиковой нагрузки в электросети. Эти источники энергии должны обладать большой мощностью, большим сроком службы и стойкостью к климатическим условиям. Сами же ФЭП должны быть недорогими и иметь возможность соединения в большие батареи.

Наибольшее распространение получили кремниевые ФЭП, что связанно с хорошо развитой технологией, относительной дешевизной сырья и хорошими параметрами кремния с точки зрения непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую. Основными направлениями улучшения параметров фотоэлектрических преобразователей являются: оптимизация параметров существующих преобразователей, усовершенствование технологии изготовления ФЭП с целью понижения материальных и энергетических затрат на их изготовление, применение новых материалов в технологии ФЭП. Об этом и многом другом мы будем еще не раз писать.

 

Влияние дефектов на качество ФЭП

В полупроводниковых материалах, которые используются при производстве фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), изначально имеют место дефекты различного типа, зависящие в первую очередь от способа и условий получения полупроводника. Активность дефектов определяется их типом, размером поля деформации, взаимодействием дефектов друг с другом и с примесями, расположением дефектов по отношению к активным областям ФЭП, типом и особенностями изготовления ФЭП.

Различные термические и механические процессы, которые имеют место на всех этапах изготовления твердотельных ФЭП, могут приводить к появлению новых структурных дефектов, а также дополнительных примесей в обрабатываемом материале. Кроме того, в ходе проведения технологических операций возможно изменения природы существующих дефектов и развитие новых дефектов. Дефектообразование на каждой стадии технологического процесса сильно зависит также от предыдущих операций и режимов проведения последующих операций.

Структурные дефекты существенно влияют на время жизни носителей заряда и удельное сопротивление материала, что приводит в итоге к изменению вольтамперных характеристик ФЭП. Дефекты вызывают увеличение токов утечек, приводят к появлению локального пробоя p-n перехода, неоднородности фронта диффузии примесей, обрыву металлизации, проколам окисла, что в свою очередь приводит к деградации ФЭП, а также снижению процента выхода годных изделий и их надежности.

 

Дефекты конструкции кремниевых ФЭП

К исходным дефектам структуры фотоэлектрических преобразователей относятся агломераты точечных дефектов, дислокации и их скопления, планарные дефекты типа двойников, дефекты упаковки, границы зерен, а также преципитаты и микродефекты, которые расположенные внутри зерен, макродефекты материала и т.п. Отклонение в ходе проведения технологических операций, загрязнение поверхности и объема полупроводникового материала, жидких и газообразных технологических сред, термические и механические процессы также приводят к появлению и развитию дефектов, связанных с несовершенствами конструкции ФЭП.

При исследованиях образцов были выявлены следующие виды конструктивных дефектов кремниевых ФЭП: дефекты структуры и загрязнения поверхности кремниевых пластин, дефекты структуры антиотражающего покрытия (АОП), неравномерность глубины залегания тыльного изотипного перехода, механические сколы по периметру пластин, дефекты контактной металлизации.

Остатки нарушенного слоя кремния приводят к увеличению скорости поверхностной рекомбинации и уменьшению спектрального отклика ФЭП. Неравномерность высоты пирамид текстуры может являться причиной неравномерности толщины АОП и, соответственно, увеличения интегрального коэффициента оптического отражения от поверхности ФЭП. Наличие на поверхности пластин частиц металла и других загрязнений приводит к шунтированию эмиттерного перехода.

Трещины и поры в АОП возникают во время высокотемпературных обработок пластин вследствие разности коэффициентов термического расширения материала покрытия и кремния. Эти дефекты приводят к уменьшению оптического коэффициента пропускания АОП и увеличению оптических потерь.

Неравномерность глубины залегания тыльного изотипного перехода имеет место при неоптимальных или нестабильных режимах нанесения и вжигания алюминия на тыльной поверхности ФЭП. Уменьшение глубины тыльного изотипного перехода приводит к возрастанию скорости рекомбинации на тыльной поверхности пластины и снижению напряжения холостого хода прибора.

Механические сколы появляются при контактах пластин с технологической оснасткой, пинцетами и т.п., а также вследствие неаккуратных манипуляций с пластинами. Механические сколы являются причиной образования в пластинах микротрещин, которые приводят к существенной деградации электрических параметров ФЭП.

К дефектам контактной металлизации относятся:

  • разрывы и неравномерность ширины серебряной контактной шины, непропечатанные участки и отклонения геометрии рисунка металлизации вследствие дефектов трафарета при нанесении контактов методом трафаретной печати;
  • неравномерность толщины металлизации;
  • отсутствие адгезии лицевой или тыльной контактной металлизации вследствие отклонения от оптимальных режимов вжигания и загрязнений на поверхности пластин;
  • отслаивание и отпадение алюминиевой металлизации из-за разности коэффициентов термического расширения кремния и алюминия.

Дефекты контактной металлизации приводят к возникновению механических напряжений пластин, уменьшению плотности тока короткого замыкания и невозможности соединения ФЭП в модули для получения заданных значений тока и напряжения в рабочей точке.

 

Снижение потерь энергии в ФЭП наземного применения

Для снижения оптических потерь, связанных с неполным использованием падающего на поверхность фотоэлектрического преобразователя излучения, в настоящее время наиболее широко применяются следующие методы:

  • структурирование поверхности, приводящее к снижению интегрального коэффициента отражения ФЭП;
  • нанесение на поверхность ФЭП одно- или двухслойного антиотражающего покрытия;
  • уменьшение площади контактов на лицевой поверхности для снижения потерь на затенение;
  • нанесение на тыльную поверхность ФЭП металлического слоя, увеличивающего эффективность поглощения длинноволнового излучения за счет его многократного прохождения через объем полупроводника;
  • уменьшение глубины эмиттерного перехода и снижение концентрации легирующей примеси вблизи лицевой поверхности для повышения чувствительности ФЭП в коротковолновой части спектра.

Электрические потери энергии обычно уменьшаются при помощи следующих методов:

  • выбор оптимального шага и толщины контактных шин на лицевой поверхности для снижения последовательного сопротивления ФЭП;
  • использование геттерирующих обработок, увеличивающих время жизни неосновных носителей заряда;
  • пассивация лицевой поверхности для снижения скорости поверхностной рекомбинации;
  • пассивация тыльной поверхности и создание изотипного перехода;
  • минимизация площади контактов и дополнительное легирование приконтактных областей для уменьшения рекомбинационных потерь на границе раздела металл-полупроводник.

 

Ниже вы можете ознакомиться с наглядным графиком, иллюстрирующим последние достижения по эффективности фотоэлектрических преобразователей, изготовленных по различным технологиям.

Рекорды эффективности для фотоэлектрических преобразователей

(развернуть график в полном размере)


Печать

Остались вопросы по назначению наших услуг?
Оставьте нам заявку. Наши специалисты проконсультируют Вас

Тема вашего запроса
Заказать звонок

^