1.2.3 Аморфные солнечные элементы

Солнечные элементы из аморфного кремния представляют собой тончайшие слои кремния, полученные путем напыления в вакууме на стекло, пластик или фольгу из высококачественного металла. КПД солнечной панели на основе аморфного кремния составляет всего 5-6 %, что вызвано более быстрым, чем у кристаллических видов, выгоранием слоев кремния под воздействием солнечной радиации. Поэтому эффективность солнечных батарей на основе аморфного кремния уже через два месяца эксплуатации снижается почти на 20%, а через год-полтора батарея может совсем выйти из строя.

Внешне панель из аморфного кремния выглядит блекло-сероватой.

Производство элементов из аморфного кремния является безотходным, что существенно уменьшает их стоимость. Несмотря на низкий КПД, элементы из аморфного кремния способны более эффективно использовать рассеянный солнечный свет, а при нагреве элементов выход электроэнергии больше, чем у кристаллических в аналогичных условиях.

Исходным материалом для производства кремниевых аморфных фотоэлементов является силан (SiH4), так называемый кремневодород, который наносится на материал подложки. Слой нанесенного кремния в 100 раз тоньше кристаллического кремниевого фотоэлемента.

В сравнении с кристаллическими кремниевыми элементами аморфные обладают рядом преимуществ, одним из которых является возможность и сравнительная простота создания элементов большой площади (более 1 м) при более низких температурах осаждения, а также наличие специфических полупроводниковых свойств, которыми можно управлять для получения требуемых характеристик, подбирая оптимальные комбинации компонентов пленки.

Рисунок 1.2.3 Аморфная солнечная батарея

1.3Виды фотоэлементов

Для эффективной работы фотоэлементов необходимо соблюдение ряда условий:

• оптический коэффициент поглощения (а) активного слоя полупроводника должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение существенной части энергии солнечного света в пределах толщины слоя;

• солнечный элемент должен обладать значительной высотой барьера в полупроводниковом переходе;

• генерируемые при освещенииэлектроны и дырки должны эффективно собиратся на контактных электродах с обеих сторон активного слоя;

• полное сопротивление, включенное последовательно с солнечным элементом (исключая сопротивление нагрузки), должны малым для того, чтобы уменьшить потери мощности (джоулево тепло) в процессе работы;

- структура тонкой пленки должна быть однородной по всей активной облости солнечного элемента, чтобы исключить закорачивание и влияние шунтирующих сопротивлений на характеристики элемента.

1.4 Фотоэлементы первого поколения

Рабочим элементом этих ячеек являются пластины монокристаллического илимультикристаллического кремния. Фотоэлементы этого типа составляют более 80% всехфотоэлементов. Монокристаллические пластины получают, разрезая слитки монокристалловкремния, выращенных методом плавающей зоны, или методом Чохральского.Мультикристаллические пластины получают, разрезая поликристаллические слиткикремния, полученные при направленной кристаллизации в тигле.

Эти пластины состоят из ориентированных монокристаллов кремния размером отнескольких миллиметров до сантиметра и более. Пластины нарезают механическимспособом или лазером. Толщина пластин составляет 200-300 мкм. Кремниевые солнечныеэлементы с рекордной эффективностью фотопреобразования в 24,7% выполнены на основемонокристаллического кремния, выращенного методом плавающей зоны. Используямонокристаллический кремний, выращенный методом Чохральского, который существеннодешевле, чем монокристаллический кремний, полученный методом плавающей зоны,компания Sanyo (Япония) освоила промышленное производство солнечных панелей сосредней эффективностью ~20%, а на элементах размером ~100 см2 была достигнута

эффективность в 21,5%. Особенностью этих элементов является наличие дополнительныхслоевширокозонного полупроводника (в случае элементов Sanyo - это аморфный кремний,осажденный методом PECVD) с обеих сторон кремниевой пластины, что повышает ихэффективность.

За последние 30-40 лет были разработаны более 20 технологий, направленных наснижение потерь кремния при производстве пластин кремния из слитков. В частности,

разработан метод роста восьмигранных слитков кремния (вместо круглых), основанный навытягивании слитков из расплава при помощи восьмигранной графитовой фильеры. Тонкиевосьмигранные листы кремния, нарезанные из таких слитков, позволяют их плотнуюукладку при производстве модулей без потерь кремния на придание им такой рациональнойформы. Также разработаны малоотходные технологии резки слитков, в частности, резка

проволочной пилой, позволяющая уменьшить ширину реза и получать листы кремниятолщиной до 100 мкм. В настоящее время широко используется лазерная резка,позволяющая повысить производительность процесса. Другой способ, позволяющий болееэффективно использовать монокристаллический кремний, состоит в том, что слитокразрезают на прямоугольные пластины толщиной 1-2 мм, которые, используя технику

микромашинной резки, нарезают на пластинки толщиной ~50 мкм, шириной соответственно1-2 мм и длиной до 10 см.

К элементам первого поколения можно отнести и элементы, использующие толстые(~100-300 мкм) листы кремния, полученные «бесслитковым» способом прямо из расплавакремния. В соответствии с одним способом, называемым «полоса со струнами»(theStringRibbonprocess), две струны (натянутых волокна) из высокотемпературногодиэлектрического материала протягиваются через маленькие отверстия в дне графитовоготигля с расплавом кремния. Струны ограничивают полоску кремния, стабилизируют ее крайи позволяют проводить непрерывное вытягивание полоски из расплава при постоянномпополнении кремния в тигле. Обычно ширина полоски составляет около 8 см, а толщина100-150 мкм. Одновременно из одного тигля можно вытягивать несколько полосок. Струнысохраняются в полоске на протяжении всего процесса изготовления солнечного модуля.Качество получаемого кремния аналогично мультикристаллическому материалу и позволяетпроизводить модули с эффективностью 14%. В соответствии с другим способом черезрасплав кремния протягивается лента из графитовой фольги, на обеих сторонах которойкристаллизуется кремний. После обрезания края ленты ее нарезают на листы необходимогоразмера и проводят их термоокислительную обработку, в результате которой графитвыгорает и от каждой заготовки остаются два листа кремния толщиной ~150 мкм. Этотспособ отличается высокой производительностью. Также широко применяется способ,состоящий в плавлении порошка или гранул кремния на высокотемпературных подложках споследующей кристаллизацией; листы кремния отделяют от подложек, которыеиспользуются многократно. Скорость процесса 3 м/мин при ширине ленты 20 см и более,толщина ленты не более 1 мм. Ленты состоят из столбчатых кристаллов, прорастающих на

всю толщину ленты и имеющих размер около миллиметра. Способ отличается простотой иочень большой производительностью, но модули, изготовляемые из такого материала, имеютэффективность только около 9%.

1.5 Фотоэлементы второго поколения

Рабочим элементом этих ячеек являются тонкие пленки полупроводников как неорганических, так и органических.

1.5.1 Фотоэлементы на основе аморфного кремния

Тонкие пленки аморфного кремния наиболее часто получают методом осаждения изпаровой фазы с использованием плазмы (PECVD). В качестве источника кремнияиспользуют силан или его производные. Температура осаждения 250-400оС, что позволяетиспользовать в качестве подложек не только металлические ленты, но также стекло и дажеполимерные пленки. В случае гибких подложек, таких как металлические или полимерныеленты, осаждение может проводиться в непрерывном процессе при протяжке ленты-

подложки через реактор. Эта технология отличается высокой производительностью, апленки – соответственно низкой стоимостью.

Аморфный кремний всегда содержит водород в количестве от 5 до 20 ат. %, которыйблокирует оборванные связи кремния, поэтому он является гидрогенизированной формойкремния. Гидрогенизированный аморфный кремний (aSi:H) является прямозоннымполупроводником с шириной запрещенной зоны 1,7 эВ и высоким коэффициентомоптического поглощения (α>105 cm-1 для фотонов с энергией Е>1,7 эВ). Это означает, что

пленка толщиной всего несколько микрон поглотит большую часть солнечного излучения.При легировании пленки аморфного кремния германием ширина запрещенной зоныуменьшается, а при добавлении углерода – увеличивается. Это позволяет создаватьсолнечные элементы с двумя или тремя гетеропереходами, перекрывающими практическивесь солнечный спектр. Эффективность фотопреобразования таких элементов достигает12%. Недостатком является деградация физических свойств элемента под действиемсолнечного излучения – эффект Штеблера-Вронского (theStaebler-Wronskieffect). Чтобыповысить стабильность свойств фотоэлементов в качестве полупроводника используют неаморфный кремний, но двухфазный материал, содержащий включения микро или нано

кристаллов кремния в аморфной матрице, который известен как микрокристаллический илинанокристаллический кремний. Такой материал получается при добавлении водорода вреакционную смесь. При высоком содержании кристаллической фазы свойства материалавсе больше соответствуют свойствам мультикристаллического кремния. Помимо ячеек наоснове двухфазного материала разрабатываются гибридные ячейки: аморфныйSi/микрокристаллический (нанокристаллический) Si, которые в литературе называют«микро-морфные» устройства. Эти устройства обладают более высокой эффективностью истабильностью, чем устройства на основе только аморфного кремния. Следует отметить, чтопленки аморфного кремния нашли и другое применение – в качестве пассивирующегопокрытия пластин монокристаллического кремния модулей первого поколения. Такоепокрытие снижает поверхностную рекомбинацию носителей заряда на два порядка, чтоприводит к существенному повышению эффективности фотопреобразования. Эти элементыразработаны компанией Sanyo (Япония) и получили название «гетеропереходы свнутреннимтонкимслоем» ("HeterojunctionwithIntrinsicThinlayer - HIT). Компания Sanyoналадила промышленный выпуск модулей на основе HIT-структуры с эффективностьюпреобразования 21,5%.