ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ

Описание разработок технологии фирмы «Oerlikon Solar» по производству солнечных модулей на основе аморфного и микрокристаллического кремния (www. oerlikon. com)

В настоящее время солнечная энергетика является одним из наиболее перспективных видов возобновляемой энергетики. Основным устройством, используемым для прямого преобразования энергии солнечного света в элек­троэнергию, является солнечный модуль (СМ). Широкое применение СМ для производства электроэнергии позволит снизить потребление невозобнов­ляемых углеводородных ресурсов и уменьшить экологическую нагрузку за счет снижения выброса парниковых газов.

Обычно СМ состоит из фотодиодов большой площади, что позволяет эф­фективно собирать и преобразовывать солнечное излучение в электрический ток за счет фотовольтаического эффекта. Последовательное соединение этих диодов позволяет получить на выходе СМ напряжение сравнимое с напряже­нием в электрических сетях, что облегчает сопряжение СМ с устройствами, потребляющими электроэнергию, и встраивание СМ в существующие энерго­системы. Поскольку основой СМ являются фотодиоды, производство СМ мож­но классифицировать как одну из отраслей электронной промышленности.

Одним из видов СМ являются, так называемые, тонкопленочные СМ. Их основу составляют пленки полупроводниковых материалов с характер­ной толщиной порядка микрона. Очевидным преимуществом таких СМ по сравнению с традиционными СМ на основе кремниевых пластин является пониженное потребление полупроводниковых материалов при производст­ве модулей. В настоящее время наиболее распространенными тонкопле­ночными СМ являются микроморфные солнечные модули. Эти СМ состоят из двух монолитно соединенных между собой переходов на аморфном и нанокристаллическом кремнии. Введение нанокристаллического перехода, обладающего значительным поглощением света в ближней инфракрасной области, позволяет расширить полосу поглощения света и, как следствие, поднять эффективность СМ. Другим преимуществом микроморфных СМ

является возможность уменьшения толщины аморфного перехода, неста­бильного по отношению к интенсивному свету, что снижает фотоиндуци­рованную деградацию СМ.

Основными особенностями технологии производства микроморфных СМ, обеспечивающими ее конкурентные преимущества, являются:

• сравнительно низкая себестоимость электроэнергии генерируемой этими СМ;

• возможность изготовления СМ на различных, в том числе гибких ме­таллических или пластиковых подложках;

• технология не требует применения редких элементов;

• отсутствие токсичных элементов в СМ, что особенно важно в связи с проблемой утилизации модулей, отслуживших свой срок.

Согласно рейтингу компании «VLSI Research» — ведущего поставщи­ка аналитических и экономических обзоров нанотехнологической про­мышленности — лидером среди изготовителей промышленного оборудо­вания для производства СМ на основе тонких пленок кремния является компания «Oerlikon Solar». Она компания специализируется на поставке полного набора оборудования, необходимого для изготовления микро - морфных СМ, и его вводе в эксплуатацию под ключ (так называемое «turn key» исполнение). При этом участие компании «Oerlikon Solar» в запуске производства не ограничивается строительством предприятия под ключ. Она также осуществляет обучение персонала и сопровождение производ­ства своими сотрудниками, постоянно присутствующими на объекте в те­чение первого года эксплуатации, помогает в оформлении международных сертификатов качества на СМ произведенные на предприятии, что значи­тельно облегчает выход продукции на рынок.

В настоящее время компания «Oerlikon Solar» предлагает наиболее пе­редовую технологию производства микроморфных СМ, что подтверждается двумя международными премиями, присужденными этой технологии («Thin Film Innovation Award 2009», «Cell Award 2009»). Оборудование компании «Oerlikon Solar» предназначено для изготовления СМ размером 1,1 х 1,3 м2 (площадь модуля 1,43 м2). Выбор такого размера СМ позволяет оптималь­но сочетать высокую производительность оборудования с удобством в транс­портировке и установке СМ. Технология, разработанная компанией, обеспе­чивает исходную эффективность опытных модулей на уровне 11 % и стаби-

143

лизированную эффективность промышленных СМ площадью 1,4 м2 на уровне свыше 9,3 %. Отличительной особенностью технологии компании «Эрликон Солар» является сравнительно низкая стоимость производства электроэнергии при помощи СМ. По прогнозам компании к концу 2010 г. она составит 0,7 дол./Вт.

Технологический процесс производства микроморфного СМ компании «Oerlikon Solar» состоит из следующих шагов:

1. Очистка стекла при помощи щелочных растворов.

2. Проверка качества стекла при помощи автоматизированной системы оптического контроля.

3. Газофазное осаждение фронтального контакта на основе проводящего прозрачного слоя оксида цинка.

4. Лазерная резка (скрайбирование) слоя оксида цинка.

5. Плазмохимическое осаждение слоев кремния.

6. Лазерная резка (скрайбирование) слоев кремния.

7. Газофазное осаждение тыльного контакта на основе оксида цинка.

8. Разделение отдельных ячеек модуля при помощи лазерной резки (скрайбирования).

9. Удаление неоднородных областей по краям модуля при помощи лазер­ной резки.

10. Нанесение шин тыльных контактов.

11. Предварительный контроль параметров СМ при помощи импульсного источника света.

12. Очистка верхней поверхности тыльного отражателя.

13. Укладка герметика.

14. Перекрестное контактирование.

15. Очистка и укладка тыльного стекла.

16. Ламинирование.

17. Обработка краев модуля.

18. Установка коммутационного блока.

19. Проверка качества модуля при помощи импульсного источника света.

20. Маркировка модуля.

21. Проверка изоляции коммутационного блока и кабелей на пробой.

Технологический процесс (шаг за шагом) производства тонкопленоч­ного модуля представлен на рис. 10.3.

Процесс лазерной разметки определяет отдельные ФЭП на тонкопленочных панелях

Процессы структурирования П1, П2 и П3 позволяют ФЭПам быть соединенными в серию

Задний контакт Si тонкая пленка ТСО контакт Стеклянная подложка

tttttttttttt

СВЕТ

Рис. 10.3. Технологический процесс (шаг за шагом) производства тонкопленочного кремниевого модуля «Oerlikon Solar»

Стекло ТСО

Тонкая контакт пленка Si

Рис. 10.3. Технологический процесс (шаг за шагом) производства
тонкопленочного кремниевого модуля «Oerlikon Solar»

Ключевыми особенностями технологии производства микроморфных СМ, обеспечивающими преимущество компании «Oerlikon Solar» над кон­курентами, являются:

Уникальная конструкция систем плазмохимического газофазного осаждения (ПХГФО) KAI-1200 (удостоена премии «Cell Award 2009»).

KAI 1-1200 — это соответствующая всем последним достижениям система для нанесения слоев посредством плазмохимического газофазного осаждения и предназначенная для роста аморфных или микрокристалличе­ских кремниевых слоев, необходимых для изготовления солнечных батарей и фотовольтаических модулей на производственном оборудовании.

Система снабжена загрузочным шлюзом, одной передаточной камерой, одной технологической камерой и плазменной камерой (Plasmaboxes™). Плазменная камера Plasmaboxes™ разработана для нанесения покрытия на стекла прямоугольной формы 1100 *1300 мм.

К достоинствам конструкциям следует отнести:

1. Применение многокамерной системы с транспортным модулем по­зволяет изготовить двухкаскадный (микроморфный) СМ за одну загрузку без промежуточной экспозиции осажденных слоев на воздух.

2. Концепция реактора с двойными стенами (Plasma Box ®) оптимизи­рует потребление технологических газов и увеличивает чистоту материа­лов осажденных методом ПХГФО.

3. Кассетная конструкции обеспечивает осаждение на подложки с суммарной площадью 28 м2 за одну загрузку ректора ПХГФО.

4. Использование ВЧ разряда (40 МГц) позволяет увеличить скорость роста слоёв кремния.

Система газофазного осаждения оксида цинка для изготовления про­зрачных проводящих контактов TCO 1200 (удостоена премии «Thin Film Innovation Award 2009»):

TCO 1200 — это соответствующая всем последним достижениям система нанесения нанопокрытия путем газофазного осаждения при низком давлении.

При этом осуществляется покрытие передних и задних контактных слоев оксидом цинка, необходимым для изготовления солнечных батарей для фотовольтаических преобразователей. Одна система оборудована одной погрузочной станцией, одним модулем с загрузочным шлюзом, четырьмя технологическими модулями, одним модулем с разгрузочным шлюзом и од­ной разгрузочной станцией.

К достоинствам системы можно отнести:

1. Встроенная в производственную линию система осаждения оксида цинка обеспечивает независимость от поставщиков стекла предварительно покрытого прозрачным проводящим оксидом, которое не только примерно в два раза дороже, но и поставляется ограниченным числом производителей.

2. Возможность изготовлениея прозрачных проводящих оксидов с раз­личной топологией, оптимизированной под конкретный дизайн модулей.

3. Сравнительно низкая стоимость изготовления прозрачного проводящего оксида с одними из лучших оптических свойств среди промышленных образцов.

Система лазерного скрайбирования собственной разработки LSS1200

LSS 1200 A и LSS 1200 B — это соответствующие последним достиже­ниям системы лазерного скрайбирования для формирования разметки на слоях тонкопленочных солнечных батарей, необходимых при изготовлении солнечных батарей для фотовольтаических модулей на соответствующем производственном оборудовании. Одна система оборудована одним столом для лазерной разметки, одной системой лазерной разметки и одним смен­ным агрегатом для стекла.

LSS 1200 A и LSS 1200 B разработаны для разметки слоев SnO2 и ZnO на стекле прямоугольной формы (1100 х 1300 мм).

Система LSS 1200 A использует ультрафиолетовый свет при 355 нм, в то время как система LSS 1200 B — зеленый свет при 532 нм. Разметка (скрай - бирование) в обеих системах осуществляется с тыльной части. Обе системы используют один лазерный источник с четырьмя лазерными головками.

К достоинствам системы следует отнести:

1) использование лазеров с различными длинами волн для получения оп­тимального качества скрайбирования на различных этапах изготовления СМ;

2) полностью автоматизированное управление с возможностью измене­ния шага скрайбирования и контроля фокусировки при помощи программ­ного управления;

3) система оптического контроля качества скрайбирования и позицио­нирования СМ.

Система подготовки стекла (GPF)

Система подготовки стекла состоит из следующих агрегатов:

• станции по загрузке стекла (GLS);

• станции по маркировке стекла (GLM);

• станции по сшиванию стекла (GSS) (опция);

Станция по загрузке стекла включает в себя подсобный инструмент, ко­торый может быть настроен для ручной работы (стандарт) или автоматической работы (опция). После процесса загрузки стеклянная подложка либо сшивает­ся в станции по сшиванию стекла (опция), либо чистится в очищающем агре­гате для стекла (GCI), а оттуда поступает в станцию маркировки стекла.

Станция маркировки стекла включает в себя лазерный агрегат марки­ровки для дальнейшего контроля производства стеклянных подложек. Стан­ция сшивания стекла — агрегат сшивания для создания хорошо обозначен­ных краев и углов. Он используется для обработки не прошитых стеклянных субстратов. Частью станции сшивания является моющий агрегат для удале­ния мелкой пыли со стекла.

Система чистки стекла (GCI и GCH), а также автоматизированная оптическая проверка (AOI)

Системы чистки стекла — это автоматические, встроенные в линию системы, использующие соответствующую последним достижениям тех­нологию кибернетического манипулятора.

Процессы чистки установлены в монтажной плате и индикаторной панели, они оптимизированы с целью производства тонкопленочных сол­нечных элементов. Планируется использование двух различных типов очи­стителя: очиститель для поступающего стекла (GCI) и высококачественный очиститель, активируемый перед процессом нанесения слоя плазменным осаждением из паровой фазы (GCH).

Системы чистки стекла (очистители) включают в себя: входной модуль, модуль вымачивания, модуль очистки щеткой, нейтрализующий модуль, мо­дуль последовательного споласкивания, модуль сушки и выходной модуль.

Для разделения стекол рекомендуется не содержащая кислоты бумага или нейлоновые корды.

AOI вводится в действие в системе после включения очистителя для поступающего стекла. Она использует однострочную камеру, которая мон­тируется над конвейером. Система состоит из нескольких однострочных ка­мер, задаваемого источника света, интенсивность освещения которого должна находиться в пределах 400.. .1000 Вт/м2, а также пакета программ­ного обеспечения, позволяющего хранить и анализировать данные, посту­пающие в результате измерений.

Программное обеспечение также компенсирует движение стеклянной подложки и обеспечивает совмещение изображений друг с другом.

Устройство для проверки контактов (CTD)

CTD (часть внутреннего интерфейса) скомпоновано в качестве полно­стью автоматизированного встроенного в линию производственного реше­ния и состоит из нескольких подсистем, обеспечивающих последователь­ность процессов, необходимых для завершения изготовления фотовольтаи­ческого модуля и подготовки его к герметизации, ламинированию и сборке.

Данные подсистемы соединены через конвейеры с целью создания по­точного производства (рис. 10.4).

Герметизация, ламинирование и сборка (ELA)

Система ELA (часть внутреннего интерфейса) состоит из нескольких подсистем, обеспечивающих последовательность процессов, необходимых для завершения изготовления фотовольтаического модуля.

Рис. 10.5. Конфигурация ELA: 6 — устройство для очистки (WEC);

7 — укладка ленты (FLU); 8 — станция перекрестного контактирования (CCS);

9 — тыльная поверхность для подготовки стекла (GPB) + Станция
спаривания (PST); 10 — ламинатор (LMU); 11 — обработка краев (EGT);

12 — установка коммутационного блока (JBS); 13 — сигнальная лампа (FLS);

14 — маркировка (LBG); 15 — проверка верхнего блока (HPT); опция:

16 — станция для окантовки (FRS); 17 — классификация модулей (CSN)

Система герметизации разработана для герметичного инкапсулирова­ния контактных проверяемых тонкопленочных кремниевых фотовольтаиче­ских элементов. Эта часть внутреннего интерфейса скомпонована как встро­енное полуавтоматическое производственное решение и состоит из единой системы технического оборудования, обеспечивающего последовательность процессов, необходимых для завершения изготовления фотовольтаического модуля. Ключевым процессом герметизации является ламинирование, при котором заднее стекло присоединяется к переднему стеклу. Последователь­ность операций представлена на рис. 10.5.