CC BY
142
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Васильев Л.Л. Перспективы применения тепловых насосов в Республике Беларусь // ИФЖ. 2005. Т. 78. № 1. С. 23-34.
2. Vasiliev L. L., Morgun V. A., Rabetsky M. I. Heat Transfer Device. US Patent No. 4554966, 26.11.1985.
3. Vasiliev L. L., Vasiliev L. L., Jr. Modeling of Heat and Mass Transfer in Sorption and Chemisorption Heat Converters and Their Optimisation. In: Heat Pipes and Solid Sorption Transformators: Fundamentals and Practical Applications. Ed. by L. L. Vasiliev, S. Kakag. CRC Press, Taylor & Francis Group, Boca Raton . London - New York, 2013. Р. 213-258.
4. Zhuravlyov A. S., Vasiliev L. L., Vasiliev L. L. Jr. Heat Pipe Science and Technology. An International Journal. 2013. Vol. 4, No. 1-2. P. 3952.
УДК 620.91
А.В. БОБЫЛЬ, доктор физ.-мат. наук; Е.И. ТЕРУКОВ, доктор тех.наук
ФТИ им. А.Ф. Иоффе, Санкт-Петербург
РАЗРАБОТКА ДЕШЕВЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ Si С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ
В ФТИ им. Иоффе совместно с НТЦ при ФТИ им.А.Ф. Иоффе были изготовлены, исследованы и переданы в промышленное производство 2 типа кремниевых солнечных элементов (1) тонкопленочные тандемного типа (кпд 12 %), и (2) гетероструктурные (кпд 20 %) на основе аморфно-микрокристаллических и аморфно кристаллических структур, соответственно. Совместно с НТЦ эффективность солнечных элементов повешена путем использования запатентованных технологий пассивации интерфейсов и плазмохимического осаждения аморфных слоев. Их стоимость понижена путем удешевления технологии, использованием стандартного промышленного оборудования и возможным большим объемом производства солнечных модулей (до 1 ГВт в год) в условиях завода Новочебоксарска, Россия.
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2016. Вып. 88._
Ключевые слова: солнечные элементы, тонкопленочный модуль, плазмохимические технологии.
A.V. BOBYL, Dr. Sci. in Physics and Mathematics; E. I. TERUKOV, DSc (Engineering)
Ioffe Institute, Saint Petersburg
DEVELOPMENT OF LOW-COST SI-BASEDSOLAR CELLS USING PLASMA CHEMICAL TECHNOLOGIES
Ioffe Institute, together with R&D Center within its structure,manufactured, investigated and transferred to industrial production 2typesof silicon solar cells - (1) thin-film tandem cells with 12% efficiency, and (2) heterostructure cells with 20% efficiencybased on amorphous microcrystalline and amorphous crystalline structures, respectively. The efficiency of solar cells was increased through the use ofpatent-protected technologies of interfaces passivation and plasma chemical deposition of amorphous layers. Their cost was reduced by the cheaper technology, use of standard industrial equipment and the possible large productionvolume of solar modules (up to 1 GW per year) on the premises of the plant in Novocheboksarsk town, Russia.
Keywords: solarcell, thin-film module, plasma chemical technology.
Анализ тенденций развития рынка солнечной энергетики показывает, чтоконкурентно способными будут солнечные элементы (СЭ) с удельной стоимостьюсущественно менее 0.5 $/Вт. В качестве перспективных технологий можно выделить, во-первых, использование монокристаллического кремния (c-Si) с эффективностью неменее 20%. Недостатком является высокая стоимость пластин c-Si, до 50 % стоимостиСЭ. Поэтому, и во вторых, актуальными являются технологии менее эффективных СЭ,но не критичных к стоимости сырья, например, двухкаскадные и трехкаскадныетонкопленочные СЭ, либо они же в комбинации с использованием дешевыхмультикристаллических подложек, слоев.
Существенные преимущества среди технологий по первому направлению имеет Н^технология (HeterojunctionwithIntrinsicThin-Layer), базирующаяся на формировании гетероперехода при помощи тонких пленок аморфного кремния (a-Si:H), нанесенных на поверхность пластины c-Si. Эти СЭ обладают всеми преимуществами, в том числеклассических СЭ на основе c-Si, включая рекордные на сегодняшний день лабораторные
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_
эффективности для c-Si и HIT 24,7 и 25, 6 %, соответственно. Важно, что HIT СЭ изготавливаются с использованием низкотемпературных процессов (плазмохимии). Это позволяет снизить толщину пластины до 100 мкм, которая является критической для классических СЭ. Так как на этих толщинах высокотемпературное формирования в них p-n-перехода (диффузия и ионная имплантация) приводит к их деформации, что затрудняет сборку СЭ в модули. Лидерами этих работ являются фирмы Panasonic, Meyer Burger, TetraSun. ФТИ им. А.Ф. Иоффе и «НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике приФТИ им. А.Ф. Иоффе» на промышленно-экспериментальном оборудовании разработаны СЭ по HIT-технологии с эффективностью более 22 % с использованием пластинразмером 156х156 мм .Относительно второго направления необходимо заметить, что на первый взглядочевидным путем является использование дешевых мультикристаллических подложек. Однако реально их удельная стоимость уменьшается не более 5% по сравнению склассическими СЭ на основе c-Si. Ключевым здесь является наличие операции механической нарезки подложек Si. Технологически более сложным и перспективным является использование тонких мультикристаллических Si слоев, нанесенных на механически прочные подложки (стекло, керамика), поскольку для эффективной работыСЭ достаточно толщины кремния порядка 10 мкм. Существует несколько подходов формирования Si слоев:
-лазерная кристаллизация слоев аморфного Si (Institute for Silicon Photovoltaics, Helmholtz-ZentrumBerlinfurMaterialienundEnergie,
Kekulestr, Germany) [1];
- использование стеклянной подложки, на которой размещают пластиныкристаллического кремния (40 мкм), и сборка полномасштабного модуля (InteruniversityMicroelectronicsCentre, IMEC, Leuven, Belgium ) [2];
- получение слоев Si термическим распылением предварительно отожжённых порошков металлургического Si (SINTEF MK, Forskningsveien 1, 0314 Oslo, Norway) [3];
-спин-офф технология с использованием слоя пористого Si и эпитаксии на нем слоевSi, толщинойменее 50 мкм. (FraunhoferInstituteforSolarEnergySystems(ISE), Freiburg, Germany)[4].
Для примера, последний вариант в принципе может быть реализован в промышленном масштабе, а стоимость эпитаксиального слоя кремния может бытьуменьшена в 10 раз. Процесс включает: -
37
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2016. Вып. 88._
электрохимическое формирование на Si^acra^ слоя пористого Si; -водородный отжиг; -перераспределение водорода впористом слое с формированием на поверхности сплошного слоя, а на интерфейсе -пористого слоя; -эпитаксиальный рост слоя, его отделение от подложки и перенос напрочную основу.
В ФТИ им.А.Ф. Иоффе с 80-х годов проводятся работы по исследованиям аморфныхгидрогенизированных полупроводников, по разработке технологий солнечныхэлементов на их основе. Часть работ проводилась в тесной кооперации с иностранными партнерами из Германии (Hahn-MaitnerInstitut, ), Франции ( EcolePolytechnigue),OerlikonSolar (Швейцария), NextEnergy (Германия), MeyerBurger (Швейцария) и др. В«НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ им. А.Ф. Иоффе» на промышленно-экспериментальном оборудовании разработан тонкопленочный микроморфный СЭ с эффективностью более 12 % размером 110х130 см2, разработан Н1ТСЭ с эффективностью более 22 % с использованием пластин размером 156х156 мм . Нижекратко изложены результаты этих исследований.
Исследования тонкопленочных микроморфных СЭ.
Одним из актуальных и важных направлений исследований СЭ на основе пленок a-Si:H и цс-SrH является изучение процессов фотоиндуцированной (световой) деградации[5]. Это явление тесно связано с эффектом снижения фотопроводимости при длительном освещении (эффект Стаблера - Вронского).
В качестве объекта исследования были выбраны двухпереходные ФП со структуройа^:Н/цс^:Н, изготовленные по
модифицированной технологии OerlikonSolarLtd(Швейцaрия) [5].
2
Размеры тестовых образцов составляли 100 х 100 мм , в которых методом лазерного скрайбирования выделялась фотоактивная часть размером 60 х 66 мм с площадью открытой поверхности 37,95 см2, состоящая из 10 фотоэлектрических ячеекравной площади, соединенных последовательно. Проводились
исследованияфотоиндуцированной деградации при температурах 298, 328 и 353 К (Рис. 1).Длительность светового воздействия на СЭ на рисунках отображена в приведенномк потоку 1 Х масштабе времени. При приведении временного масштаба учитывалось,что динамика изменения параметров ФП пропорциональна квадрату интенсивностиоблучения, т.е. при облучении светом с эквивалентной интенсивностью 5 X, скоростьсветовой деградации увеличивается в
38
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_
25 раз, а при интенсивности 10 X - в 100 раз.Из рисунка 1 видно, что для СЭ, облучавшихся при температуре 298 К насыщениефотоиндуцированной деградации достигалось после 200 часов облучения в приведенноммасштабе времени. При этом нет существенного различия для образцов, облучавшихсясветом интенсивностью 1 Х и 10 Х. Для образца, облучавшегося при температуре 328 К, насыщение достигалось после 60 часов облучения. Деградация образца, облучавшегосяпри 353 К, не наблюдалась. Полученные экспериментальные данные были использованы для оценки величины изменения концентрации свободных (оборванных) связей после насыщения фотоиндуцированной деградации от температуры.
Рис. 1. КПД исследованных а^:Н/^с^:НСЭ в процессе фотоиндуцированной деградации в приведенном масштабе времени при различных температурах и
интенсивностях облучения: 1,1' - 298 К; 2 - 328 К; 3 - 353 К. Символы 1 соответствуют данным, полученным при интенсивности облучения 10 Х, а 1' -
интенсивности 1 Х.
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2016. Вып. 88._
Вольтамперные характеристики СЭ аппроксимировались формулой, учитывающей последовательное соединение десяти двухпереходных однотипных ячеек ипреобладание рекомбинационного тока в ФП с p-i-n структурой:
(1)
где V- напряжение СЭ; I- его ток; Л* и _
плотности фототокови рекомбинационных токов а^гН и цс-Si:Hсубэлементов, соответственно; Я -последовательное сопротивление ФП; k - постоянная Больцмана; Т -абсолютнаятемпература; q - элементарный заряд.
Было показано, что деградация цс^Шсубэлемента по фототоку является болеенизкой по сравнению с а^гНсубэлементом. Была рассчитана энергия активации,обеспечивающая изменение коэффициента при увеличении температуры от 298Кдо 328 К,составившая Еа = 0.68эВ. Полное подавление фотоиндуцированной деградации в слое i-a-Si:H наблюдалось при низких температурах, ~ 345 К. В рамках модели предполагается,что большая доля водорода находится в полупроводнике в виде метастабильныхкомплексов Si-H-H-Si. Образование свободных связей происходит из-за разрываслабой связи Si-Si при непосредственной близости к ней метастабильного комплексаSi-H-H-Si. Следом за разрывом слабой связи Si-Si разрушается метастабильныйкомплекс и образуется пара свободных связей и пара гидрогенизированных связейSi-H. При высоких температурах (> 345 К) происходит обратный процесс -залечиваниедефектов.
Исследования HIT СЭ.
1. Оптимизация параметров HIT СЭ.
Улучшение эксплуатационных характеристик СЭ является актуальной задачейуспешного развития солнечной энергетики. Эффективность современныхгетеропереходныхтонкопленочных солнечных элементов - HIT СЭ, изготовленных наоснове монокристаллического кремния, значительно превышает 20 %. Так, в [6]сообщается о создании HIT-элементов с КПД, равным 25,6 % в
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_
условиях АМ1.5. Однако,согласно оценкам, сделанным в [7], максимальное теоретическое значениеэффективности кремниевых фотопреобразователей при отсутствии концентрациисолнечного света составляет около 30 %. Для достижения предельных показателей КПД,очевидно, необходимо интенсифицировать исследования, направленные наоптимизацию параметров полупроводниковых структур ФЭП.
Нами предложен подход к расчету оптимальных параметров ШТСЭ [8], ключевойособенностью которых является низкая скорость рекомбинационных процессов посравнению с прямозонными полупроводниками. Показано, что при сравнительнонебольших
15 3
концентрациях основных носителей заряда Nd (~10 см) концентрация избыточных носителей заряда может быть сравнимой или большей Nd . В этом случае величина КПД пне зависит от Nd . При более высоких значениях Nd зависимость^^ ) определяют две противоборствующие тенденции. Одна из них способствует росту величины цс увеличением Nd , а другая, связанная с рекомбинацией Оже, ведетк уменьшению п. Было определено оптимальное значение
16 3
Nd ~ 2 10 см- , при котором величина птакого элемента максимальна. Показано, что nmax на 1.5 - 2 %превышает значениеп при 1015 см-3. 2. Экспериментальные исследования HIT СЭ.
Экспериментальные исследования проводились на образцах, структура которыхизображена на рис. 2 [9]. Уровень легирования монокристаллической кремниевой подложки и время жизни носителей заряда при рекомбинации Шокли-Рида-Холла,
15 -3
соответственно, равны Nd = 10 см и tsr ~ 1.5 мс. Площадь прибора составляла около4.34 см . Исследуемый образец размещался в криостате на терморегулируемомосновании, обеспечивающем контролируемое изменение температуры в диапазоне от 80К до 420 К. Измерения нагрузочных ВАХ СЭ проводились в условиях облученияпостоянным световым потоком от имитатора солнечного излучения класса ААА(имитатор SS - 80AA) с шагом по температуре 20К. В результате измерений были получены температурные зависимости тока короткого замыкания ISC, напряжения холостого хода VOC, фактора заполнения FF и максимальной выходной мощности Ртах(р>ис. 3).
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. ИАЭП. 2016. Вып. 88.
Ag front grid ITO 90-110 nm
a-Si p-layerl5 nm
a-Si i-layer 5 nm a-SiC layer 2-3 nm
Cz n-type wafer 150 [im
a-SiC layer 2-3 nm a-Si i-layer 5 nm a-Si n-layer 20 nm ITO 40 nm
Ag 300nm
Рис. 2. Схематическое изображение HIT - СЭ
В широком температурном интервале от 80 К до 420 К измерены температурные зависимости фотоэлектрических характеристик гетеропереходных (р)а^/(0а^:Н/(п)с^СЭ на основе монокристаллического кремния. VOC, FF , вольт-амперной характеристики (ВАХ) и Pmax достигают предельных значений при 200 - 250K, на фоне монотонного роста Т^в диапазоне температур от 80K до 400 K. При более низких температурах происходит их уменьшение. Теоретическиобосновано, что снижение показателей фотоэлектрического преобразования энергии принагреве структуры от 250 K до 400 K связано с экспоненциальным ростом собственнойпроводимости. При температурах ниже 200 К обнаружено изменение формы ВАХ,приводящее к падению Уос. Обсуждены возможные причины уменьшения VOC, FF^Pmax.
После достижения температурного максимума при дальнейшем охлаждении СЭнаблюдается появление явно выраженного перегиба на ВАХ, приводящего к снижениюVOC и FF (рис. 3), и, как следствие, к падению Pmax. Одна из причин спада VOC связанас включением при низких температурах туннельного рекомбинационного тока. Осущественной роли туннельного рекомбинационного тока, свидетельствует, в частности,форма ВАХ при температурах ниже 180 К, соответствующая вольт-ампернымхарактеристикам
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_
гетеропереходов, приведенных в [10]. На понижение FF и Ртах влияет еще и рост последовательного сопротивления структуры при низких температурах, связанный с увеличением контактного сопротивления [11].
T, K
T, K
Рис. 3. Температурные зависимости фактора заполнения (FF) ВАХ и максимальнойвыходной мощности. Точки - эксперимент, линия - теория
3. Поиск перспективных комбинаций.
Был проведен анализ возможности создания тандемных гетеропереходных тонкопленочных HIT СЭ с эффективностью фотопреобразования выше, чем в лучших образцах однопереходных HIT структур[12]. Вследствие малых времен жизни носителейзаряда и высокой степени компенсации, использование аморфного Si в
43
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2016. Вып. 88._
тандемных Н1ТСЭ не может обеспечить рекордные показатели КПД. Определены ключевые параметры материала широкозонного p_n-перехода, расположенного с фронтальной стороны структуры тандемного СЭ, позволяющие достичь эффективность фотопреобразованиявыше 25% в условиях AM1.5. Было показано, что для VOC = 0.775 В максимальный КПДне превышает 25%, т. е. преимущество тандемного HIT элемента перед одиночнымпрактически отсутствует. Значения п> 25%, можно достичь при VOC, равных 0.98, 1.09и 1.2 В, и временах жизни носителей заряда tsr - 10-10, 10-9 и 10-8сек соответственно, причем
_19 2
величина JSC должна быть выше15 мА/см . Поиск подходящего материала с характеристиками, обеспечивающимивысокие значения КПД СЭ, является актуальной задачей. Возможно, он будет полученсинтезом тройных или четверных полупроводниковых соединений. По величине Eg изначениям времен жизни tsr перспективными представляются СЭ на основе перовскитов.
Таким образом, для разработки дешевых высокоэффективных солнечных элементов на основе Si с использованием плазмохимических технологий необходимо применение дешевых мультикристаллических подложек. Перспективным является использование тонких мультикристаллических Si слоев, нанесенных на механически-прочные подложки (стекло, керамика), поскольку для эффективной работы СЭ достаточно толщины кремния порядка 10 мкм. Возможным является создание тандемных гетеропереходных тонкопленочных HIT СЭ с эффективностью фотопреобразования выше, чем в лучших образцах однопереходных HIT структур (>25%). Высокие значения КПД на основе Si, вероятно, будут получены по технологиитройных или четверных полупроводниковых соединений. Работа поддерживается проектом Минобрнауки России №14.607.21.0075,RFMEFI60714X0075.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. S. Kühnapfel, N.H. Nickel, S. Gall, M. Klaus, C. Genzel, B. Recha, D. Amkreutz. Thin Solid.
2. Films 576 (2015) 68-74.
3. http://www. imec-in.in/in_en/careers/phd/energy/advanced-ultra-thin-crystalline. html.
4. http://cordis.europa.eu/result/rcn/53211_en.html
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_
5. N. Milenkovic, M. Drießen, E. Gust, S.Janz, S. Reber. Energy Procedia 55(2014), p.552.
6. В.М. Емельянов, А.В. Бобыль, Е.И. Теруков, О.И. Честа, М.З. Шварц. Фотоиндуцированная деградациятандемныха-Si :H/^c-Si :Нфотопреобразователейпри повышенных температурах Письма в ЖТФ,2013, том 39, вып. 20, с.40-48.
7. K.Masuko, M.Shigematsu,T.Hashiguchie/ all. IEEE Journal of Photovoltaics, 4 (6), 1433,(2014).
8. W. Shockey, H. J. Queisser. J. Appl. Phys., 32, 510 (1961).
9. А.В. Саченко, Ю.В. Крюченко, В.П. Костылев, И.О. Соколовский, А.С. Абрамов, А.В.
10. Бобыль, И.Е. Панайотти, Е.И.Теруков. Метод оптимизации параметровгетеропереходных фотоэлектрических преобразователей на основе кристаллическогокремния. Физика и техника полупроводников, 2016, том 50, вып. 2,С. 259-263.
11. А.В. Саченко, Ю.В. Крюченко, В.П. Костылев, P.M. Коркишко, И.О. Соколовский, А.С.
12. Абрамов, С.Н. Аболмасов, Д.А. Андроников, А.В. Бобыль, И.Е. Панайотти, Е.И.Теруков, А.С. Титов, М.З. Шварц.Исследование влияния температуры на характеристики гетеропереходных солнечныхэлементов на основе кристаллического кремния. Письма в ЖТФ, 2016 том 42, вып. 6, С. 70-76.
13. DonnellyJ.P., MilnesA.G. Proc. IEEE. 1966.V. 113. P. 14681476.
14. Sze S.M., Ng K.K. Physics of Semiconductor Devices, John Wiley and Sons, 2007.
15. А.В. Саченко, Ю.В. Крюченко, А.В. Бобыль, В.П. Костылев, Е.И. Теруков, Д.А. Богданов,И.Е. Панайотти, И.О. Соколовский, Д.Л. Орехов. Анализ возможностей реализациивысоких значений эффективностифотопреобразования в тандемныхгетеропереходныхтонкопленочныхсолнечных элементах. Письма в ЖТФ, 2015, том 41, вып. 10,С.42-49.
