Что такое PERC солнечные элементы и почему за ними будущее? Солнечный элемент с экстремально тонким поглощающим слоем

Солнечные элементы

Добавлено 4 июля 2017 в 08:00

Сохранить или поделиться

Фотодиод, оптимизированный для эффективного питания нагрузки, является солнечным элементом. Он работает в фотогальваническом режиме, так как он смещен в прямом направлении напряжением, создаваемым на сопротивлении нагрузки.

Монокристаллические солнечные элементы изготавливаются в процессе, подобном производству полупроводниковых приборов. Он предполагает выращивание монокристаллического слитка из расплавленного кремния высокой чистоты (P-типа), хотя и не столь чистого, как для полупроводниковых приборов. Слиток распиливается алмазной пилой на пластины. Поскольку современные солнечные элементы почти квадратные, лишний кремний удаляется в процессе придания слитку квадратной формы. Солнечные элементы могут быть вытравлены для придания поверхности текстуры (шероховатости), чтобы улучшить поглощение света. Значительное количество кремния теряется при производстве квадратных пластин размером 10 или 15 см. В настоящее время производители солнечных элементов обычно покупают пластины на этом этапе у производителей полупроводников.

Пластины P-типа погружаются «спиной к спине» в ванны с расплавленным диоксидом кремния, подвергая только внешнюю сторону легированию примесью N-типа в диффузионной печи. Процесс диффузии образует тонкий слой N-типа на верхней поверхности солнечного элемента. Диффузия также замыкает грани верхней и нижней поверхностей солнечного элемента. Чтобы удалить замыкание солнечного элемента, грани должны быть удалены с помощью плазменного травления. Серебряная и/или алюминиевая паста наносится на заднюю сторону солнечного элемента, а серебряная сетка – на переднюю сторону. Затем они спекаются в печи для хорошего электрического контакта (рисунок ниже).

Ячейки соединяются металлическими лентами последовательно. Для 12-вольтовых зарядных устройств на солнечных батареях 36 ячеек (примерно по 0,5 В каждая) вакуумно ламинируются между стеклом и металлом с полимерным покрытием. Стекло может иметь текстурированную поверхность, которая помогает поглощать свет.

Ячейка кремниевого солнечного элемента

Промышленные монокристаллические кремниевые солнечные элементы с максимальной эффективностью (21,5%) имеют все контакты на задней стенке ячейки. Активная поверхность ячейки увеличивается за счет перемещения контактных проводников верхнего (–) контакта на заднюю часть ячейки. Верхние (–) контакты обычно делаются на кремнии N-типа на верхней стороне ячейки. На рисунке ниже (–) контакты выполнены на N+ диффузии внизу, чередуясь с (+) контактами. Верхняя поверхность текстурирована для облегчения поглощения света внутри ячейки...

Высокоэффективный солнечный элемент со всеми контактами на нижней стороне

Мультикристаллические кремниевые элементы начинаются в виде расплавленного кремния, отлитого в прямоугольную форму. По мере того как ремний охлаждается, он кристаллизуется в несколько больших (размером от мм до см) случайно ориентированных кристаллов, вместо одного кристалла. Остальная часть процесса такая же, как у монокристаллических солнечных элементов. На готовых ячейках видны линии, как будто ячейки сломаны. Их эффективность не столь высока, как у монокристаллических элементов, из-за потерь на границах кристаллов. Из-за случайной ориентации кристаллов поверхности солнечного элемента не может быть придана шероховатость путем травления. Однако антиотражающее покрытие повышает их эффективность. Эти солнечные элементы конкурентоспособны везде, кроме космических применений.

Трехслойный солнечный элемент: самый высокоэффективный солнечный элемент представляет собой стек из трех элементов, настроенных на поглощение различных частей солнечного спектра. Хотя три элемента могут быть сложены друг на друга, но монолитная монокристаллическая структура из 20 полупроводниковых слоев является более компактной. При эффективности 32%, для использования в космосе сейчас предпочтение отдается кремнию. Высокая стоимость не позволяет найти много применений на Земле, кроме концентраторов, основанных на линзах или зеркалах.

Интенсивные исследования недавно выпустили версию, улучшенную для наземных концентраторов, на 400–1000 солнц и эффективностью 40,7%. Для нее требуется большая дешевая линза Френеля или отражатель и небольшая поверхность дорогого полупроводника. Эта комбинация считается конкурентоспособной с недорогими кремниевыми солнечными элементами дл солнечных электростанций.

Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD, Metal organic chemical vapor deposition) откладывает слои на поверхности германия P-типа. Верхние слои фосфида галлия-индия (GaInP) N и P типов, имеющие запрещенную зону 1,85 эВ, поглощают ультрафиолетовый и видимый свет. Эти длины волны имеют достаточную энергию для перехода запрещенной зоны. Более длинные волны (более низкая энергия) не обладают достаточной энергией для создания электронно-дырочных пар и переходят к следующему слою. Слои арсенида галлия, имеющие ширину запрещенной зоны 1,42 эВ, поглощают ближний инфракрасный свет. Наконец, слой германия и подложка поглощают дальний инфракрасный свет. Последовательность из трех элементов создает напряжение, которое является суммой напряжений трех элементов. Напряжение, вырабатываемое каждым материалом, на 0,4 В меньше, чем энергия запрещенной зоны, приведенная в таблице ниже. Например, для GaInP: 1,8 эВ/э – 0,4 В = 1,4 В. Для всех трех элементов напряжение составляет 1,4 В + 1,4 В + 0,3 В = 2,7 В.

Высокоэффективный трехслойный солнечный элементСлойЗапрещенная зонаПоглощаемый свет

Фосфид галлия-индия	1,8 эВ	ультрафиолетовый, видимый
Арсенид галлия	1,4 эВ	ближний инфракрасный
Германий	0,7 эВ	дальний инфракрасный

Кристаллические массивы солнечных батарей обладают длительным сроком службы. Многие массивы имеют гарантию на 25 лет и считаются подходящими для использования в течение 40 лет. Они не страдают от первоначальной деградации по сравнению с аморфным кремнием.

Как монокристаллические, так и многокристаллические солнечные элементы основаны на кремниевых пластинах. Кремний – это и подложка, и активные слои. Следовательно, потребляется много кремния. Этот тип солнечных элементов существует уже несколько десятилетий и занимает около 86% рынка солнечной электроэнергии.

Тонкопленочные солнечные элементы из аморфного кремния используют очень маленькое количество активного сырья, кремния. Приблизительно половиной стоимости обычных кристаллических солнечных элементов является стоимость кремния. Процесс осаждения тонкой пленки снижает эту стоимость. Недостатком является то, что эффективность составляет примерно половину от эффективности обычных кристаллических солнечных элементов. Кроме того, эффективность снижается на 15–35% при воздействии солнечного света. Эффективность 7% скоро снижается до 5%. Тонкопленочные элементы из аморфного кремния работают лучше кристаллических элементов при тусклом свете. Их хорошо использовать в калькуляторах на солнечной энергии.

Некремниевые солнечные элементы составляют около 7% рынка. Это тонкопленочные поликристаллические солнечные элементы. Предметом исследований являются различные составные полупроводники. Некоторые некремниевые элементы находятся в производстве. Как правило, их эффективность лучше, чем у аморфного кремния, но не так хороша, как у кристаллического кремния.

Теллурид кадмия как поликристаллическая тонкая пленка на металле или стекле может иметь более высокую эффективность, чем тонкая пленка аморфного кремния. При нанесении на металл этот слой является отрицательным контактом к тонкой пленке телллурида кадмия. Прозрачный сульфид кадмия P-типа поверх телллурида кадмия служит буферным слоем. Положительный верхний контакт – это прозрачный, электропроводящий оксид олова, легированный фтором. Эти слои могут быть уложены, вместо стекла, на фольгу при производстве. Эта фольга удаляется после того, как ячейка установлена на постоянную подложку.

Солнечный элемент на базе теллурида кадмия на стекле или металле

Процесс осаждения теллурида кадмия на стекле начинается с осаждения прозрачного, электропроводящего оксида олова N-типа на стеклянную подложку. Следующий слой – это теллурид кадмия P-типа; хотя может использоваться и N-тип, и собственный полупроводник. Эти два слоя составляют PN переход. Слой P+ (сильно легированный P-тип) теллурида свинца помогает установить низкоомный контакт. Металлический контакт обеспечивает окончательный контакт с теллуридом свинца. Эти слои могут быть уложены вакуумным осаждением, химическим осаждением из газовой фазы (CVD), трафаретной печатью, электроосаждением или химическим осаждением из атмосферного давления (APCVD) в гелии.

Вариацией теллурида кадмия является теллурид кадмия-ртути. Его обладание более низким удельным сопротивлением и более низким сопротивлением контакта повышает эффективность по сравнению с теллуридом кадмия.

Солнечный элемент на базе диселенида кадмия-индия-галлия (CIGS)

Диселенид кадмия-индия-галлия: самый перспективный тонкопленочный солнечный элемент в настоящее время производится на рулоне шириной десять дюймов из гибкого полиимида – диселенида кадмия-индия-галлия (CIGS, Cadmium Indium Gallium diSelenide). Эффективность – 10%. Хотя кристаллические кремниевые элементы промышленного класса превзошли это значение десятилетия назад, CIGS должен быть конкурентоспособен по стоимости. Процессы осаждения происходят при достаточно низкой температуре для использования полиимидного полимера в качестве подложки вместо металла или стекла (рисунок выше). CIGS изготавливается в виде рулона, что должно снизить затраты. Элементы на базе CIGS также могут быть получены в результате крайне дешевого электрохимического процесса.

Подведем итоги

• Большинство солнечных элементов – это монокристаллы или мультикристаллы кремния, что обусловлено их хорошей эффективностью и умеренной стоимостью.
• Менее эффективные тонкопленочные различные аморфные или поликристаллические материалы занимают остальную часть рынка.
• В приведенной ниже таблице сравниваются выбранные солнечные элементы Свойства солнечных элементовТип солнечных элементовМаксимальная эффективностьПрактическая эффективностьПримечания

  Селен, поликристаллический	0,7%	–	1883 год, Чарльз Фриттс
  Кремний, монокристалл	–	4%	1950-ые годы, первый кремниевый солнечный элемент
  Кремний, монокристалл PERL, наземный, космос	25%	–	солнечные автомобили, стоимость в 100 раз выше, чем у промышленных элементов
  Кремний, монокристалл, промышленный наземный	24%	14–17%	5–10 долларов США за ватт
  Cypress Semiconductor, Sunpower, кремний, монокристалл	21,5%	19%	все контакты на нижней стороне солнечного элемента
  Фосфид галлия-индия / арсенид галлия / германий, монокристалл, многослойный	–	32%	Предпочтителен для использования в космосе
  Продвинутая наземная версия варианта выше	–	40,7%	Использует оптический концентратор
  Кремний, мультикристаллический	18,5%	15,5%	–
  Тонкопленочные
  Кремний, аморфный	13%	5–7%	Деградирует от солнечного света. Подходит для использования внутри помещений (в калькуляторах) или снаружи в облачную погоду.
  Теллурид кадмия, поликристаллический	16%	–	Стеклянная или металлическая подложка
  Селенид меди-индия-галлия	18%	10%	10-дюймовая гибкая полимерная сеть.
  Органический полимер, 100% пластик	4,5%	–	Проект R&D

Оригинал статьи:

Сохранить или поделиться

radioprog.ru

Гибкий солнечный элемент

Изобретение относится к солнечным элементам и может использоваться в качестве преобразователя солнечной энергии в электрическую энергию в энергетике и в портативной электронике. Cолнечный элемент включает катод и анод, каждый из которых имеет внешний и внутренний гибкие слои, причем названные катод и анод расположены таким образом, что их внутренние слои находятся напротив друг друга с зазором, заполненным электролитом, при этом внешний слой катода выполнен из светопроницаемого полимерного материала, а его внутренний слой выполнен из углеродных нанотрубок, внешний слой анода выполнен из проводящего материала, а его внутренний слой выполнен из наночастиц полупроводникового материала, сенсибилизированного красителем. Изобретение обеспечивает упрощение технологии изготовления солнечных элементов и снижает их стоимость, также увеливает их гибкость. 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к солнечным элементам (СЭ) и может использоваться в альтернативной энергетике для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию.

В настоящее время наиболее распространены СЭ на основе кремния. Они обладают относительно высоким к.п.д., однако и стоимость их высока.

В качестве альтернативных кремниевым СЭ можно рассматривать так называемые «ячейки Гретцеля» - СЭ, сенсибилизированные красителем. Конструктивно ячейка Гретцеля состоит из пластинки электропроводящего стекла, на которую нанесен слой диоксида титана, который является полупроводником. Поверх слоя диоксида титана располагается слой специального органического красителя, а к стеклу подведены токоприемники. Особенностью красителя является то, что под воздействием солнечного света он выделяет электроны. Через слой полупроводника электроны могут двигаться только в одном направлении - к токоприемнику. Таким образом, при достижении порогового значения количества выделяемых электронов образуется электрический ток, который течет от верхнего слоя ячейки к нижнему. Конструкция предполагает использование прозрачных проводящих электродов, в качестве которых используют стеклянные пластины, покрытые слоем оксида индия с оловом. Использование таких пластин не позволяет сделать СЭ гибким, что ограничивает его применение.

Известна конструкция СЭ с катодом на основе оксида индия с оловом [Seigo Ito и др. «High-efficiency (7,2%) flexible dye-sensitized solar cells with Ti-metal substrate for nanocrystalline-TiO2 photoanode» Http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2006/cc/b608279c#!divAbstract]. В качестве анода используется титановая фольга, а катод включает в себя гибкую подложку из полиэтиленнафталата, на которую нанесен слой оксида индия с оловом, покрытый слоем платины. В состав электролита входит 1-бутил-3-метилимидазолий иодид, гуанидиний тиоцианат, 4-трет-бутилпиридин в смеси с ацетонитрилом и валеронитрилом. Электролит расположен между катодом и анодом, а СЭ представляет собой ячейку типа «сэндвич».

Описанный СЭ имеет недостатки, обусловленные применением прозрачных электродов на основе оксида индия с оловом, к которым относятся их хрупкость и недостаточная гибкость, что приводит к растрескиванию покрытия и не позволяет организовать поточное производство СЭ на гибкой основе, а также высокая стоимость индия и платины, что значительно увеличивает стоимость СЭ.

Наиболее близким аналогом предлагаемого СЭ является сенсибилизированный красителем гибкий СЭ, содержащий катод, анод и электролит, расположенный между катодом и анодом [Заявка США №20100051101, МПК H01L 31/0216, H01L 31/18]. Катод выполнен в виде гибкой полимерной подложки с нанесенным на нее слоем из углеродных нанотрубок (УНТ) и фоточувствительным слоем из полупроводника - наночастиц диоксида титана, сенсибилизированных поглощающим свет красителем. Анод выполнен в виде гибкой полимерной подложки, на которую нанесен проводящий слой из напыленных металлов, таких как платина, палладий, серебро или золото. В качестве электролита используется окислительно-восстановительная пара йодид/трийодид.

Электролит заполняет промежуток между катодом и анодом и обеспечивает протекание электрического тока между ними. Слой из углеродных нанотрубок выполнен достаточно тонким и прозрачным, так что солнечный свет проходит через него и попадает на слой полупроводника, сенсибилизированного красителем. Молекулы красителя, поглощая солнечный свет, переходят в возбужденное состояние и отдают электрон полупроводнику - диоксиду титана. По слою, состоящему из частиц диоксида титана, электроны достигают электрода, имеющего проводящий слой из углеродных нанотрубок, а затем через внешнюю цепь попадают на анод. На аноде происходит передача электронов молекулам йода, находящимся в электролите, с образованием ионов йода. Ионы йода в свою очередь передают недостающие электроны молекулам красителя.

Прототип имеет следующие недостатки.

Во-первых, он сложен в изготовлении. Так, при изготовлении катода слой наночастиц диоксида титана, сенсибилизированных красителем, предварительно формируют на металлической фольге, сформированный слой высушивают, запекают при температуре около 500°C. Запеченный слой снимают с фольги и переносят на полимерную подложку, покрытую УНТ. При таком способе изготовления трудно обеспечить надежный электрический контакт слоя диоксида титана с подложкой и нанесенным на нее слоем УНТ, который необходим для эффективной передачи электронов.

Во-вторых, он имеет высокую стоимость, обусловленную применением драгоценных металлов в проводящем слое анода.

Изобретение решает задачу упрощения технологии изготовления СЭ, снижения его стоимости и увеличения гибкости.

Поставленная задача решается тем, что предлагается СЭ, включающий катод и анод, каждый из которых имеет внешний и внутренний гибкие слои, причем названные катод и анод расположены таким образом, что их внутренние слои находятся напротив друг друга с зазором, заполненным электролитом, при этом внешний слой катода выполнен из светопроницаемого полимерного материала, а его внутренний слой выполнен из углеродных нанотрубок, внешний слой анода выполнен из электропроводящего материала, а его внутренний слой выполнен из наночастиц полупроводникового материала, сенсибилизированного красителем.

В качестве слоя из электропроводящего материала целесообразно использовать металлическую фольгу. Применение металлической фольги в качестве основы для фоточувствительного слоя из полупроводника позволяет при изготовлении СЭ запечь названный слой при высокой температуре, что обеспечивает хороший электрический контакт между частицами полупроводника и, как следствие, его высокую электропроводность.

Фольга может быть выполнена из металла, выбранного из ряда: титан, или железо, или вольфрам, или молибден и др.

Светопроницаемый полимерный материал может быть выбран из ряда: полиэтилентерефталат, или полиэтиленнафталат, или полиимид, или полимерный гидрокарбон, или целлюлоза, или поликарбонат, или полистирол.

Полупроводниковый материал может быть выбран из ряда: диоксид титана, или оксид цинка, или пентаоксид ниобия, или триоксид вольфрама, или диоксид олова, или оксид магния.

В СЭ может использоваться краситель на основе соли рутения, например N3 или N719.

В СЭ может использоваться в качестве красителя порфириновый комплекс, например, входящий в состав гемоглобина или хлорофилла, или перовскит, или кумарин, мероцианин или другие специально разработанные для использования в СЭ органические красители.

Электролит может содержать окислительно-восстановительную пару йодид/трийодид (I-/I3-).

Названная окислительно-восстановительная пара йодид/трийодид может быть растворена в ацетонитриле или в жидком или твердом полимере, например полимере на основе полиэтилен-оксида.

Слой наночастиц полупроводникового материала, сенсибилизированного красителем, должен быть выполнен таким образом, чтобы его соседние наночастицы или большая их часть контактировали между собой, обеспечивая проводимость электронов.

СЭ может быть помещен в герметичный прозрачный футляр, например, выполненный из полимерной пленки.

На фиг.1 представлена конструкция СЭ, где: 1 - электролит, 2 - катод, 3 - анод, 4 - слой светопроницаемого полимерного материала, 5 - слой УНТ, 6 - слой проводящего материала, 7 - слой наночастиц полупроводникового материала, сенсибилизированного красителем.

Электролит 1 расположен в зазоре между электродами: катодом 2 и анодом 3. В качестве электролита используется, например, окислительно-восстановительная пара йодид/трийодид (I-/I3-) в растворе ацетонитрила или в жидком или твердом полимере, например, полимере на основе полиэтилен-оксида.

Светопроницаемый электрод СЭ - катод 2 состоит из слоя гибкого полимерного светопроницаемого материала 4 и проводящего слоя УНТ 5, также светопроницаемого. Слой полимерного материала может быть из полиэтилентерефталата, или полиэтиленнафталата, или полиимида, или полимерного гидрокарбона, или целлюлозы, или поликарбоната, или полистирола, или другого подходящего материала.

Светонепроницаемый электрод СЭ - анод 3 состоит из слоя проводящего материала 6, например металлической фольги, и слоя наночастиц полупроводникового материала, сенсибилизированного красителем 7. Фольга может быть выполнена из титана, или стали, или вольфрама, или молибдена. Полупроводниковым материалом может быть: диоксид титана (TiO2), или оксид цинка (ZnO), или пентаоксид ниобия (Nb2O5), или триоксид вольфрама (WO3), или диоксид олова (SnO2), или оксид магния (MgO), или другой подходящий материал. В качестве красителя может использоваться краситель на основе соли рутения, например N3 или N719. Или могут использоваться специально разработанные органические красители, например гемоглобин или хлорофилл, или перовскит, или кумарин, мероцианин и другие.

Слой наночастиц полупроводникового материала должен обеспечивать высокий уровень проводимости для электронов. Для выполнения этого слоя на проводящий материал, например металлическую фольгу, наносят пасту, приготовленную из наночастиц полупроводника и этилового спирта, после чего ее нагревают до соответствующей температуры, при которой спирт испаряется, а наночастицы спекаются между собой. Например, наночастицы диоксида титана спекаются при температуре 400°С.

Электролит помещен между слоем УНТ 5 катода и слоем наночастиц полупроводникового материала, сенсибилизированного красителем 7 анода.

Предлагаемый СЭ работает следующим образом (на примере СЭ, содержащего в качестве электролита окислительно-восстановительную пару йодид/трийодид, в качестве слоя проводящего материала - титановую фольгу, в качестве слоя светопроницаемого полимерного материала - пленку из полиэтилентерефталата, в качестве полупроводникового материала - диоксид титана, в качестве красителя - краситель на основе соли рутения N 719 Di-tetrabutylarmmonium cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylato)ruthenium-(II)).

Излучаемый солнцем свет проходит через светопроницаемые катод 2 и электролит 1 до слоя 7 светонепроницаемого анода 3. Слой 7 состоит из наночастиц полупроводникового материала - диоксида титана и молекул красителя на основе соли рутения. Молекулы красителя поглощают фотоны попавшего на них света, переходят при этом в возбужденное состояние и выделяют электроны. Выделенные молекулами красителя электроны инжектируются в зону проводимости полупроводникового материала TiO2. При этом молекула красителя окисляется, образуя положительно заряженный ион, а через СЭ протекает электрический ток сверху вниз к титановой фольге 6. Положительно заряженные ионы красителя, в свою очередь, компенсируют недостаток электрона, окисляя йодид в составе электролита до трийодида. На слое углеродных нанотрубок 5 происходит восстановление трийодида до йодида. Затем йодид проходит через электролит к слою из наночастиц полупроводникового материала, сенсибилизированного красителем, где восстанавливает окисленные молекулы красителя.

В результате описанных процессов возникает разность потенциалов между катодом и анодом, а именно между слоем углеродных нанотрубок катода и металлической фольгой анода, благодаря чему при замыкании внешней цепи возникает электрический ток.

СЭ может быть помещен в светопроницаемый герметичный футляр, выполненный, например, из запаянной по краям полимерной пленки. Такой футляр защищает от внешних воздействий и срок службы СЭ может быть увеличен.

Предлагаемый гибкий СЭ относительно дешев, так как не имеет в своем составе дорогостоящих материалов, технологичен в изготовлении и не склонен к разрушениям при изгибании.

1. Солнечный элемент, включающий катод и анод, каждый из которых имеет внешний и внутренний гибкие слои, причем названные катод и анод расположены таким образом, что их внутренние слои находятся напротив друг друга с зазором, заполненным электролитом, а внешний слой катода выполнен из светопроницаемого полимерного материала, отличающийся тем, что внутренний слой катода выполнен из углеродных нанотрубок, при этом внешний слой анода выполнен из электропроводящего материала, а его внутренний слой выполнен из наночастиц полупроводникового материала, сенсибилизированного красителем.

2. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что полимерный материал выбран из ряда: полиэтилентерефталат, или полиэтиленнафталат, или полиимид, или полимерный гидрокарбон, или целлюлоза, или поликарбонат, или полистирол.

3. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что слоем из электропроводящего материала является металлическая фольга.

4. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковый материал выбран из ряда: диоксид титана, или оксид цинка, или пентаоксид ниобия, или триоксид вольфрама, или диоксид олова, или оксид магния.

5. Солнечный элемент по п.3, отличающийся тем, что металлическая фольга выполнена из металла, выбранного из ряда: титан, или сталь, или вольфрам, или молибден.

6. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что используется краситель на основе соли рутения, например N3 или N719.

7. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что используется органический краситель, например кумарин или мероцианин, или порфириновый комплекс, входящий в состав гемоглобина или хлорофилла, или перовскит.

8. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что электролит содержит окислительно-восстановительную пару йодид/трийодид,

9. Солнечный элемент по п.8, отличающийся тем, что окислительно-восстановительная пара йодид/трийодид растворена в ацетонитриле.

10. Солнечный элемент по п.8, отличающийся тем, что окислительно-восстановительная пара йодид/трийодид растворена в жидком или твердом полимере, например полимере на основе полиэтилен-оксида.

11. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что слой наночастиц полупроводникового материала, сенсибилизированного красителем, выполнен таким образом, что его соседние наночастицы контактируют между собой.

www.findpatent.ru

PERC солнечные элементы | Блог SolarSoul

Под термином PERC подразумевается солнечный элемент с технологией пассивации задней поверхности кремниевой пластины. Дословно PERC (Passivated Emitter Rear Cell) — пассивированный эмиттер задний контакт. Поскольку термин достаточно сложный, то мы решили разобраться в этой статье, что представляют собой солнечные элементы, изготовленные с технологией PERC, и за счет чего они имеют более высокую эффективность.

Сама по себе технология не нова. Концепция PERC была представлена еще в 1984 году учёными университета нового южного Уэльса (Австралия). Как и многим другим технологиям, PERC пришлось ждать почти 30 лет, для того чтобы стать рентабельной и пойти в массовое производство.

Что такое технология PERC?

В обычном фотоэлементе на тыльной стороне наносится слой алюминия, выполняющий функцию контактора для съема тока. Алюминий наносят по всей задней поверхности кремния, что обеспечивает сплошной контакт. При изготовлении PERC элемента между кремнием и алюминием наносится диэлектрический слой с микроотверстиями сделанными лазером.

PERC солнечный фотоэлемент

В результате контакт происходит именно через эти микроскопические отверстия. А слой диэлектрика обеспечивает функцию экрана отражателя.

Строение солнечного элемента с технологией PERC

Как PERC технология увеличивает КПД солнечной батареи?

Есть 3 основные причины, почему диэлектрический слой увеличивает эффективность солнечного элемента:

1. Увеличение поглощающей способности фотоэлемента

Слой на задней части солнечного элемента отражает свет, который проходит через солнечный элемент, обратно внутрь слоёв кремния. Это позволяет увеличить количество сгенерированных электронов.

Различные длинны волн спектра солнечного света генерируют электроны на различных уровнях структуры солнечной ячейки. Так, например, короткие волны (синий цвет) генерируют электроны возле передней поверхности фотоэлемент, в свою очередь, длинные волны (красный свет) генерируют больше электронов у тыльной стороны ячейки.

Длина волны солнечного спектра

Из-за этого длинноволновый спектр генерирует мало электронов т.к. вблизи тыльной стороны элемента просто поглощается задним алюминиевым контактом. Дополнительный слой способствует отражение этих лучей и позволяет сгенерировать больше электронов вблизи тыльного контакта.

Отражение солнечных лучей в солнечном элементе PERC

Особенно прибавка к производительности происходит в утреннее и вечернее время, а так же в пасмурную погоду. Поскольку большее количество коротковолнового излучения синего света (в спектре длин волн от 450 до 495 нм) в это время поглощается в атмосфере. Это происходит из-за того, что коротковолновый спектр имеет более длинный путь к поверхности Земли, чем спектр длинноволнового излучения.

Поглощающая способность солнечных элементов PERC

2. Снижение нежелательного перегрева в солнечном элементе

Кремниевые солнечные элементы не поглощают свет с длиной волны более 1180 нанометров. В стандартных солнечных элементах этот свет поглощается задним алюминиевым слоем и преобразуется в тепло. Как известно, нагрев снижает эффективность солнечных элементов. Диэлектрический слой отражает большее количество света с длиной волны более 1180 нм и помогает солнечному элементу работать более эффективно за счет меньшего перегрева.

Отражающая способность солнечных элементов PERC

3. Отражение электронов в зону p-n перехода

Кроме дополнительной генерации электронов и уменьшения перегрева фотоэлемента PERC технология способствует отражению уже сгенерированных электронов в зону p-n перехода.

Снижение рекомбенации в солнечном элементе PERC

Выбитый фотоном электрон под воздействием солнечного света может свободно «блуждать» по слою кремния и в некоторых случаях просто поглощаться на тыльном контакте элемента не участвуя в p-n переходе. Этот процесс называют рекомбинацией в фотоэлементе. Диэлектрический слой отражает электроны так же как солнечные лучи и дает большему количеству электронов возможность найти «дырку» для обеспечения фотоэффекта. И этот так же увеличивает производительность солнечной батареи.

Потенциал производства PERC фотоэлементов

Кроме более высокой эффективности, солнечные элементы PERC высокий экономический потенциал. Однако, для того, чтобы PERC модули стали дешевле обычных, потребуется существенное увеличение производственных мощностей.

Так как PERC совместим с существующим оборудованием для производства технологией, переход на новую технологию для производителей будет несложным. Сейчас наблюдается рост производства PERC модулей, который по прогнозам будет увеличиваться и в дальнейшем.

Прогноз производства солнечных элементов PERC (Источник: Energy Trend)

Солнечные элементы, изготовленные по технологии PERC, имеют эффективность более 20%. Это обеспечивает им преимущество по сравнению со стандартными кремниевыми солнечными элементами, имеющими КПД около 17-19%. Эта разница в эффективности добавляет 3-5 Вт номинальной мощности для PERC модуля с 60 солнечными элементами.

Поделиться "Что такое PERC солнечные элементы и почему за ними будущее?"

Рекомендуемые статьи

solarsoul.net

3.3 Фотоэлементы третьего поколения

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

Эти пластины состоят из ориентированных монокристаллов кремния размером от нескольких миллиметров до сантиметра и более. Пластины нарезают механическим способом или лазером. Толщина пластин составляет 200-300 мкм. Кремниевые солнечные элементы с рекордной эффективностью фотопреобразования в 24,7% выполнены на основе монокристаллического кремния, выращенного методом плавающей зоны. Используя монокристаллический кремний, выращенный методом Чохральского, который существенно дешевле, чем монокристаллический кремний, полученный методом плавающей зоны, компания Sanyo (Япония) освоила промышленное производство солнечных панелей со средней эффективностью ~20%, а на элементах размером ~100 см2 была достигнута

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

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

разработан метод роста восьмигранных слитков кремния (вместо круглых), основанный на вытягивании слитков из расплава при помощи восьмигранной графитовой фильеры. Тонкие восьмигранные листы кремния, нарезанные из таких слитков, позволяют их плотную укладку при производстве модулей без потерь кремния на придание им такой рациональной формы. Также разработаны малоотходные технологии резки слитков, в частности, резка

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

микромашинной резки, нарезают на пластинки толщиной ~50 мкм, шириной соответственно 1-2 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 расплава кремния. В соответствии с одним способом, называемым «полоса со струнами» (theStringRibbonprocess), две струны (натянутых волокна) из высокотемпературного диэлектрического материала протягиваются через маленькие отверстия в дне графитового тигля с расплавом кремния. Струны ограничивают полоску кремния, стабилизируют ее край и позволяют проводить непрерывное вытягивание полоски из расплава при постоянном пополнении кремния в тигле. Обычно ширина полоски составляет около 8 см, а толщина 100-150 мкм. Одновременно из одного тигля можно вытягивать несколько полосок. Струны сохраняются в полоске на протяжении всего процесса изготовления солнечного модуля. Качество получаемого кремния аналогично мультикристаллическому материалу и позволяет производить модули с эффективностью 14%. В соответствии с другим способом через расплав кремния протягивается лента из графитовой фольги, на обеих сторонах которой кристаллизуется кремний. После обрезания края ленты ее нарезают на листы необходимого размера и проводят их термоокислительную обработку, в результате которой графит выгорает и от каждой заготовки остаются два листа кремния толщиной ~150 мкм. Этот способ отличается высокой производительностью. Также широко применяется способ, состоящий в плавлении порошка или гранул кремния на высокотемпературных подложках с последующей кристаллизацией; листы кремния отделяют от подложек, которые используются 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 и очень большой производительностью, но модули, изготовляемые из такого материала, имеют эффективность только около 9%.

____________________________________________________________

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

3.2.1Фотоэлементы на основе аморфного кремния

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

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

Аморфный кремний всегда содержит водород в количестве от 5 до 20 ат. %, который блокирует оборванные связи кремния, поэтому он является гидрогенизированной формой кремния. Гидрогенизированный аморфный кремний (aSi:H) является прямозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны 1,7 эВ и высоким коэффициентом оптического 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 зоны уменьшается, а при добавлении углерода – увеличивается. Это позволяет создавать солнечные элементы с двумя или тремя гетеропереходами, перекрывающими практически весь солнечный спектр. Эффективность фотопреобразования таких элементов достигает 12%. Недостатком является деградация физических свойств элемента под действием солнечного излучения – эффект Штеблера-Вронского (theStaebler-Wronskieffect). Чтобы повысить стабильность свойств фотоэлементов в качестве полупроводника используют не аморфный кремний, но двухфазный материал, содержащий включения микро или нано

кристаллов кремния в аморфной матрице, который известен как микрокристаллический или нанокристаллический кремний. Такой материал получается при добавлении водорода в реакционную смесь. При высоком содержании кристаллической фазы свойства материала все больше соответствуют свойствам мультикристаллического кремния. Помимо ячеек на основе двухфазного материала разрабатываются гибридные ячейки: аморфный Si/микрокристаллический (нанокристаллический) Si, которые в литературе называют «микро-морфные» устройства. Эти устройства обладают более высокой эффективностью и стабильностью, чем устройства на основе только аморфного кремния. Следует отметить, что пленки аморфного кремния нашли и другое применение – в качестве пассивирующего покрытия пластин монокристаллического кремния модулей первого поколения. Такое покрытие снижает поверхностную рекомбинацию носителей заряда на два порядка, что приводит к существенному повышению эффективности фотопреобразования. Эти элементы разработаны компанией Sanyo (Япония) и получили название «гетеропереходы с внутренним тонким слоем» ("HeterojunctionwithIntrinsicThinlayer - HIT). Компания Sanyo наладила промышленный выпуск модулей на основе HIT-структуры с эффективностью преобразования 21,5%.

3.2.2 Фотоэлементы на основе кристаллических пленок кремния

Материалом альтернативным и монокристаллическому, и аморфному кремнию являются поликристаллические пленки кремния. Поликристаллический Si устойчив к воздействию солнечного излучения аналогично монокристаллическому материалу и при этом обеспечивает более высокую эффективность фотопреобразования, чем аморфный кремний. Благодаря высокой электропроводности кремния фотоэлементы на основе

поликристаллического материала не требуют применения прозрачного электрода. Однако в таких элементах необходимо использовать светопоглощающий слой, поскольку оптическое поглощение в поликристаллическом кремнии намного меньше, чем в аморфном. Электрические свойства поликристаллического кремния, в частности время жизни носителей заряда, определяющие эффективность фотопреобразования, зависят от размера и ориентации кристаллитов. В настоящее время разработано несколько способов производства поликристаллических пленок кремния, например, химическое осаждение из паровой фазы c использованием горячего филамента (hot-wire CVD), или газотранспортный метод с использованием йода. Оба метода обладают высокой скоростью осаждения – до 3 мкм/мин, однако второй метод имеет некоторые преимущества: он работает при атмосферном давлении и позволяет получать крупнокристаллические пленки с размером кристаллитов 5-20 мкм. Еще один метод получения поликристаллических пленок кремния – индуцированная

металлами кристаллизация аморфной пленки кремния. В отличие от первых двух методов, когда поликристаллические пленки получаются прямо в процессе осаждения, в этом методе происходит кристаллизация аморфной пленки в результате ее контакта с металлом, который ускоряет кристаллизацию. Типично процесс проводят при температурах 450-600оС и

времени от 10 до 70 часов. (Средняя скорость распространения фронта кристаллизации составляет 2-3 мкм/ч при 550оС.) Оказывается, что скорость кристаллизации можно увеличить, если процесс проводить в постоянном электрическом поле умеренной напряженности. Например, при напряженности поля 80 В/см время кристаллизации при 5000С составляет всего 10 мин.

Эффект индуцирования кристаллизации аморфного кремния присущ многим металлам. Эти металлы условно разделяют на две группы: образующие эвтектику с кремнием (например:Al, Au, Ag) и образующие силициды (например: Ni, Pd). Наиболее интенсивно изучаются такие инициаторы кристаллизации, как Al и Ni, поскольку они широко применяются в технологии полупроводниковых устройств. Несмотря на то, что эффект индуцирования кристаллизации известен около 40 лет, его механизм остается еще во многом непонятным. Метод индуцированной кристаллизации позволяет получить пленки кремния высокого совершенства, состоящие из больших кристаллитов вплоть до 100 мкм в поперечнике, при этом в ряде случаев получаются текстурированные пленки кремния.

Кроме этого метода в настоящее время разрабатываются специальные методы, позволяющие получать текстурированные пленки кремния и германия: осаждение на наклонную подложку (InclinedSurfaceDeposition- ISD), осаждение в присутствии пучка ионов высокой энергии, направленного под определенным углом к подложке (IonBeamAssistedDeposition - IBAD), осаждение на металлическую подложку с биаксиальной текстурой. Первые два метода отличаются универсальностью и позволяют формировать текстурированные пленки различных материалов практически на любых, в том числе поликристаллических и аморфных, подложках. Недостатками этих методов являются их большая энергозатратность и необходимость использования высокого вакуума, что делает затруднительным промышленное масштабирование этих технологий. Третий метод уже широко используется для формирования текстурированных пленок YBa2Cu3Ox. Высоко ориентированные пленки германия также были получены на биаксиально текстурированных металлических лентах. Это позволило создать солнечный модуль на основе тонких пленок соединений III-V групп с эффективностью 30%. По этой технологии в 2008 году в США

организовано промышленное производство солнечных модулей (компания Wakonda).

3.2.3 Фотоэлементы на основе кристаллических пленок CdTe

Теллурид кадмия является одним из перспективных материалов для производства высокоэффективных и дешевых солнечных модулей. Этот материал является прямозонным полупроводником с большим коэффициентом оптического поглощения (~105 см-1) в видимом диапазоне и имеет почти идеальную ширину запрещенной зоны (1,5 эВ) для ячеек с одним переходом. Благодаря этому пленка CdTe толщиной всего несколько микрон поглощает ~90% солнечного излучения. В настоящее время разработаны разнообразные промышленно эффективные технологии получения пленок CdTe, такие как сублимация, осаждение из аэрозоля или «мокрая» печать, рост из раствора, электроосаждение, различные физические методы испарения/осаждения. Все эти методы позволяют получать пленки CdTe большой площади с большой скоростью осаждения: ~1 м2/мин. Рекордная эффективность ячейки на основе CdTe составляет 16,5%, модуля коммерческого размера –11%; а типичные коммерческие модули имеют эффективность 7–9%.

Ячейка на основе CdTe состоит из стеклянной подложки с нанесенным слоем прозрачного проводника (SnO2:F, In2O3 или Zn2SnO4), затем n-CdS (<100 нм), далее p-CdTe (1-3 мкм), поверх которого наносится металлический электрод (Ni-Al). Свойства этих ячеек не сильно зависят от вариаций технологических параметров получения пленок, что удобно для промышленного производства. Критическими аспектами технологии являются рекристаллизация пленок CdTe с использованием CdCl2 в качестве флюса, а также предотвращение диффузии Ni в пленку СdTe при формировании металлического электрода (для этого в состав электрода вводят небольшое количество меди).

Основными недостатками этих фотоэлементов являются экологические и медицинские проблемы, связанные с вредным влиянием кадмия. Однако проведенные исследования показывают, что все требования безопасного производства и утилизации этих фотоэлементов могут быть соблюдены при вполне умеренных затратах.

3.2.4 Фотоэлементы на основе кристаллических пленок CuInSe2 (CIS)

CuInSe2 является еще одним перспективным материалом для солнечных элементов. Современный рекорд эффективности для лабораторных устройств на основе CIS с добавлением Ga составляет 19,5%, что превышает эффективность элементов на поликристаллическом кремнии. Модули коммерческого размера имеют эффективность более 13%. Типичная структура ячейки на основе CIS состоит из подложки (натриево-кальциево-

силикатное стекло, или гибкая подложка из нержавеющей стали или полиимида), на которую нанесен Мо (1 мкм; осаждается при комнатной температуре), затем слой Cu(In-Ga)Se2 (~1 мкм), затем CdS (~70 нм), поверх которого наносится прозрачная проводящая пленка ZnO (~350 нм). Были также изготовлены ячейки с эффективностью 18,6%, не содержащие кадмия,

в которых CdSзаменен на ZnS. Для получения крупнокристаллических пленок CIGS высокого совершенства на разных этапах их синтеза варьируют стехиометрию по меди и индию. Одним из ключевых аспектов технологии является присутствие натрия, для чего используют Na-содержащее стекло или натрий вводят дополнительно в виде различных солей в случае использования металлических или полимерных подложек. Недостатком этих

устройств является сложность получения высококачественных пленок CIGS, обусловленная сложностью фазовой диаграммы этого четверного соединения, а также деградация свойств в результате атмосферного влияния. Для повышения надежности и ресурса работы фотоэлементов на основе пленок CIGS необходимо понять механизмы деградации их свойств и разработать эффективную технологию их герметизации для длительного

использования в условиях атмосферы.

3.2.5 Фотоэлементы на основе кристаллических пленок III-V групп

Полупроводниковые материалы на основе соединений групп III (Al, Ga, In) и V (N, P, As, Sb) известны с 1950 года, а в начале 1960-х годов были созданы и первые фотоэлементы на основе арсенида галлия, которые тут же нашли применение в космических исследованиях благодаря устойчивости к космическому излучению и высокой эффективности фотопреобразования. Из всех соединений групп III-V наиболее широко применяются InP и GaAs, поскольку они имеют почти идеальную ширину запрещенной зоны в 1,4 эВ.

Наибольшая эффективность на структурах с одним переходом была достигнута на тонкопленочных устройствах, сформированных методом газофазной эпитаксии: 25,8% для GaAs и 21,9% для InP.

Недостатком устройств на пленках соединений III-V групп является высокая стоимость подложек, обеспечивающих эпитаксиальный рост этих материалов. Кроме этого, эффективность фотопреобразования пленок очень чувствительна к примесям и структурным дефектам, что не позволяет упростить технологию их осаждения и снизить стоимость производства ячеек. Выход их этой ситуации: использовать ячейки с несколькими переходами, обеспечивающими более полное поглощение солнечного спектра, а также использовать концентрирование солнечной энергии с большой площади на небольшой фотоэлемент. В этом случае вместо дорогостоящего фотоэлемента используется существенно более дешевое концентрирующее устройство, например, линза Френеля. В результате стоимость фотоэлемента снижается пропорционально степени концентрирования солнечного излучения. Современный рекорд эффективности фотопреобразования, достигнутый на структуре с тремя переходами при концентрировании в 364 раза, составляет 41,6%. Увеличение количества гетеропереходов больше 3 приводит к значительному удорожанию фотоэлемента, поэтому основной рынок для высокоэффективных устройств с четырьмя и более гетеропереходами –аэрокосмическая промышленность.

1.2.6 Фотоэлементы на основе органических материалов

В последнее время солнечные элементы на основе органических материалов вызывают все больший интерес как исследователей, так и компаний, производящих солнечные элементы. Это связано с постоянным ростом эффективности этих устройств. Так в декабре 2009 года компания Solarmer (США) сообщила о фотоэффективности в 7,9%, а уже в июле 2010 года эта же компания заявила о новом рекорде в 8,13%. Несмотря на то, что

эффективность фотопреобразования органических фотоэлементов выглядит довольно скромно по сравнению с неорганическими фотоэлементами, однако эти устройства обладают целым рядом положительных свойств, благодаря которым они составляют реальную конкуренцию неорганическим элементам. К этим свойствам относятся малый расход и низкая стоимость материалов, их экологическая безопасность и дешевая утилизация, очень низкая стоимость производства, гибкость модулей и связанное с этим удобство транспортировки и монтажа. Благодаря этому компания Solarmer заявила, что в ближайшее время она достигнет стоимости электроэнергии, производимой органическими элементами, в 35 0,12-0,15 $/кВт·ч или <1$/Вт, что соответствует лучшим образцам неорганических тонкопленочных фотоэлементов второго поколения.

Органические полупроводники могут быть как мономерами, например, красители, так и полимерами. Допирование органических полупроводников может быть осуществлено введением посторонних атомов или молекул. Например, р-типа полупроводники получают вводя галогены, нитрогруппу, органические молекулы, такие как 2,4,7-тирнитрофлуоренон или орто-хлоранил, а также полупроводники с большим сродством к электрону: фуллерен или диамидпирилена. n-типа проводимость можно получить вводя щелочные металлы или полупроводники с низким потенциалом ионизации.

Простейшей архитектурой для полимерного фотоэлемента является планарная гетероструктура, в которой на пленку фотоактивного полимера (донор) наносится пленка электронного акцептора, на которые с двух сторон наносятся электроды. В настоящее время в качестве фотоактивного материала используются полимеры с сопряженными С-С связями, модифицированные фуллеренами. В полимерных полупроводниках, в отличие от неорганических полупроводников, поглощенный фотон генерирует экситон, т.е. электрон-дырочную пару, связанную кулоновскими силами. Эта электронейтральная квазичастица диффундирует к донорно-акцепторной границе, где происходит ее диссоциация на свободные электрон и дырку, дающие вклад в фототок. Типичная длина диффузии экситонов в органических полупроводниках составляет 1-10 нм. Такой же толщины должна быть и пленка фотоактивного полимера, однако при такой толщине эта пленка имеет очень низкий коэффициент оптического поглощения. Одним из способов решения этой парадигмы является использование объемных гетеропереходов, когда донорный и акцепторный материалы образуют фазово-разделенную систему, например, при расслоении раствора

полимеров или при деполимеризации раствора блоксополимера с последующей полимеризацией двух фаз из составляющих его мономерных блоков, например, при упорядочении раствора блоксополимеров. Варьируя материалы, растворители, их концентрации и условия процесса, можно получать взаимопроникающие системы фаз с характерным размером 1-10 нм. Другим решением является создание упорядоченныхгетероструктур. Наиболее часто эта концепция реализуется в так называемых гибридных, т.е. органических/неорганических структурах, например, когда фотоактивный

полимер заполняет поры TiO2, или наночастицы кремния заполняют полимерную матрицу, образуя перколяционную систему, или структуру из наностержней InP, выращенных на проводящей подложке, заполняют полимером.

Недостатком фотоэлементов на основе органических материалов, помимо невысокой эффективности фотопреобразования, является проблема стабильности свойств, присущая сопряженным полимерам.

1.2.7 Фотоэлементы на красителях

Фотоэлементы на красителях также принадлежат к тонкопленочным солнечным элементам. Этот тип фотоэлементов был изобретен в 1991 году швейцарским ученым Гретцелем (Grätzel), и поэтому их еще называются «ячейка Гретцела». Первая ячейка Гретцела состояла из анода (толщиной 10 мкм) в виде высокопористого нанокристаллического диоксида титана, поверхность которого покрыта мономолекулярным слоем красителя и который был сформирован на стеклянной подложке, покрытой слоем прозрачного проводящего оксида. Пористый анод пропитывался жидким йодным электролитом. Катодом являлась платина.

Ячейка Гретцела работает следующим образом. Свет, проходя через прозрачную подложку, поглощается фотоактивным красителем. Электроны, возбужденные светом в красителе, переходят в TiO2 и диффундируют к прозрачному проводящему электроду под действием градиента их концентрации. Электролит замыкает электрическую цепь и обеспечивает транспорт электронов от катода (Pt) к красителю, где они рекомбинируют с

дырками, оставшимися от мигрировавших фотоэлектронов. Таким образом, в ячейке Гретцеля полупроводник (TiO2) используется только для транспорта фотоэлектронов, которые генерируются в фоточувствительном красителе. Этим ячейка Гретцела принципиально отличается от обычных полупроводниковых фотоэлементов, в которых и транспорт, и генерация фотоэлектронов происходят в объеме полупроводника.

Недостатками ячейки Гретцела являются высокая коррозионная активность электролита и высокая стоимость платины. Однако эти проблемы не являются фатальными и могут быть найдены эффективные решения для них. Например, вместо Pt уже предложено использовать CoS, также предложены менее агрессивные органические электролиты.

В настоящее время рекордная эффективность фотопреобразования ячеек на красителях составляет 11,1%, что, учитывая невысокую стоимость используемых материалов и простоту технологии, делает эти фотоэлементы привлекательными для массового применения.

Постоянно ведутся исследования по поиску новых более дешевых и/или более эффективных материалов, что позволяет надеяться на повышение эффективность этих структур. Кроме этого обычного «эволюционного» пути эффективность фотопреобразования можно еще существенно повысить, если использовать тандемные структуры. Стандартная ячейка Гретцела работает как фотоанод, когда фототок возникает в результате фотогенерации электронов в фотоактивном красителе. Аналогично можно создать фотокатод, когда фотоактивный краситель генерирует дырки, или, другими словами, фотовозбужденный краситель индуцирует перенос электрона из р-типа полупроводника в краситель. Если объединить две такие структуры, работающие как фотоанод и фотокатод, в

один элемент, то эффективность фотопреобразования может быть значительно повышена. Работы в этом направлении ведутся, но пока эффективность таких тандемных структур ниже, чем у стандартной ячейки Гретцела n-типа, поскольку существующие ячейки р-типа имеют небольшой фототок, являющийся лимитирующим фактором для всей структуры.

Фотоэлементы третьего поколения – это устройства, обеспечивающие высокий коэффициент фотопреобразования при небольшом расходе материалов. Цель разработки этих элементов – снизить стоимость электроэнергии ниже 0,5$/Вт (желательно ниже 0,2$/Вт). Способ реализации этой задачи – существенно увеличить эффективность фотопреобразования при сохранении (или незначительном повышении) стоимости производства и издержек на утилизацию и экологическую безопасность. Для осуществления

этой концепции наиболее подходящими являются тонкопленочные технологии.

Наиболее существенными механизмами, понижающими эффективность

фотоэлементов с одним гетеропереходом, являются неполное поглощение солнечного спектра (в фототок дают вклад только фотоны с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны) и термализация фотоэлектронов, возбужденных фотонами с энергией, существенно превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника. Два этих механизма ответственны за потерю почти 50% солнечной энергии. Устранить эти потери возможно несколькими способами. Во-первых, за счет более эффективного использования солнечного спектра. Для этого можно использовать нескольких гетеропереходов с разной шириной запрещенной зоны, максимально перекрывающих солнечный спектр. Эти гетеропереходы могут быть объединены в одну ячейку – так называемые «тандемные» солнечные элементы. Сюда относятся рассмотренные выше гетеропереходы: из аморфного кремния, из халькопиритов, на основе соединений III-V групп или на красителях. Также гетеропереходы могут быть в виде индивидуальных элементов, но каждый использует соответствующую часть солнечного спектра. Можно и трансформировать широкий солнечный спектр в спектр с узким распределением фотонов по энергии вблизи оптимального для конкретного полупроводника значения, например, 1,1 эВ для кремния. Кроме этого, возможна многоэлектронная генерация, когда один фотон с высокой энергией генерирует несколько электронов. Возможно реализовать и «многофотонные» процессы – когда несколько фотонов низкой энергии (инфракрасных) генерируют один электрон.

Во-вторых, за счет использования «горячих» фотоэлектронов до их термализации – «ячейки на горячих носителях». С учетом всех этих факторов эффективность фотопреобразования при нормальной освещенности, т.е. без концентрирования солнечного излучения, составляет примерно 66% - термодинамический предел при освещенности, равной 1 солнцу. Абсолютный термодинамический предел, определяемый циклом Карно (при максимально возможной концентрации солнечной энергии на Земле в 46200 раз) соответствует эффективности фотопреобразования примерно 93%. Элементы третьего поколения используют как эти, так и некоторые другие принципы. В настоящее время проводятся интенсивные исследования, направленные на выяснение физических основ функционирования различных типов фотоэлементов третьего поколения, которые позволяют надеяться на их реализацию в конкретных высокоэффективных устройствах.

_______________________________________________________

КПД

Типы

Фотоэлементы являются ключевым звеном в создании солнечных батарей.  Как правило, солнечные батареи состоят из кремния с различной степенью кристаллизации. Поэтому, глядя на отдельные ячейки фотоэлементов солнечной батареи можно увидеть, что они имеют различные цвета и оттенки. Некоторые элементы имеют расцветки от темно-синего до черного, другие, голубые с частичками кристаллов и т.д. Цвет ячейки зависит от технологии производства и используемого материала.

Рис.Строение стандартного фотоэлемента

Фотоэлементы, как правило, выполняются из полупроводниковых материалов соединенных между собой, образуя потенциальный барьер. Их работа основана на явлении p-n перехода возникающего под воздействием солнечного излучения. Фотоны, попадая на фотоэлемент в зону полупроводника с большей шириной запрещенной зоны, «выбивает» электроны, которые начинают движение к зоне N, а затем пройдя через цепь (нагрузку) связываются с положительными зарядами (дырками). В результате движения электронов образуется  разность потенциалов, или напряжение.

Солнечные панели из поликристаллических фотоэлектрических элементов наиболее распространены ввиду оптимального соотношения цены и КПД среди всех разновидностей панелей. Их КПД составляет 12-14%. У элементов, образующих панель, характерный синий цвет и кристаллическая структура.

Солнечные панели из монокристаллических фотоэлектрических элементов более эффективны, но и более дороги в пересчете на ватт мощности. Их КПД, как правило, в диапазоне 14-16%.

Обычно монокристаллические элементы имеют форму многоугольников, которыми трудно заполнить всю площадь панели без остатка. В результате удельная мощность солнечной батареи несколько ниже, чем удельная мощность отдельного ее элемента.

Производство поликристаллического кремнияпроисходит при медленном охлаждении кремниевого расплава. Эти элементы характеризуются эффективностью в диапазоне 14-18%. Меньшее значение КПД объясняется наличием внутри кристалла поликристаллического кремния областей, отделенных зернистыми границами, которые препятствуют более высокой производительности элементов. Однако цена таких элементов ниже. Обычно поликристаллические фотоэлементы обладают синим цветом с четко выраженными кристаллами кремния.

Солнечные батареи из аморфного кремния обладают одним из самых низки КПД. Обычно его значения в пределах 6-8%. Однако среди всех кремниевых технологий фотоэлектрических преобразователей они вырабатывают самую дешевую электроэнергию.

____________

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 (Sih5), 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 получениятребуемых характеристик, подбирая оптимальные комбинации компонентов пленки.

Солнечные батареи солнечные фотоэлектрические модули KV 195Вт

Цена: 9620 грн. (79365 тг)

Монокристаллический фотоэлектрический модуль (KВАЗАР, Украина) Характеристики:Номинальная мощность - 195 Вт Напряжение системы - 24В Ток короткого замыкания (Isc) - 5,65 А Ток на максимальной мощности (Umpp) - 5,30 А Напряжение холостого хода (Uoc) - 45,20 В Напряжение на максимальной мощности (Umpp) - 36,90 В Габариты - 1585 * 805 * 34 мм Вес - 16,2 кг Площадь модуля - 1,276 м² Диапазон рабочих температур - от + 45 до - 80ºC Максимальное напряжение системы - 1000В Параметры измерены при стандартных условиях (освещенности 1000 Вт / м ² и температуре 25 °С).Область применения:Системы резервного и автономного енергпостачання частных и коммерческих объектов, промышленные солнечные электростанции.

Солнечные батареи солнечные фотоэлектрические модули Suntech STR245-250 250Вт

Цена: 10712 грн. (88374тг)

олнечные батареи Солнечные фотомодули Suntech STP 245-250, 250Вт (Китай), монокристалл.

Высокая эффективность преобразования модуля - до 15,4%, благодаря великолепной технологии и ведущему производственному потенциалу предприятия- производителя, входящего в десятку крупнейших производителей солярных систем.       Гарантированный положительный допуск исходной мощности 0 / +5% обеспечивает надежность ожидаемого количества вырабатываемой энергии.       Дополнительные ветровые тесты и тесты снеговой нагрузки: все модули сертифицированы, чтобы выдерживать экстремальное давление ветра (3800 Pascal) и давление снеговых нагрузок (5400 Pascal)       Антибликовый, гидрофобный слой улучшает поглощение света и уменьшает поверхностное запыление       Отличная производительность в условиях низкой освещенности (утром, вечером, и в пасмурные дни)       Все Suntech модули имеют малые потери мощности в зависимости от температуры (0,4-0,46% на º С)       гарантия не менее 90% мощности через 10 лет      Suntech Power является одним из самых передовых  и крупнейших производителей солнечных батарей в мире. Компания  Suntech  продвигает инновационные и передовые решения в области гелиоэнергетики и имеет распространенную сеть применения своей продукции по всему миру.

http://www.solarhome.ru/pv/modules/asi-get.htm

Baoding Tianwei Group Co

Tianwei TW-TF 120

studfiles.net

Тонкопленочная технология отвоевывает позиции на рынке солнечной энергетики —

Дата публикации: 31 октября 2013

В настоящее время порядка 80-85% производства солнечных батарей приходится на кристаллические модули. Но по заверениям специалистов этой области, будущее все-таки за тонкопленочной технологией. Ее главное достоинство, способное обеспечить ей лидирующие позиции, это более низкая себестоимость. Модули, производимые с использованием тонкопленочной технологии, получили название гибкие солнечные батареи, благодаря тому, что их эластичность и малый вес позволяют монтировать солнечные модули на любой поверхности и даже вшивать их в одежду.

Для производства гибких модулей используют пленки из полимерных материалов, аморфного кремния, алюминия, теллурида кадмия и других полупроводников. Чаще всего их применяют в качестве переносных зарядных устройств, так называемых складных солнечных батарей, для ноутбуков, видеокамер, мобильных телефонов и другой электроники, не требующей большой мощности. Для выработки значительного количества энергии потребуется и большая площадь модулей.

Подробнее о тонкопленочной технологии

Первые тонкопленочные солнечные батареи изготавливались с использованием аморфного кремния, который наносили тонким слоем на поверхность подложки. Их КПД составлял всего 4-5%, да и срок службы оставлял желать лучшего. Второе поколение аморфных модулей уже имело КПД на 2-3% больше, а срок эксплуатации практически сравнялся со сроком службы кристаллических модулей. А вот КПД третьего поколения модулей увеличилось уже до 12%. Так что прогресс на лицо.

При производстве складных солнечных батарей и гибких модулей больших размеров, чаще всего применяют теллурид кадмия и селенид меди-индия. Использование этих полупроводников дает увеличение коэффициента полезного действия от 5 до 10%. А учитывая, что ученые-физики борются за каждый дополнительный процент, такая разница очень ощутима. Более подробно о производстве солнечных батарей по тонкопленочной технологии здесь.

Особенности тонкопленочных батарей:

• Хорошо работают даже при рассеянном свете, поэтому суммарная годовая выработка мощности на 10-15% больше, чем у кристаллических модулей.
• Более низкая стоимость производства, следовательно, данный вид солнечных батарей обойдется Вам дешевле.
• Большую эффективность показывают в системах с мощностью более 10кВт.
• При равном показателе вырабатываемой мощности, площадь тонкопленочных модулей примерно в 2,5 раза больше, чем у кристаллических.
• Требуют использование высоковольтных контроллеров и инверторов.

Случаи, когда применение тонкопленочных модулей обосновано:

• В регионах, где преобладает пасмурная погода. Модули, выполненные по тонкопленочной технологии, лучше поглощают рассеянный свет.
• В странах с жарким климатом. При высокой температуре тонкопленочные солнечные батареи показывают большую эффективность.
• Есть необходимость монтирования панелей в здание либо требуется их использование в качестве дизайнерских задумок или конструкторских решений, например, для отделки фасада.
• Потребность в модулях с частичной прозрачностью до 20%.

От плоской формы к цилиндрической

Цилиндрические солнечные батареи впервые разработала небольшая американская компания с запоминающимся названием Solyndra (от слов «солнечный» и «цилиндр»). Свое достижение они представили в 2008 году и сразу же получили несколько крупных заказов от европейских и американских фирм. По их заверениям, эта цифра составляла более 1 млрд. $.

До 2008 года солнечные элементы имели плоскую форму. Solyndra же предложила устанавливать в солнечные батареи элементы-цилиндры. Тонкий слой фотоэлемента наносится на поверхность стеклянной трубки, после чего она помещается в еще одну такую же трубку, но уже с электрическими контактами. В качестве полупроводников для элементов используют уже знакомые нам медь, галлий, селен и индий. Цилиндрические солнечные батареи за счет своей формы поглощают большее количество света, и, как следствие, имеют больший показатель производительности. Каждая панель состоит из 40 цилиндров и имеет размеры 1 на 2 метра.

Для увеличения поглощаемого света рекомендуют использовать цилиндрические батареи в сочетании с белым покрытием крыши. В таком случае, отраженные от крыши лучи будут проходить через цилиндры, чем и обеспечат еще плюс 20% поглощенной энергии. Еще одно важное достоинство батарей с элементами цилиндрической формы – это их устойчивость к сильному ветру. Они способны выдерживать порывы ветра скоростью до 200 км/ч. Это делает монтаж солнечных батарей более простым и дешевым.

Многопереходные солнечные элементы

В большинстве производимых в настоящее время солнечных элементах реализован один p-n-переход. То есть свободные электроны в таком элементе создают только те фотоны, которые обладают энергией больше или равной ширине запрещенной зоны. Чтобы преодолеть это ограничение учеными был разработан новый вид солнечных элементов, получивших название каскадные элементы. Они имеют многослойную структуру, состоящую из солнечных элементов, ширина запрещенной зоны которых различна.

Самые перспективные гибкие солнечные батареи, изготовленные с использованием каскадных элементов, имеют 3 p-n-перехода. Верхний слой формируют из сплава на основе a-Si:H, для второго используют сплав a-SiGe:H, содержащий 10-15% германия, для третьего слоя процентное содержание германия в сплаве увеличивают до 40-50%. С каждым последующим слоем ширина запрещенной зоны уменьшается, поэтому каждый следующий слой поглощает те фотоны, которые прошли через предыдущий. В таблице ниже представлены значения КПД каскадных СЭ. Стоит отметить, что столь высокие показатели КПД позволяют уменьшить стоимость получаемой солнечной энергии почти в 2 раза в сравнении с солнечными батареями на основе кристаллического кремния.

	Теоретическое значение КПД	Ожидаемое значение КПД	Реализованное значение КПД
1 p-n-переход	30	27	25,1
2 p-n-перехода	36	33	30,3
3 p-n-перехода	42	38	31,0
4 p-n-перехода	47	42	—
5 p-n-переходов	49	44	—

Самые интересные достижения в мире тонкопленочных модулей

2 года назад специалисты лаборатории МГУ разработали рулонные органические солнечные батареи на основе полимера в качестве активного слоя и гибкой органической подложки. Их КПД составлял всего 4%, зато они могли эффективно работать при температуре 80°С в течение 10 тысяч часов. На этом их деятельность не закончилась, исследования ведутся постоянно, основным направлением выбраны солнечные элементы на основе полимерных материалов.

Специалисты федеральной лаборатории технологий и материаловедения в Швейцарии создали солнечный элемент на полимерной подложке с КПД 20,4%. В качестве полупроводника использовались 4 элемента: селен, индий, галлий и медь. На сегодняшний день это рекордный показатель для СЭ, выполненных на основе перечисленных элементов. Предыдущий рекорд составлял 18,7%.

Для тонкопленочных фотоэлементов на основе индия, селена и меди, максимальное значение КПД на сегодня оставляет 19,7%. Такого показателя смогла добиться японская компания Solar Frontier. Поглощающие пленки на фотоэлементы наносили методом напыления, используя термическую обработку в парах селена.

Компания ICP Solar Technologies представила оригинальную складную солнечную батарею. Ее достаточно раскатать в солнечном месте и можно подключать устройство, которое необходимо зарядить. Мощность батареи 5 Вт при напряжении питания 12 В. Согласитесь, незаменимый вариант для всех туристов, хотя и не единственный. Разработкой подобных переносных СБ занимаются различные фирмы. Так не меньшей популярностью пользуется складная солнечная батарея Foldable Solar Chargers, максимальная мощность которой составляет 190 Вт.

Ну и самой интересной разработкой можно назвать «тканевые» солнечные панели. Японские ученые решили соединить крошечные цилиндрические солнечные элементы размером всего 1,2 мм и тканевое полотно. Такое необычное решение позволит создавать высокотехнологичные материалы для одежды и переносные тенты. Промышленное производство «солнечной» ткани намечено на март 2015 года.

Займет ли тонкопленочная технология первое место при производстве солнечных элементов, покажет будущее. Но судя по активным исследованиям, ведущимся в данной области, и по неплохим результатам, вполне возможно, что в ближайшем будущем ученые все-таки смогут создать не просто эффективные солнечные батареи, но еще и доступные при этом широким слоям населения.

Статью подготовила Абдуллина Регина

В этом ролике рассказано о солнечных модулях на базе тонкопленочной технологии, которые позволяют преобразовать в электроэнергию до 10% солнечного излучения и при этом в полтора раза повысить эффективность фотоэлементов, а расход кремния при производстве сократить в 200 раз!

altenergiya.ru

Солнечные батареи нового поколения из слоистых структур

Ученые предложили новую слоистую конструкцию солнечных батарей из сплава кадмия-теллура-селена с разной концентрацией селена и теллура в слоях. Предложенная методика должна помочь оптимизировать эти преобразователи энергии так, чтобы преодолеть существующий на сегодняшний день «барьер» в 7% КПД. Важной особенностью предложенной схемы является низкая стоимость производства.

Хотя концепция многослойных солнечных панелей, производящихся методом напыления в вакуумной камере, была предложена достаточно давно, учёные лишь недавно смогли доказать, что для их производства можно использовать простое осаждение. Развивая предложенную идею дальше, группа ученых из Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) и University of Melbourne (Австралия) разработала многослойную структуру, состоящую из кадмия, селена и теллура, в которой периодически, слой за слоем, изменяется соотношение селена и теллура в сплавах кадмия-селена-теллура.

Исследователи формировали многослойные структуры путем нанесения на прозрачную проводящую поверхность раствора, содержащего нанокристаллы селена-кадмия и селена-теллура, диаметр которых был порядка 5 нм. После этого полученная пленка подвергалась химической и термической обработке, что позволяло увеличить диаметр нанокристаллов примерно до 50 – 100 нм. Этот процесс позволял привести оптические и электронные свойства полученной структуры в лучшее соответствие с задачей преобразования солнечной энергии в электрическую.

Описанный процесс повторяется несколько раз для создания последовательности слоев нужной толщины. Создание солнечного элемента завершается нанесением тонкого слоя нанокристаллов оксида цинка, что позволяет создать «правильную» электронную структуру результирующего солнечного элемента. Металлические электроды, обеспечивающие сбор фотогенерированных электронов и дырок, в такой солнечной батарее формируются из алюминия и закрепляются во время заключительного этапа на задней стенке полученной слоистой структуры.

Ключ к эффективному преобразованию солнечной энергии, по словам ученых, заключается в использовании последовательных слоев кадмия-теллура и кадмия-селена. Было обнаружено, что такая смесь при нагревании до 350 градусов не остается сочетанием отдельных кристаллов, а превращается в сплав, свойства которого отличаются от «чистого» кадмия-теллура и кадмия-селена. Причем, изменяя соотношение селена и теллура в этих сплавах, ученые могут настраивать свойства материала для поглощения в широком диапазоне длин волн.

В частности, эксперименты показали, что включение нужных слоев в структуру позволяет расширить спектральную полосу поглощения солнечного элемента на инфракрасную область. Известно, что эта часть спектра чрезвычайно важна для солнечных батарей, т.к. в ней лежит около 40% излучения солнца.

В ближайшем будущем команда планирует исследовать свойства полученного ими сплава для повышения эффективности созданных на его основе солнечных батарей.

Источник: www.ip-sun-stream.ru

sun-shines.ru

Подложка для солнечного элемента и солнечный элемент

Согласно изобретению предложена подложка для солнечного элемента, на одном углу кремниевой подложки, имеющей квадратную форму на виде в плане, сформирован скошенный участок или сформировано углубление на углу подложки или вблизи угла. Изобретение позволяет легко контролировать положение подложки и определять направление подложки на этапе изготовления солнечного элемента, и препятствовать генерации отказов, обусловленных направлением подложки. 6 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Изобретение относится к солнечным элементам для непосредственного преобразования световой энергии в электрическую и к подложкам для солнечных элементов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] В течение десятилетий предпринимаются попытки решить проблемы, связанные со сбережением ресурсов и загрязнением окружающей среды в глобальном масштабе. Помимо ядерной энергетики, были проведены исследования по развитию технологий эффективного использования энергии ветра, приливов и солнечного света, для замены энергии, получаемой из ископаемого топлива, некоторые из которых нашли коммерческое применение.

Помимо прочего, внимание уделяется солнечным элементам как основной технологии для использования чистой энергии солнечного света. Благодаря своим перспективам недорогой, простой и компактной генерации энергии, солнечная технология генерации энергии получила коммерческое применение в домах и зданиях для обеспечения частичной замены энергопотребления в них.

[0003] В рамках основного направления развития системы солнечных элементов для жилых домов, множество панелевидных модулей солнечных элементов соединяются последовательно или параллельно, размещаются рядами и устанавливаются на крыше, что позволяет вырабатывать нужную энергию. Солнечные элементы, используемые в панелевидных модулях солнечных элементов, имеют квадратную или псевдоквадратную форму со срезанными углами, чтобы соответствовать форме панели солнечных элементов.

[0004] Солнечный элемент представляет собой полупроводниковое устройство для преобразования световой энергии в электрическую и включает в себя тип p-n-перехода, тип p-i-n и тип Шотки, причем тип p-n-перехода распространен наиболее широко. При классификации на основании материала подложки, солнечные элементы, в общем случае, подразделяются на три категории: солнечные элементы на основе кристаллического кремния, солнечные элементы на основе аморфного кремния и солнечные элементы на основе композиционного полупроводника. Солнечные элементы на основе кристаллического кремния подразделяются на монокристаллические и поликристаллические солнечные элементы. Солнечные элементы на основе кристаллического кремния получили наиболее широко распространение ввиду того, что кристаллические подложки для солнечных элементов сравнительно просты в изготовлении.

[0005] В солнечных элементах на основе кристаллического кремния общего вида, p-n-переход необходимо формировать для разделения носителей, создаваемых облучением солнечным светом. В одном примере, где используется подложка из кремния p-типа, слой кремния n-типа формируется на светоприемной поверхности путем диффундирования элемента V группы, например фосфора. В другом примере, где используется подложка из кремния n-типа, слой кремния p-типа формируется на светоприемной поверхности путем диффундирования элемента III группы, например, бора.

Кремниевый солнечный элемент изготавливается из кремниевой подложки p-типа, например, посредством термодиффузии легирующей примеси, такой как фосфор, при температуре от около 800 до около 950°C для формирования диффузионных слоев на обеих полных поверхностях подложки. При желании, ненужный участок диффузионного слоя удаляется, и оставшийся слой служит диффузионным слоем в солнечном элементе.

[0006] Затем на диффузионном слое формируется противоотражательное покрытие, например, пленка нитрида кремния. Серебряная паста, образующая рисунок в виде сетки на светоприемной поверхности, и алюминиевая паста на, по существу, всей задней поверхности наносятся методом печати и обжига для формирования электродов, в результате чего получается кристаллический кремниевый солнечный элемент.

[0007] С точки зрения повышения эффективности фотогальванического преобразования солнечного элемента, предпочтительно использовать более тонкий диффузионный слой. Однако слишком малая толщина повышает вероятность разрушения слоя n-типа электродом, известного как смыкание, что препятствует токосъему на электроде вследствие увеличенного сопротивления. Поэтому используется структура, известная как "селективный эмиттер", в которой диффузионный слой тонок в области светоприемной поверхности в виде слоя высокого сопротивления (с диффузией низкой концентрации) и толст в области электрода в виде слоя низкого сопротивления (с диффузией высокой концентрации).

[0008] Селективный эмиттер можно получить, покрывая поверхность подложки антидиффузионным покрытием, например, SiO2, удаляя линии антидиффузионного покрытия, чтобы открыть окна для диффузии, и осуществляя избирательную диффузию легирующей примеси в область окна для формирования диффузионного слоя высокой концентрации.

[0009] После формирования диффузионного слоя высокой концентрации, антидиффузионное покрытие удаляется, и легирующая примесь диффундирует во всю поверхность, включая диффузионный слой высокой концентрации, так, что область, окружающая диффузионный слой высокой концентрации, может стать диффузионным слоем низкой концентрации, имеющим более низкую концентрацию легирующей примеси, чем диффузионный слой высокой концентрации.

[0010] Затем на поверхности формируется противоотражательное покрытие (ARC). ARC может представлять собой пленку нитрида кремния, оксида титана или оксида алюминия. Такая пленка может формироваться, например, методом CVD.

Пленки оксида кремния, нитрида кремния, оксида титана и оксида алюминия, используемые в качестве ARC, служат для ограничения распространения дефектов на поверхности кремниевой пластины и улучшения свойств, в особенности, тока короткого замыкания солнечных элементов.

После формирования ARC, электродные пальцы формируются методом печати. Положение электродных пальцев определяется путем согласования подложки на месте с использованием двух ее сторон в качестве опорных положений, и совмещения пальцев с диффузионным слоем высокой концентрации.

[0011] После диффузионной обработки, диффузионный слой низкой концентрации и диффузионный слой высокой концентрации невозможно отличить друг от друга путем визуального наблюдения. Их можно различить путем электрического оценивания, например, измерения распределенного сопротивления, которое является деструктивным тестом, занимающим много времени.

[0012] Поскольку процесс изготовления солнечного элемента содержит много этапов, как упомянуто выше, возникает проблема в том, что, если на определенном этапе подложка поворачивается, то ориентацию подложки больше не удастся идентифицировать. Во избежание такого неудобства, подложку можно снабдить меткой посредством лазерной маркировки, но метка становится трудноразличимой после формирования на ней ARC. Дополнительная проблема лазерной маркировки состоит в том, что подложка солнечного элемента при этом искривляется, и это приводит к ухудшению свойств соответствующего участка.

Ссылки на уровень техники, относящиеся к настоящему изобретению, включают в себя следующие документы.

Перечень ссылок

Патентный документ

[0013] Патентный документ 1: JP-A 2004-064028.

Патентный документ 2: JP-A 2005-123447.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая проблема

[0014] Задачей изобретения, которое сделано ввиду вышеописанных обстоятельств, является обеспечение подложки, в которой направление подложки легко идентифицировать, и направление подложки можно легко поддерживать согласованным в ходе процесса изготовления солнечного элемента, чтобы можно было изготавливать солнечный элемент с постоянными свойствами.

Решение проблемы

[0015] Соответственно, настоящее изобретение предусматривает подложку для формирования солнечного элемента и солнечный элемент, определенные ниже.

[1] Кремниевая подложка для формирования солнечного элемента квадратной формы с углами при наблюдении на виде в плане, которая снабжена фаской на одном углу или углублением на одном углу или вблизи него.

[2] Кремниевая подложка формирования солнечного элемента квадратной формы при наблюдении на виде в плане, имеющая первый угол и второй угол, не диагонально противоположный первому углу, которая снабжена фаской на первом углу или углублением на первом углу или вблизи него и углублением на втором углу или вблизи него или фаской на втором углу, причем углубление или фаска на втором углу выбирается отличной от фаски или углубления на первом углу.

[3] Монокристаллическая кремниевая подложка для формирования солнечного элемента квадратной формы со скругленными углами при наблюдении на виде в плане, которая снабжена ориентационной плоской площадкой на одном углу или углублением на одном углу или вблизи него.

[4] Монокристаллическая кремниевая подложка для формирования солнечного элемента квадратной формы со скругленными углами, при наблюдении на виде в плане, имеющая поверхность в плоскости (100), причем подложка снабжена ориентационной плоской площадкой или углублением в ориентации кристалла <110>, проходящей, по существу, через центр подложки.

[5] Монокристаллическая кремниевая подложка для формирования солнечного элемента квадратной формы со скругленными углами при наблюдении на виде в плане, которая снабжена ориентационной плоской площадкой на одном углу и углублением на другом углу или вблизи него, не диагонально противоположном одному углу.

[6] Солнечный элемент, содержащий подложку по любому из пп.[1]-[5], в котором диффузионный слой низкой концентрации сформирован на светоприемной поверхности подложки, и диффузионный слой высокой концентрации сформирован там, где нужно сформировать пальцевый электрод.

Используемый здесь термин "на углу или вблизи него" означает не только прямой угол квадрата или точку в центре скругленного угла, но и окружающий участок, и охватывает закругленный участок.

Преимущества изобретения

[0016] Поскольку положение подложки легко определить согласно изобретению, направление подложки можно легко идентифицировать в процессе изготовления солнечного элемента, препятствуя формированию отказов, связанных с направлением подложки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0017] Фиг.1 иллюстрирует один пример подложки для формирования солнечного элемента согласно изобретению, причем на фиг.1A показан вид в плане цилиндрического монокристаллического слитка, снабженного ориентационной плоской площадкой, и на фиг.1B показан вид в плане подложки, которой придана псевдоквадратная форма при наблюдении на виде в плане, путем отсечения периферийных участков.

Фиг.2 иллюстрирует другой пример подложки для формирования солнечного элемента согласно изобретению, причем на фиг.2A показан вид в плане поликристаллического кремния, приготовленного методом литья, и на фиг.2B показан вид в плане подложки, снабженной фаской и углублением по углам.

Фиг.3 иллюстрирует последовательные этапы процесса изготовления солнечного элемента.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0018] Поскольку форма солнечного элемента должна согласовываться с формой панели солнечных элементов, его подложке придается квадратная или псевдоквадратная форма, при наблюдении на виде в плане, причем под псевдоквадратной формой подразумевается квадратная форма со скругленными углами (см. фиг.1B). Подложке придается псевдоквадратная форма для сокращения потерь монокристаллического материала за счет отсечения при получении монокристаллической подложки из цилиндрического монокристалла. В случае поликристаллической подложки используется подложка квадратной формы (см. фиг.2A), поскольку форма может изменяться при формовании.

Согласно изобретению, подложка снабжена плоской фаской на первом углу или углублением на первом углу или вблизи него. В этом случае первый угол отличается формой от других углов, что позволяет определить направление подложки.

В случае квадратной подложки, механически обработанный участок предпочтительно имеет внешний размер до 5 мм для минимизации потери материала, связанной с формированием фаски или углубления путем механической обработки.

В случае псевдоквадратной подложки, например, псевдоквадратную подложку 156×156 мм можно получить из цилиндрического монокристаллического слитка диаметром 200 мм, причем каждый угол является дугой радиусом 100 мм. Один дугообразный участок снабжен ориентационной плоской площадкой, представляющей направление раскалывания (плоской фаской, указывающей кристаллографическое направление, в дальнейшем обозначаемой OF) или углублением.

Что касается количества OF или углублений, полученных механической обработкой, достаточно лишь одного, чтобы идентифицировать направление подложки. Если OF и углубление используются совместно и располагаются асимметрично относительно диагонали подложки, то переднюю и заднюю поверхности можно отличить друг от друга.

[0019] Первый вариант осуществления

Согласно фиг.1 и 3, описан процесс изготовления солнечного элемента с использованием монокристаллической кремниевой подложки, полученной методом Чохраслького.

Кристаллические кремниевые подложки для использования в монокристаллических солнечных элементах, в общем случае, получают методом плавающей зоны (FZ) и методом Чохральского (CZ), причем метод CZ предпочтителен.

[0020] Сначала кварцевый тигель наполняется высокочистым поликристаллическим кремнием. Затем, для создания монокристалла, обладающего желаемыми типом проводимости и удельным сопротивлением, кремний легируется элементом III группы, например, бором или галлием, для создания p-типа или элементом V группы, например, фосфором или мышьяком, для создания n-типа. Для создания высокоэффективных солнечных элементов пригодно удельное сопротивление от 0,1 Ом∙см до 10 Ом∙см, желательно от 0,5 Ом∙см до 2 Ом∙см.

Затравочный кристалл, имеющий ориентацию плоскости в <100> направлении, погружается в расплав и вытягивается, совершая вращение, в результате чего получается цилиндрический монокристаллический слиток, имеющий ориентацию плоскости <100>. Монокристаллический слиток перерабатывается в цилиндрический блок путем отсечения противоположных концов слитка и шлифования внешней боковой поверхности.

[0021] Монокристаллический слиток, имеющий ориентацию плоскости <100>, измеряется на предмет ориентации кристалла путем рентгеновского измерения ориентации. Он подвергается механической обработке для формирования OF или углубления в направлении <110>, проходящем через центр монокристалла и соответствующем направлению раскалывания (см. фиг.1A).

Затем, для преобразования цилиндра в приблизительно квадрат, цилиндрическому слитку придается квадратная или псевдоквадратная форма путем отсечения периферийных участков (см. фиг.1B). Это отсечение осуществляется после поворота на 45 градусов относительно направления <110>, соответствующего направлению спайности, чтобы оставить OF или углубление. В случае квадратной подложки, желательно, чтобы механически обработанный участок имел внешний размер до 5 мм для минимизации потери материала, связанной с механической обработкой для формирования OF или углубления. Как используется в данном описании, внешний размер означает длину хорды скоса в случае OF или длину большой стороны углубления в случае углубления.

Что касается количества OF или углублений, полученных механической обработкой, достаточно лишь одного, чтобы идентифицировать направление подложки. Если OF и углубление используются совместно (скомбинировано, по меньшей мере, два признака) и располагаются асимметрично относительно диагонали подложки, то достигается преимущество в том, что переднюю и заднюю поверхности можно отличить друг от друга.

[0022] Будучи связан посредством углерода, стекла и т.п., столбчатый блок псевдоквадратной формы нарезается на подложки заранее определенной толщины. Что касается толщины подложки, хотя толщина порядка 50 мкм позволяет улавливать падающий свет в солнечном элементе и имеет преимущество в экономическом отношении, для обеспечения механической прочности желательна толщина от 150 до 300 мкм.

Прежде чем вырезанный блок будет нарезан на подложки для формирования солнечного элемента, способ резания в направлении раскалывания создает проблемы растрескивания и скалывания. Проблем растрескивания и скалывания при резании можно избежать, осуществляя поворот на 45 градусов относительно направления раскалывания и проводя резание таким образом, чтобы OF или углубление располагалось на углу или вблизи него псевдоквадратной формы.

[0023] Нарезанная подложка 1 (фиг.3A) переносится на носитель для очистки, где она очищается. Когда подложка площадью 156 кв. мм изготавливается из монокристаллического слитка диаметром 200 мм, диаметр имеет отклонение примерно от 0,5 до 0,7 мм в зависимости от того, обеспечена ли OF, и направление подложки можно выравнивать путем визуального наблюдения. Альтернативно, камера на ПЗС используется для определения формы подложки, подложка загружается на носитель после изменения ее направления, благодаря чему направление OF или углубления остается неизменным. Это позволяет избегать любых отказов, возникающих вследствие различия в направлении подложки в ходе процесса.

[0024] Очищенная подложка подвергается термическому оксидированию в атмосфере кислорода в горячей печи при температуре от 800 до 1000°C, с образованием тонкой пленки 2 оксида кремния толщиной примерно от 3 до 30 нм на светоприемной поверхности подложки (фиг.3B).

[0025] Затем фоторезистный материал наносится методом центрифугирования на светоприемную поверхность подложки и отжигается при температуре от 70 до 100°C в течение примерно 20-80 минут. Резист облучается светом через стеклянную маску, рисунок которой идентичен рисунку электрода светоприемной поверхности, и проявляется. Используемый при этом фоторезистный материал может быть позитивным или негативным. Шаблонированная таким образом подложка погружается в водный раствор фтористоводородной кислоты с концентрацией примерно от 1 до 50% по весу или смешанный водный раствор фтористоводородной кислоты и фторида аммония, в результате чего, в случае позитивного фоторезистного материала, пленка 2 оксида кремния удаляется только там, где удалена пленка фоторезиста. Таким образом, участок пленки оксида кремния, имеющий такой же рисунок, как электрод светоприемной поверхности, исчезает, образуя диффузионный канал 3. После этого, пленка резиста полностью удаляется путем погружения в ацетон, кипячения в серной кислоте и т.п. (фиг.3C).

[0026] В качестве первой диффузионной обработки на светоприемной поверхности подложки, газообразный N2, содержащий POCl3, подается в горячую печь при температуре от 900 до 950°C, для осуществления диффузионной обработки 4 фосфором. Элемент V группы используется в качестве легирующей примеси (фиг.3D). При этом фосфор может избирательно диффундировать, поскольку оксидная пленка, оставшаяся на поверхности, служит маской от диффузии фосфора. При обработке подложки, OF и углубление на подложке позволяет идентифицировать направление подложки и отличать друг от друга переднюю и заднюю поверхности.

Заметим, что вышеописанный этап также можно осуществлять путем покрытия/диффузии или ионной имплантации.

[0027] В конце первой диффузионной обработки осуществляется травление водным раствором фтористоводородной кислоты с концентрацией примерно от 1 до 50% по весу для удаления поверхностных оксидных пленок (фиг.3E). Когда подложка переносится из кварцевой оправки для термической обработки на носитель для очистки, OF и углубление на подложке позволяет идентифицировать направление подложки и отличать друг от друга переднюю и заднюю поверхности.

[0028] После удаления оксидных пленок, в качестве второй диффузионной термической обработки, газообразный N2, содержащий POCl3, подается в горячую печь при температуре от 800 до 850°C, для осуществления диффузионной обработки 5 фосфором, элемент V группы используется в качестве легирующей примеси с низкой концентрацией по всей поверхности (фиг.3F). Диффузионный слой 5 низкой концентрации формируется так, чтобы его поверхностное сопротивление составляло от 50 Ом/□ до 300 Ом/□, обычно 100 Ом /□. Благодаря этой второй диффузионной термической обработке, легирующая примесь дополнительно диффундирует в диффузионный слой 4 высокой концентрации, ранее сформированный первой диффузионной термической обработкой, который становится диффузионным слоем 4 высокой концентрации, имеющим поверхностное сопротивление от 1 Ом/□ до 50 Ом/□, обычно 10 Ом/□. Подобно первой диффузионной обработке, этот этап также можно осуществлять путем покрытия/диффузии или ионной имплантации. Когда подложка переносится с носителя для очистки в кварцевую оправку для термической обработки, OF и углубление на подложке позволяет идентифицировать направление подложки и отличать друг от друга переднюю и заднюю поверхности.

[0029] В конце второй диффузионной обработки пленка нитрида кремния осаждается на поверхности подложки посредством плазмостимулированного CVD в качестве противоотражательной пленки 6, которая служит для противодействия отражению солнечного света и для защиты поверхности (фиг.3G).

[0030] На задней поверхности подложки, где сформирована пленка нитрида кремния, задний поверхностный электрод 7 формируется путем вакуумного осаждения или напыления алюминия и т.п. Задний поверхностный электрод 7 формируется, например, толщиной от 1 мкм до 10 мкм, обычно 5 мкм (фиг.3H).

[0031] Наконец, электродная паста наносится методом печати на переднюю поверхность и обжигается при температуре от 500 до 800°C для формирования электрода 8 (фиг.3I). При этом пальцевый электрод формируется таким образом, чтобы он перекрывал диффузионный слой высокой концентрации. Хотя процесс, предусматривающий большое количество этапов переноса, приводит к проблеме, состоящей в невозможности отличить диффузионный слой 4 высокой концентрации от диффузионного слоя 5 низкой концентрации путем визуального наблюдения и идентифицировать направление подложки, обеспечение OF и углубления согласно изобретению позволяет согласованно устанавливать направление подложки и, таким образом, позволяет изготавливать солнечные элементы с высокой производительностью.

[0032] Второй вариант осуществления

Согласно фиг.2 и 3, описан процесс изготовления солнечного элемента с использованием поликристаллической кремниевой подложки, полученной методом литья.

Кристаллические кремниевые подложки для использования в поликристаллических солнечных элементах в общем случае, изготавливаются методом литья. Сначала, микрогранулированный кремний металлургической чистоты закладывается совместно с легирующей примесью в тигель из высокочистого кварца (покрытый материалом для смазки форм) в плавильной печи. Поскольку легирующая примесь выбирается для создания поликристаллического кремния желаемых типа проводимости и удельного сопротивления, кремний можно легировать элементом III группы, например, бором или галлием, для создания p-типа или элементом V группы, например, фосфором или мышьяком, для создания n-типа. Для создания высокоэффективных солнечных элементов пригодно удельное сопротивление от 0,1 Ом∙см до 10 Ом∙см, желательно, от 0,5 Ом∙см до 2 Ом∙см. Нагреватель применяется для нагрева тигля до температуры около 1500°C для плавления кремний металлургической чистоты.

[0033] Затем, нагревателем управляют таким образом, чтобы температура нижней части могла быть низкой. Расплавленный кремний металлургической чистоты отвердевает снизу, в результате чего, получается отливка из поликристаллического кремния. Тигель изымают из плавильной печи, и затвердевшую отливку из поликристаллического кремния вынимают из тигля. Боковые, нижний и верхний участки поверхности этой отливки из поликристаллического кремния отсекаются, поскольку, эти участки богаты загрязнениями. В случае кубической отливки из поликристаллического кремния со стороной 200 мм, например, отсекаются боковой участок 25 мм, нижний участок 20 мм и верхний участок 30 мм. Верхний участок отсекается в сравнительно большой степени, поскольку загрязнения концентрируются в верхней части вследствие сегрегации в ходе отвердевания отливки снизу.

[0034] После отсечения боковых, нижнего и верхнего участков поверхности, отливка из поликристаллического кремния (см. фиг.2A) снабжается плоской фаской на углу или вблизи него или углублением на углу или вблизи него путем механической обработки (см. фиг.2B). При этом желательно, чтобы механически обработанный участок имел внешний размер до 5 мм для минимизации потери материала, связанной с формированием фаски или углубления путем механической обработки.

Что касается количества фасок или углублений, выполненных путем механической обработки, для идентификации направления подложки достаточно только одного. В случае совместного использования фаски и углубления (скомбинировано, по меньшей мере, два признака), которые располагаются асимметрично относительно диагонали псевдоквадратной формы, достигается преимущество, состоящее в том, что переднюю и заднюю поверхности можно отличить друг от друга.

[0035] Будучи связан посредством углерода, стекла и т.п., столбчатый блок квадратной формы нарезается на подложки заранее определенной толщины. Что касается толщины подложки, хотя толщина порядка 50 мкм позволяет улавливать падающий свет в солнечном элементе и имеет преимущество в экономическом отношении, для обеспечения механической прочности желательна толщина от 150 до 300 мкм.

[0036] Нарезанная подложка 1 (фиг.3A) переносится на носитель для очистки, где она очищается. При этом, если фаска или углубление, предусмотренная согласно изобретению, подтверждается путем визуального наблюдения, то направление подложки можно выравнивать. Альтернативно, камера на ПЗС используется для определения формы подложки, подложка загружается на носитель после изменения ее направления, благодаря чему, направление фаски и углубления остается неизменным. Это позволяет избегать любых отказов, возникающих вследствие различия в направлении подложки в ходе процесса.

[0037] Очищенная подложка подвергается термическому оксидированию в атмосфере кислорода в горячей печи при температуре от 800 до 1000°C, с образованием тонкой пленки 2 оксида кремния толщиной примерно от 3 до 30 нм на светоприемной поверхности подложки (фиг.3B).

[0038] Затем фоторезистный материал наносится методом центрифугирования на светоприемную поверхность подложки и отжигается при температуре от 70 до 100°C в течение примерно 20-80 минут. Резист облучается светом через стеклянную маску, рисунок которой идентичен рисунку электрода светоприемной поверхности, и проявляется. Используемый при этом фоторезистный материал может быть позитивным или негативным. Шаблонированная таким образом подложка погружается в водный раствор фтористоводородной кислоты с концентрацией примерно от 1 до 50% по весу или смешанный водный раствор фтористоводородной кислоты и фторида аммония, в результате чего, в случае позитивного фоторезистного материала, пленка 2 оксида кремния удаляется только когда удалена пленка фоторезиста. Таким образом, участок пленки оксида кремния, имеющий такой же рисунок, как электрод светоприемной поверхности, исчезает, образуя диффузионный канал 3 (см. [0025]). После этого, пленка резиста полностью удаляется путем погружения в ацетон, кипячения в серной кислоте и т.п. (фиг.3C).

[0039] В качестве первой диффузионной обработки на светоприемной поверхности подложки, газообразный N2, содержащий POCl3, подается в горячую печь при температуре от 900 до 950°C, для осуществления диффузионной обработки 4 фосфором. Элемент V группы используется в качестве легирующей примеси (фиг.3D). При этом фосфор может избирательно диффундировать, поскольку оксидная пленка, оставшаяся на поверхности, служит маской от диффузии фосфора. При обработке подложки, фаска и углубление на подложке позволяет идентифицировать направление подложки и отличать друг от друга переднюю и заднюю поверхности.

Заметим, что вышеописанный этап также можно осуществлять путем покрытия/диффузии или ионной имплантации.

[0040] В конце первой диффузионной обработки осуществляется травление водным раствором фтористоводородной кислоты с концентрацией примерно от 1 до 50% по весу для удаления поверхностных оксидных пленок (фиг.3E). Когда подложка переносится из кварцевой оправки для термической обработки на носитель для очистки, фаска и углубление на подложке позволяет идентифицировать направление подложки и отличать друг от друга переднюю и заднюю поверхности.

[0041] После удаления оксидных пленок, в качестве второй диффузионной термической обработки, газообразный N2, содержащий POCl3, подается в горячую печь при температуре от 800 до 850°C, для осуществления диффузионной обработки 5 фосфором, элемент V группы используется в качестве легирующей примеси с низкой концентрацией по всей поверхности (фиг.3F). Диффузионный слой 5 низкой концентрации формируется так, чтобы его поверхностное сопротивление составляло от 50 Ом/□ до 300 Ом/□, обычно 100 Ом/□. Благодаря этой второй диффузионной термической обработке, легирующая примесь дополнительно диффундирует в диффузионный слой 4 высокой концентрации, ранее сформированный первой диффузионной термической обработкой, который становится диффузионным слоем 4 высокой концентрации, имеющим поверхностное сопротивление от 1 Ом/□ до 50 Ом/□, обычно 10 Ом/□. Подобно первой диффузионной обработке, этот этап также можно осуществлять путем покрытия/диффузия или ионной имплантации. Когда подложка переносится с очищающего носителя в кварцевую оправку для термической обработки, фаска и углубление на подложке позволяет идентифицировать направление подложки и отличать друг от друга переднюю и заднюю поверхности.

[0042] В конце второй диффузионной обработки, пленка нитрида кремния осаждается на поверхности подложки посредством плазмостимулированного CVD в качестве противоотражательной пленки 6, которая служит для противодействия отражению солнечного света и для защиты поверхности (фиг.3G).

[0043] На задней поверхности подложки, где сформирована пленка нитрида кремния, задний поверхностный электрод 7 формируется путем вакуумного осаждения или напыления алюминия и т.п. Задний поверхностный электрод 7 формируется, например, толщиной от 1 мкм до 10 мкм, обычно 5 мкм (фиг.3H).

[0044] Наконец, электродная паста наносится методом печати на переднюю поверхность и обжигается при температуре от 500 до 800°C для формирования электрода 8 (фиг.3I). При этом пальцевый электрод формируется таким образом, чтобы он перекрывал диффузионный слой высокой концентрации (см. [0031]). Хотя процесс, предусматривающий большое количество этапов переноса, приводит к проблеме, состоящей в невозможности отличить диффузионный слой 4 высокой концентрации от диффузионного слоя 5 низкой концентрации путем визуального наблюдения и идентифицировать направление подложки, обеспечение фаски и углубления согласно изобретению позволяет согласованно устанавливать направление подложки и, таким образом, позволяет изготавливать солнечные элементы с высокой производительностью.

ПРИМЕРЫ

[0045] Ниже приведены примеры изобретения.

Сначала монокристаллический кремний p-типа, легированный бором, имеющий ориентацию кристалла <100> и диаметр 200 мм приготовили методом CZ. Монокристалл цилиндрически отполировали и измерили на предмет ориентации кристалла путем рентгеновского измерения ориентации. OF сформировали путем механической обработки в ориентации кристалла <110>, и углубление сформировали путем механической обработки в положении, проходящем через центр подложки и повернутом на 90 градусов относительно положения OF (фиг.1).

[0046] Путем отсечения периферийных участков, цилиндрический слиток переработали в блок псевдоквадратной формы. Это отсечение осуществляли, наклоняя слиток под 45 градусов таким образом, чтобы OF, сформированная путем механической обработки в направлении <110>, т.е. в направлении раскалывания, могла располагаться на углу или вблизи него, и отсекая четыре стороны дисковой пилой с внешней режущей кромкой.

[0047] Будучи связан посредством углерода, столбчатый блок псевдоквадратной формы нарезали проволочной пилой на подложки толщиной 300 мкм. Нарезанная таким образом монокристаллическая подложка имела форму с OF и углублением по углам, как показано на фиг.1B. После механической обработки единого монокристаллического слитка с OF и углублением, переднюю и заднюю поверхности подложки можно было отличать друг от друга в ходе обработки подложки.

[0048] На поверхности подложки пленку оксида кремния, служащую антидиффузионным слоем, сформировали путем термического оксидирования подложки в атмосфере кислорода в горячей печи при температуре 1000°C. Толщина пленки составляла 30 нм (фиг.3B).

Затем позитивный фоторезистный материал нанесли методом центрифугирования на поверхность подложки и отожгли при температуре 70°C в течение 20 минут. Резист облучили светом через стеклянную маску, рисунок которой идентичен рисунку электрода светоприемной поверхности, и проявили. Шаблонированную таким образом пластину погрузили в водный раствор фтористоводородной кислоты с концентрацией 5% по весу, таким образом, удалив пленку оксида кремния только там, где была удалена пленка фоторезиста. Таким образом, участок оксидной пленки, имеющий такой же рисунок, как электрод светоприемной поверхности был ликвидирован. После этого, резист удалили путем погружения в ацетон (фиг.3C).

[0049] В качестве первой диффузионной обработки, газообразный N2, содержащий POCl3 подавали в горячую печь при температуре 950°C для осуществления диффузионной обработки фосфором. Элемент V группы использовали в качестве легирующей примеси (фиг.3D). При этом, фосфор избирательно диффундировал, поскольку оксидная пленка, оставшаяся на поверхности, служила маской против диффузии фосфора.

[0050] В конце первой диффузионной обработки, произвели травление водным раствором фтористоводородной кислоты для удаления поверхностных оксидных пленок (фиг.3E).

[0051] После удаления оксидных пленок, газообразный N2, содержащий POCl3, подавали в горячую печь при температуре 800°C для формирования диффузионного слоя n-типа низкой концентрации (фиг.3F). Участок, куда избирательно диффундировал фосфор, стал диффузионным слоем высокой концентрации.

[0052] Нитрид кремния осадили на поверхность подложки посредством плазмостимулированного CVD с образованием противоотражательной пленки, которая служила для противодействия отражению солнечного света и для защиты поверхности (фиг.3G).

[0053] На задней поверхности, задний поверхностный электрод толщиной 5 мкм сформировали вакуумным осаждением алюминия (фиг.3H).

[0054] Наконец, электродную пасту нанесли методом печати на переднюю поверхность и подвергли обжигу для формирования электрода (фиг.3I). Благодаря форме подложки для формирования солнечного элемента согласно изобретению, направление подложки можно идентифицировать на основании внешнего вида на этапах переноса и совмещения. Направление подложки можно устанавливать согласованно, что позволяет изготавливать солнечные элементы с высокой производительностью.

Перечень ссылочных позиций

[0055]

1: подложка

2: пленка оксида кремния

3: диффузионный канал

4: диффузионный слой высокой концентрации

5: диффузионный слой низкой концентрации

6: противоотражательная пленка

7: задний поверхностный электрод

8: передний поверхностный электрод

1. Кремниевая подложка для формирования солнечного элемента квадратной формы с углами при наблюдении на виде в плане, которая снабжена фаской на одном углу или углублением на одном углу или вблизи него.

2. Кремниевая подложка для формирования солнечного элемента квадратной формы при наблюдении на виде в плане, имеющая первый угол и второй угол, не диагонально противоположный первому углу, которая снабжена фаской на первом углу или углублением на первом углу или вблизи него и углублением на втором углу или вблизи него или фаской на втором углу, причем углубление или фаска на втором углу выбирается отличной от фаски или углубления на первом углу.

3. Монокристаллическая кремниевая подложка для формирования солнечного элемента квадратной формы со скругленными углами при наблюдении на виде в плане, которая снабжена ориентационной плоской площадкой на одном углу или углублением на одном углу или вблизи него.

4. Монокристаллическая кремниевая подложка для формирования солнечного элемента квадратной формы со скругленными углами при наблюдении на виде в плане, имеющая поверхность в плоскости (100), причем подложка снабжена ориентационной плоской площадкой или углублением в ориентации кристалла <110>, проходящей, по существу, через центр подложки.

5. Монокристаллическая кремниевая подложка для формирования солнечного элемента квадратной формы со скругленными углами при наблюдении на виде в плане, которая снабжена ориентационной плоской площадкой на одном углу и углублением на другом углу или вблизи него, не диагонально противоположном одному углу.

6. Солнечный элемент, содержащий подложку по любому из пп.1-5, в котором диффузионный слой низкой концентрации сформирован на светоприемной поверхности подложки, и диффузионный слой высокой концентрации сформирован там, где нужно сформировать пальцевый электрод.

www.findpatent.ru

---

• 
  35 м с
• 
  Геннадий никитин
• 
  Немеханизированный ручной пожарный инструмент
• 
  Плавучий завод
• 
  Пкф электрощит
• 
  Можно ли оставлять зарядку от телефона в розетке
• 
  В какой период года проводят плановый контрольный осмотр кабельных опор
• 
  Опоры воздушных линий
• 
  Оперативный журнал образец заполнения
• 
  Кому принадлежит контрольный пакет акций роснефть
• 
  Вельские электросети