3.6. Требования к материалам и технология производства солнечных элементов и батарей

Существует много различных вариантов и промышленных изделий солнечных элементов и батарей, а также методов их производства. Кратко опишем конструкцию одного из них – стандартного монокристаллического кремниевого солнечного элемента. Общий вид такого элемента показан на рис. 3.1

Главные технические требования к материалам сводятся к следующему.

1. Исходный материал должен быть химически очень чистым и с устойчивыми свойствами. Необходимо обеспечить общий контроль над процессом их изготовления и высокий уровень точности.

2. Солнечные элементы должны производиться в большом количестве при минимальной стоимости.

3. Солнечные элементы должны иметь срок службы не менее 20 лет в условиях воздействия окружающей среды. Следует иметь в виду, что даже без концентрации солнечного излучения рабочая температура элемента может измениться в пределах от –30 ⁰С до +200 ⁰С.

4. Электрические контакты должны быть стабильными и влагозащищенными от всех видов коррозии.

5. В целом конструкция солнечной батареи должна быть таковой, чтобы разрушение одного из элементов не приводило к выходу из строя всей батареи и системы в целом. Для этого используются параллельные и последовательные соединения элементов, которые, в случае выхода из строя какого-либо элемента (или группы элементов), исключают возможность выхода из строя других элементов.

6. Сборные модули и батареи должны быть пригодны для транспортировки, даже в труднодоступные и отдаленные регионы любым видом транспорта.

7. Для получения монокристаллов кремния применяют высокочистые электронные полупроводниковые материалы в виде поликристаллических заготовок, концентрация примесей в которых должна быть меньше, чем один атом на 10⁹ атомов основного вещества, т.е. меньше, чем 10¹⁸ атомов в 1 м³.

Наиболее широко для производства монокристаллов кремния используют следующие методы.

Первый. Метод Чохральского. Это хорошо отработанная методика выращивания монокристаллов состоит в погружении небольшого затравочного кристаллика в расплавленный материал (рис. 3.20, а). Примеси добавляются в расплав. И затем кристаллик-зародыш начинают вытягивать с малой скоростью (обычно 1…10 мм/час). При этом кристалл-затравку обычно еще и вращают вокруг оси со скоростью 1…2 об/мин для более равномерного распределения примесей.

Диаметр такого кристалла может быть до 15…20 см. Выращенный таким образом монокристалл затем разрезается на части толщиной примерно 300 мкм. На эти распилы расходуется около 40…50 % монокристаллического материала, что ведет к значительной дороговизне этого процесса.

Вторым часто используемым методом является зонная плавка или рекристаллизация. В этом случае поликристаллическому материалу придают форму стержня. Зона расплава проходит вдоль стержня вследствие нагрева током высокой частоты или лазером (рис. 3.20, б) Справедливости ради следует заметить, что этот метод чаще используется для очистки материалов, но его можно применять и для выращивания монокристаллов. И все же процесс резки кристаллов на такие пластины и в этом методе необходим.

Третий метод, используемый часто для получения монокристаллов, называется ленточным методом (в отечественной литературе – методом Степанова). Этот метод исключает резку кристалла и появление неизбежных отходов, поскольку сразу выращивается тонкая лента монокристалла до 10…15 см шириной и толщиной 300  мкм (рис. 3.20) Лента может наматываться на барабан большого диаметра. По мере необходимости от нее отрезаются полосы для изготовления солнечного элемента.

Четвертым методом является вакуумное напыление, но для получения слоев кремния толщиной 300 мкм он является очень сложным и часто ведет к браку из-за сложности поддержания стабильных параметров напыления. Но этот метод формирования поверхностного слоя металла используется в производстве диодов Шоттки.

в)

б)

а)

Рис. 3.20. Схемы некоторых методов выращивания монокристаллов: метод Чохральского (а); зонная плавка (б); ленточный метод (метод Степанова)

Для получения заготовок пластин кремния можно использовать также литье. Однако в этом случае материал получается поликристаллическим и эффективность его не столь высока. Но зато процесс очень дешевый.

В процессе изготовления монокрислаллических пластин кремния толщиной 300…400 мкм их подвергают обычно химическому травлению. Тонкий слой материала n-типа формируется в процессе диффузии доноров (например, фосфора) в поверхностный слой.

Чаще всего пленки нагревают в атмосфере с добавкой POCl₃.

Для формирования сетки электрических контактов применяется метод фотолитографии. Сначала для создания низкоомного контакта с кремнием испаряют титан, а затем очень тонкий слой палладия, во избежание химического взаимодействия титана с серебром, тонкий слой которого осаждают последним для получения токопроводящей сетки (рис. 3.1). Среди других методов используют иногда гальваностегию и печатный монтаж.

Последними в технологическом процессе вакуумного испарения наносятся противоотражательные слои. Чаще других для этой цели используется алюминий. В процессе диффузии алюминия у тыльной поверхности образуется добавочный потенциальный барьер из р⁺ в материалах р-типа. На него наносится электрический металлический контакт в виде относительно толстого внешнего слоя. Для текстурированных поверхностей противоотражательные свойства создаются чаще всего химическим травлением, а структурированные слои –методом фотолитографии.

Отдельно взятые фотоэлементы (примерно 10х10 см²) собирают в модули по 30–33 штуки. Каждый модуль обычно состоит из трех-пяти столбов последовательно соединенных элементов (рис. 3.16). Такое устройство создает ЭДС порядка 15 В, что вполне достаточно для аккумуляторной батареи до 12 В.

При плотном расположении круглых фотоэлементов теряется до 15% площади модуля. Элементы обычно располагают в инертном наполнителе между прозрачной передней крышкой, изготовленной чаще всего из пластика, не пропускающего ультрафиолетовые излучения, и пластиной с тыльной стороны, которая должна быть достаточно прочной и иметь низкое термическое сопротивление. Крышка должна быть герметично запаяна и водонепроницаема при любых внешних воздействиях, включая большие термические перегрузки.