ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ. СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

ПОЛУЧЕНИЕ КЛАССИЧЕСКИХ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ. НА МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ КРЕМНИИ

Фотоэлемент - это основной компонент любой солнечной электрогенери­рующей системы. Сегодня в мировой практике находят применение солнечные элементы (фотоэлементы) и панели, полученные по разным технологиям и на базе разных полупроводниковых материалов. Классическим примером солнеч­ного элемента является прибор, созданный на пластине монокристаллического кремния по технологии изготовления классических диодов.

В предыдущей главе было показано, что солнечный элемент это большой полупроводниковый диод с р-n переходом, который ориентирован Можно за­метить, что ток короткого замыкания увеличивается с увеличением температу­ры, но напряжение разомкнутой цепи понижается. Оптимальные рабочие точки обозначены кружками на кривых. Максимальная мощность фотоэлемента при постоянном освещении и, следовательно, коэффициент полезного действия, уменьшается с увеличением температуры параллельно освещаемой поверхно­сти. Он изготавливается на пластине полупроводникового материала, главным образом, кремния. В пластине создаются области с р - и п-типом проводимости. Принципиальные схемы планарного фотоэлемента и солнечного элемента с ме- за-структурой приведены на рис. 8.1, а, б.

*

О ft ® О с® о

Рис. 8.2. Схема производства кремния - сырья для изготовления фотоэлементов

Основой СЭ является р-n переход, который выполняет функцию разделе­ния образующихся в результате воздействия фотонов солнечного излучения электронно-дырочных пар. Технологический цикл получения фотоэлемента представляет собой комплекс операций, аналогичных операциям технологиче­ского цикла изготовления полупроводниковых диодов.

Исходным сырьем для изготовления солнечных элементов является мо­нокристаллический слиток кремния, часто выращиваемый из расплава методом Чохральского. Технологическая цепочка изготовления кремния для солнечных элементов достаточно длинная. Для этого используются различные технологии. Один пример иллюстрируется схемой на рис. 8.2.

Кристаллы кремния выращиваются в специальных тиглях из нейтрально­го тугоплавкого химически стойкого материала (нитрит бора, гексоборид лан­тана, кварца и т. д.). Высота выращиваемого монокристалла кремния составляет несколько метров, диаметр чуть больше диаметра будущей подложки. Внешний вид монокристалла кремния можно видеть на рис. 18.13. Исходным сырьем для получения монокристаллов является предварительно полученный поликристал­лический кремний (см. рис. 18.10), очищенный от примесей до заданного уров-

ня. Кремний — важнейший материал солнечной фотоэнергетики, и вопросы его получения более подробно будут рассмотрены отдельно.

Далее осуществляют следующие операции.

Монокристаллические или поликристаллические слитки (рис. 18.13 и 18.14) разрезаются в поперечном направлении на пластины, которые являются основой солнечных элементов. Качество резки в последнее время заметно улучшилось. В частности, уровень и качество изготовления установок прово­лочной резки существенно возросли. Предшествующая технология позволила обеспечивать минимальную толщину пластин d = 300 pm, сегодня это уже d = 100 pm. Потери при резке были уменьшены в тех же пропорциях. Очевид­но, что это способствует сбережению кремниевого материала и энергии, необ­ходимой для производственного процесса, и, таким образом, обеспечивает реа­лизацию более эффективного производства. Нарезанные пластины, представ­ленные на Гамбургской выставке в 2009 г., показаны на рис. 18.15. Поликри­сталлические пластины видны слева, а монокристаллические справа.

Резка монокристаллического слитка на пластины - ответственная опера­ция, поскольку необходимо обеспечить высокое качество резки. Пластины должны быть достаточно механически прочными, пригодными для последую­щих операций по изготовлению солнечного элемента, с одной стороны, и быть достаточно тонкими, чтобы обеспечить экономию кремния, материала дорогого и дефицитного. Для этих целей используют специальные станки проволочной резки. Затем следует шлифовка пластин с двух сторон, травление пластин для снятия образованного при шлифовке механически нарушенного слоя (химиче­ское, электрохимическое, плазмохимическое и др.).

Теперь, после необходимой подготовки пластин, возможно проведение самой ответственной операции - создание р-n перехода, который является главным компонентом солнечного элемента.

В качестве методов создания областей р- и n-типа могут использоваться разные технологии, в том числе диффузия примесей или эпитаксиальное нара­щивание одного полупроводникового слоя на другой с противоположным ти­пом проводимости.

Диффузия - это наиболее широко применяемый метод формирования р-п перехода в солнечном элементе. Существует несколько вариаций технологиче­ского процесса проведения диффузии. Диффузию примесей в полупроводнико­вую пластину проводят в специальных диффузионных печах при температуре порядка 1000 - 1100°С. Для этого надлежащим образом подготовленные пласти­ны кремния размещают в специальных кассетах, которые вводятся в диффузион­ную печь. Процесс загрузки кассет с пластинами кремния в диффузионную печь представлен на рис. 18.118. Это один из важнейших технологических приемов. Рис. 18.16 показывает диффузионную печь чешского производителя (SVCS Ltd), установленную в Наньцзине (Китай). На рис. 18.102 показана демонстрация диффузионной печи SVCS Ltd на выставке в Гамбурге (ФРГ, 2009 г.).

Этот технологический процесс использовался с самого начала развития производства солнечных элементов. Позднее стали использовать другой техно - 96

логический прием — эпитаксиальное наращивание. Процесс этот первоначально получил развитие в электронной технике, где успешно использовался в процес­сах изготовления эпитаксиальных структур для последующего изготовления больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем. По мере усовер­шенствования и удешевления этого технологического процесса, с одной сторо­ны, и усложнения конструкций солнечных элементов нового типа эпитаксиаль­ная технология стала экономически доступной и востребованной в технологии солнечных элементов.

Эпитаксия — это процесс, в котором в отличие от диффузии сильно­легированный слой образуется не в теле кремниевой пластины, а формируется путем эпитаксиального наращивания нового слоя кремния противоположного типа проводимости на существующую поверхность кремниевой пластины. Ме­ханизм эпитаксиального наращивания легированных слоев кремния на кремний (автоэпитаксия) легко понять из расшифровки самого термина эпитаксия. Сло­во это образуется от двух греческих слов: «эпи» - на, над, а «таксис» - распо­ложение в порядке, упорядочение. Это означает, что при эпитаксиальном на­ращивании кремния на монокристаллическую пластину - подложку образуется также монокристаллический слой кремния с новыми электрофизическими свойствами.

Процесс эпитаксиального наращивания более гибок, в сравнении с про­цессом диффузии, и предоставляет больше возможностей для формирования структуры с заданными параметрами, такими как удельное сопротивление и профиль распределения легирующей примеси [106 - 109].

Технология управляемого легирования в процессе эпитаксиального на­ращивания полупроводников была отработана для решения задач электронной техники. Успешно она применяется и при решении задач получения высокоэф­фективных солнечных элементов. Существует несколько разновидностей про­цессов эпитаксиального наращивания, в том числе три вида эпитаксии: газофа­зовая эпитаксия (ГФЭ); жидкофазовая эпитаксия (ЖФЭ) и молекулярно­лучевая (МЛЭ).

После того, как структура с р-n переходом готова, формируются нижний и верхний электрические контакты, причем нижний контакт, в самом общем случае, сплошной, а верхний выполняется в виде сетки (тонкие полосы, соеди­ненные с относительно более широкой токосборной шиной (рис. 8.3,а). В ряде случаев (двусторонние элементы) и нижний контакт выполняется в виде токо­съемной сетки, чтобы обеспечить поступление света и с обратной стороны при­бора. Внешний вид типичного (планарного) солнечного элемента показан на рис. 18.17.

Фронтальная поверхность элемента обычно покрывается антиотражаю­щим слоем, чтобы минимизировать отражение и оптимально использовать по­ступающую радиацию. Поэтому элементы с самой высокой эффективностью выглядят как черные. Если требуются определенные специфические свойства, на лицевую поверхность наносится тонкий прозрачный слой специального ма­териала, что позволяет увеличить интенсивность отраженной радиации опреде-

ленной длины волны (вызванный интерференцией электромагнитных волн в этом слое). Такие элементы демонстрируют определенный цветной оттенок от­раженного света. Передний контакт обычно выполняется в форме сетки или гребней, чтобы минимизировать экранирование поверхности элемента и позво­лить падающему свету освещать как можно большую площадь поверхности элементов. Тыльный контакт в стандартных панелях обычно выполняется пол­норазмерным, т. е. сплошным на всей площади элемента. Контакты к стандарт­ным элементам обычно наносятся с применением сеткографии или вакуумным осаждением. Для специальных элементов, например предназначенных для ра­боты в условиях высоких уровней радиации, контакты вводятся непосредствен­но в материал полупроводника. Эта мера увеличивает поперечное сечение кон­такта и область между контактом и полупроводником, чтобы приспособить контакты к работе с токами высокой плотности, проходящими через фотоэле­мент. Обычная толщина полупроводниковых элементов составляет приблизи­тельно d « 0.2 мм.

Некоторые разновидности солнечных элементов показаны на рис. 8.3.

лицевой контакт

антпотражающее покрытие слой окисла X

Р+

слой окисла тыльный контакт-

Рис. 8.3. Различные конструкции полупроводникового солнечного элемента

Схема простого планарного фотоэлемента приведена на рис. 8.3, а. Пред­ставленный здесь планарный фотоэлемент работает согласно принципам, опи­санным выше, но имеет более низкую фотоэлектрическую эффективность пре­образования, особенно вследствие рекомбинационных потерь, а также потерь, связанных с отражением солнечного излучения от его фронтальной поверхности.

Солнечный элемент в первую очередь характеризует его вольтамперная характеристика (рис. 8.4).

К основным параметрам солнечного элемента можно отнести Uh — номи­нальное напряжение. В; Uxx - напряжение холостого хода. В; Ікз - ток корот­кого замыкания, A; Up - рабочее напряжение, В; 1р - рабочий ток, A; Wp.

Повышение эффективности преобразования и снижение потерь энергии в солнечных элементах (СЭ) наземного применения - важная проблема. Причем в целом решение этой проблемы сводится к решению двух задач: снижению оптических и электрических потерь.

Для снижения оптических потерь, связанных с неполным использованием падающего на поверхность солнечного элемента излучения, в настоящее время обычно применяются следующие методы: структурирование поверхности, при­водящее к снижению интегрального коэффициента отражения СЭ; нанесение на поверхность СЭ одно - или двухслойного антиотражающего покрытия; уменьшение площади контактов на лицевой поверхности для снижения потерь на затенение; нанесение на тыльную поверхность СЭ металлического слоя, для увеличения эффективности 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 СЭ в коротко­волновой части спектра.

Электрические потери обычно уменьшаются при помощи следующих ме­тодов: выбор оптимального шага и толщины контактных шин на лицевой по­верхности для снижения последовательного сопротивления СЭ; геттерирующие обработки для увеличения времени 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.

В солнечных элементах более высокого качества используется ряд конст­руктивных усовершенствований, часть из которых представлена на рис. 8.2,6. Принятые меры обеспечивают увеличение эффективности. Антиотражающий слой на лицевой стороне элемента минимизирует отражение, чтобы макси­мальное число фотонов достигло ФЭ ячейки и впоследствии проникло в об­ласть р-n перехода. Слои непроводящей окиси (Si02) делают поверхность инертной, только в определенных местах этот слой протравливается и только в этих местах электрический заряд отводится. Протравленная структура с ма­ленькими пирамидами на лицевой поверхности фотоэлемента облегчает про­никновение фотонов в солнечный элемент. В то же время фотоны, проникшие в элемент и прошедшие через всю базовую область, не вызвав фотоэлектрическое преобразование, отражаются тыловым контактом, затем лицевой поверхностью и возвращаются назад, как это подробно иллюстрируется на рис. 8.2,6. Они снова проходят через р-n переход, вследствие чего вероятность их поглощения и фотоэлектрического преобразования существенно возрастает.

Двусторонние элементы имеют такую же структуру на тыльной поверх­ности, как и на фронтальной. В этом случае фотоны могут поступать к элемен­ту одновременно с обеих сторон (например, к тыльной поверхности поступает излучение, отраженное от поверхности Земли). Таким образом, благодаря ис­пользованным усовершенствованиям может быть произведено существенно большее количество электроэнергии.

Однако для излучения, поступающего на тыльную сторону, эффектив­ность фотоэлектрического преобразования ниже, потому что фотоны более ко­ротких длин волн поглощаются более толстым слоем полупроводниковой под­ложки и неосновные носители заряда не достигают р-n перехода.

В поликристаллических материалах границы зерен ухудшают транспор­тирующие свойства полупроводника, в аморфных полупроводниках ситуация еще сложнее. Эффективность современных высококачественных фотоэлемен­тов на монокристаллическом кремнии составляет примерно 17% для выпускае­мых серийно фотоэлементов. Эффективность некоторых лабораторных образ­цов, в которых используются специальные усовершенствования, аналогичные описанным в общих чертах выше, превышает 30%. Необходимо упомянуть, что

эффективность элементов на базе других полупроводников (например, GaAs, InP) еще выше, и может составлять приблизительно 26% в выпускаемых серий­но элементах. Однако эти фотоэлементы намного дороже. Поэтому такие сол­нечные элементы используются преимущественно в космических целях, где цена не является определяющим фактором, а максимальная эффективность и радиационная устойчивость представляются более существенными. Обычно используются монокристаллические элементы на основе InP или GaAs/Ge, из­готовленные с применением эпитаксиальной технологии. GaAs, в частности, обладает более высокой радиационной стойкостью. Кроме того, снижение эф­фективности фотоэлементов с увеличением температуры для образцов на ос­нове GaAs происходит менее резко, чем на основе других полупроводников.