Тонкопленочные солнечные элементы

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

В. П. АФАНАСЬЕВ Е. И. ТЕРУКОВ А. А. ШЕРЧЕНКОВ

ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ

СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ

2-е издание

Cанкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2011

УДК 621.383.51

ББК З 325.8 A94

Афанасьев В. П., Теруков Е. И., Шерченков А. А.

А94 Тонкопленочные солнечные элементы на основе кремния. 2-е изд. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. 168 с.

ISBN 978-5-7629-1106-1

Проведена систематизация имеющейся на сегодняшний день инфор-

мации в области тонкопленочной технологии солнечных элементов на основе кремния, проанализированы имеющиеся проблемы и рассмотрены перспективные пути их решения.

Рассматриваются основные вопросы физики и технологии полупровод-

никовых фотопреобразователей энергии, принципы работы солнечных элементов, приводятся их различные конструкции. Особое место в монографии занимает раздел, посвященный свойствам и технологии тонких пленок аморфного гидрогенизированного кремния, способам улучшения их фотоэлектри-

ческих характеристик. Проведен анализ факторов, влияющих на эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую.

Предназначено для научных работников, аспирантов и студентов, специализирующихся в области солнечной гетероструктурной фотоэнергетики.

УДК 621.383.51

ББК З 325.8

Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. В. И. Иванов-Омский.

2

ВВЕДЕНИЕ

В начале XXI века человечество столкнулось с необходимостью решения долгосрочных энергетических проблем, связанных с близкой перспек-

тивой исчерпания традиционных источников энергии и ухудшением экологического состояния Земли. В промышленно развитых странах уделяется большое внимание разработке систем на основе возобновляемых источников энергии, в том числе энергии Солнца.

Солнце обеспечивает Землю огромным количеством энергии, которое многократно превышает потребности человечества. Использование этого источника затруднено, потому что солнечное излучение на Земле — это сильно рассеянный небольшой поток энергии. Для массового применения солнечного излучения необходимо обеспечить очень эффективное его использование и значительно улучшить экономические характеристики солнечных элементов. Перспективным подходом в направлении решения про-

блемы изготовления дешевых преобразователей солнечной энергии является разработка технологии тонкопленочных солнечных элементов на основе аморфного гидрогенизированного и микрокристаллического кремния.

В России в последнее время уделяется большое внимание развитию сол-

нечной энергетики. Свидетельством этому является крупнейший проект строительства завода по производству тонкопленочных солнечных модулей в г. Новочебоксарске. Объем финансирования его составляет более 20,1 млрд. рублей. Пуск завода в эксплуатацию запланирован на декабрь 2011 г. Про-

ект должен стать качественным прорывом в российской солнечной энергетике. При этом предполагается развитие в России современного производства солнечных модулей с применением тонкопленочных технологий, разработанных швейцарской компанией «Oerlikon Solar». В настоящее время для кадро-

вого обеспечения проекта разрабатывается совместная с РОСНАНО программа обучения на базе СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина),

ФТИ им. Иоффе и «Oerlikon Solar».

Изложенный в монографии материал позволит специалистам сформи-

ровать научно обоснованный подход к совершенствованию технологии материалов и конструированию новых эффективных фотоэлектрических пре-

образователей энергии.

3

1. ПЕРСПЕКТИВЫ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Характерной особенностью технической деятельности человечества во второй половине ХХ и в начале XXI веков является быстрый рост энергопо-

требления. По оценкам [1], [2] потребности человечества в энергии по сравнению с существующим уровнем потребления (~ 13 ТВт) к середине XXI в.

более чем удвоятся (~ 30 ТВт), а к концу XXI в. — более чем утроятся (~ 46 ТВт). Это связано, во-первых, с ростом мировой экономики в целом

(до 4 раз к 2050 г.), и резким экономическим ростом развивающихся стран, таких как Китай и Индия, население которых составляет 2/3 от численности на-

селения планеты [3]. Во-вторых, связано с заметным ростом населения планеты. К 2050 г. численность населения Земли достигнет 10–11 млрд. человек.

Увеличение производства энергии до сих пор происходило в основном за счет использования ископаемых источников энергии — нефти, природного газа, угля, ядерного топлива. Однако удовлетворить дальнейший рост энергопо-

требления только за счетиспользования ископаемыхисточниковневозможно. В то же время происходит исчерпаемость традиционных источников энергии. Геофизик Кинг Хуберт одним из первых построил модель истощения мировых запасов нефти и на ее основе предсказал пик добычи нефти в США (примерно на 1970 г.). Предсказал он и пик мировой добычи нефти (примерно на 1995 г.), однако этот прогноз не сбылся. Тем не менее, боль-

шинство экспертов уверены, что это лишь вопрос времени, и увеличение глобальных потребностей в энергии исчерпает традиционные энергетиче-

ские ресурсы к середине этого столетия. Технический прогресс, освоение новых труднодоступных месторождений (глубоководных и полярных ме-

сторождений, битумных песков) только отодвигают исчерпание ресурсов. При этом надо понимать, что даже если запасы традиционных энергетиче-

ских ресурсов не будут полностью истощены, будет наблюдаться их острый дефицит и резкий рост цен.

Проблему нельзя решить также и за счет атомной энергетики, так как запасы урана ограничены.

Следующая проблема связана с экологическим и тепловым загрязнением Земли, что может привести к необратимому изменению климата [4], [5].

Происходит загрязнение атмосферы в результате сжигания топлива, океана и суши нефтью, радиоактивными элементами в результате аварий,

имеющих катастрофические глобальные последствия. Последний пример —

4

авария на нефтедобывающей платформе в Мексиканском заливе в 2010 г.

Уголь, залежи которого довольно велики, как энергоноситель не удовлетворяет современным экологическим требованиям. Активно разрабатыва-

ются «чистые» способы его использования, однако это ведет к удорожанию стоимости получаемой энергии. Также существует серьезная проблема утилизации радиоактивных отходов.

Тепловое загрязнение Земли происходит при сжигании любого вида топ-

лива: увеличивается концентрация CO2 в атмосфере, что способствует возник-

новению «парникового эффекта». При увеличении роста производства энергии за счет сжигания топлива, включая ядерную энергетику, безопасный предел повышения температуры на Земле может быть достигнут уже в XXI веке.

Наконец, существует серьезная проблема — это энергобезопасность, которая побуждает к диверсифицированию используемых источников энергии.

Необходимость борьбы с этими проблемами потребует от многихстран и, прежде всего, от индустриально развитых, значительных затрат и радикально-

го снижения уровня использования углеводородного сырья. В результате, по оценкам эти причины не позволят удовлетворять растущие потребности мировой энергетикиза счет ископаемыхисточников энергииуже через 10–15лет.

Таким образом, в начале XXI века мировая энергетика столкнулась с необходимостью резкого изменения структуры источников потребляемой энергии.

По образному определению главного экономиста Международного энер-

гетического агентства (МЭА) Фатиха Бироля при сохранении нынешних темпов роста энергопотребления к 2030 г. нужно будет либо найти «шесть новых Саудовских Аравий», либо сделать ставку на другие источники энергии.

Большинство аналитических исследований академических ученых и уче-

ных компаний ТЭК предполагает значительное (до 30 %) увеличение доли нетрадиционных возобновляемых источников в течение следующих 20–30 лет.

Возобновляемые источники энергии – это источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии.

По классификации ООН (1978 г.), к нетрадиционным и возобновляе-

мым источникам энергии относятся следующие:

1)торф;

2)энергия биомассы, которую получают из различных отходов: сельскохозяйственных, лесного комплекса, коммунально-бытовыхи промышленных;

5

3)энергетические плантации. К ним относятся сельскохозяйственные культуры, древесно-кустарниковая и травянистая растительность;

4)энергия ветра;

5)энергия солнца;

6)энергия водных потоков на суше, используемая на мини- и микро-

ГЭС — гидроэлектростанциях мощностью менее 1 МВт; 7) средне и высокопотенциальная геотермальная энергия (гидротер-

мальные и парогидротермальные источники); 8) энергия морей и океанов — приливы и отливы, течения, волны, тем-

пературный градиент, градиент солености; 9) низкопотенциальная тепловая энергия земли, воздуха и воды, про-

мышленных и бытовых стоков.

Развитые страны на протяжении многих лет ежегодно вкладывают в раз-

витие альтернативных источников энергии миллиарды долларов. Существуют государственные программы поддержки развития возобновляемых источни-

ков энергии. Однако в настоящее время возобновляемые (альтернативные) источники энергии пока не могут конкурировать с традиционными. Суммар-

ная их доля в общем объеме потребляемой энергии составляет 8–10 % процентов, но к 2020 году она существенно возрастет, как показано на рисунке.

Структура мирового энергопотребления в 2020 г.

Основная причина неконкурентоспособности — экономическая — дороговизна вырабатываемой энергии [1].

Кроме того, все возобновляемые источники энергии имеют ограничения, связанные, например, с расположением объекта, наличием определен-

ных климатических условий, характеризуются либо ограниченным потенциалом, либо значительными трудностями широкого использования [6].

6

Одним из самых привлекательных и перспективных возобновляемых источников энергии всегда считалась фотовольтаика, т. е. прямое преобразование солнечной энергии в электрическую. Солнце может обеспечить растущие потребности в энергии в течение многих сотен лет. Общее количество солнечной энергии, поступающей на Землю в течение часа, превышает количество потребляемой человечеством энергии в течение года.

За последние 20–30лет темпы роста солнечной энергетики составляли в среднем примерно 25%. Согласно прогнозам в XXI веке развитие солнечной энергетики будет оставаться основным среди всехальтернативныхисточников. По оценкам к 2050 г. солнечная энергия может обеспечить 20–25 % мирового производства энергии, а к концу XXI века солнечная энергетика должна стать доминирующим источником энергии с долей, достигающей 60 % [7]–[10].

Несмотря на значительные темпы роста и впечатляющие оценки перспектив солнечной энергетики, объем вырабатываемой в настоящее время фотовольтаикой электроэнергии мал по сравнению с другими возобновляемыми источниками энергии. Основным барьером, препятствующим широкому внедрению солнечных элементов, является высокая стоимость вырабатываемой ими электроэнергии [11]. На сегодня это самый дорогой вид электроэнергии, практически полностью дотируемый государствами.

Цена на электроэнергию, вырабатываемую фотовольтаикой, составляет от 20до 65евроцентов/кВт∙ч. Цена на электроэнергию, вырабатываемую традиционными источникамиэнергии, составляет в настоящее время от2до 3,5евроцента/кВт∙ч и попрогнозам к2020г. возрастет до 5–6евроцентов/кВт∙ч.

Таким образом, для того, чтобы фотовольтаика могла конкурировать с ископаемыми источниками энергии, цена на вырабатываемую ею электроэнергию должна быть снижена примерно в 5–10 раз. Для этого необходимо разработать эффективные, дешевые технологии и конструкции фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Перспективным направлением снижения стоимости вырабатываемой фотовольтаикой электроэнергии является разработка технологии тонкопленочных солнечных элементов (СЭ) на основе аморфного гидрогенизированного и микрокристаллического кремния [7].

Цена производимой электроэнергии определяется, прежде всего, стоимостью материала, из которого изготовлен СЭ, и затратами технологического процесса производства СЭ. Основным материалом для изготовления солнечных элементов в настоящее время является кристаллический кремний, так как он является основным материалом всей твердотельной электроники, и его производство отлажено.

7

Основным недостатком СЭ на основе кристаллического кремния явля-

ется их высокая стоимость, так как 50 % от общей стоимости данных элементов составляет стоимость Si-подложки. При изготовлении СЭ данного вида используется высококачественное сырье, производство которого в настоящее время является очень энергозатратным. Велики общие потери кремния в результате его обработки и резки. В связи с тем, что монокристаллический и поликристаллический кремний непрямозонные полупро-

водники и их коэффициент поглощения невысок, для эффективного поглощения солнечного света толщина изготавливаемых из них ФЭПов должна составлять сотни микрон. Это приводит к значительным расходам кремния и высокой стоимости солнечных элементов.

Таким образом, перспективным представляется создание тонкопленочных солнечных элементов на основе аморфного гидрогенизированного и микрокристаллического кремния вместо дорогостоящего кристаллического кремния. Тонкопленочная технология имеет большие потенциальные воз-

можности для снижения стоимости солнечных модулей. Темпы снижения стоимости производства тонкопленочных солнечных модулей значительно выше, чем модулей на основе кристаллического кремния.

Кроме того, тонкопленочная технология имеет ряд специфических применений, невозможных или затрудненных при использовании кристаллических полупроводников (гибкие модули, полупрозрачные модули и т. д.).

Одним из достоинств тонкопленочной технологии является получение слоев аморфного гидрогенизированного и микрокристаллического кремния при низкой температуре. Это дает возможность создавать полупроводниковые структуры на гибких подложках. СЭ на гибкой основе имеют малый вес,

монтируются на любой поверхности и могут использоваться для изготовления сумок, чехлов, встраиваться в одежду и т. д. Полупрозрачные модули различного цвета находят применение, например, для украшения зданий. Наконец, существенным достоинством тонкопленочной технологии является возможность создания приборных структур на очень больших площадях.

По прогнозам, производство тонкопленочных фотоэлектрических пре-

образователей уже после 2010 г. значительно возрастет.

8

2.ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

2.1.Классификация фотоэлектрических преобразователей энергии

Солнечные элементы можно разделить на элементы без концентрации солнечного излучения и с концентрацией излучения на малой площади с помощью оптических систем. Применение высокоэффективных СЭ малой площади с оптическими концентраторами в виде различных линз и отражателей большой площади являются альтернативным путем развития СЭ для снижения их стоимости. В системах с концентраторами дорогие СЭ заменяются относительно дешевыми оптическими системами. Дополни-

тельные расходы на систему слежения за солнцем и охлаждения должны компенсироваться повышением КПД.

По принципу, используемому для преобразования солнечной энергии в электрическую, солнечные элементы можно разделить на элементы диодного типа, элементы, в которых используется сенсибилизация органиче-

скими красителями (так называемые фотоэлектрические ячейки) и термофотовольтаические преобразователи.

Термофотовольтаическое производство электроэнергии — это преобразование длинноволнового (теплового) излучения, которое после разогре-

ва материала эмиттера (радиатора) до высокой температуры (с помощью концентрированного солнечного излучения, сжигания природного газа,

пропана, бензина, водорода и др.), преобразуется в электричество фотоэлементом. В настоящее время КПД подобных систем не высоко и не превы-

шает 5 %, но они могут работать круглосуточно, в то время как наземные солнечные элементы работают обычно менее 40 % времени.

Для изготовления СЭ диодного типа применяется целый ряд материалов: 1) элементарные полупроводники (Si, Ge); 2) полупроводники типа

AIIIBV (например, GaAs); 3) полупроводники типа AIIBVI (например, CdS);

4)органические материалы.

Взависимости от структуры используемого полупроводника солнечные элементы подразделяются на СЭ на основе кристаллических, поликристал-

лических, микрокристаллических, аморфных материалов. На рис. 2.1 представлена классификация СЭ в зависимости от применяемого материала.

В зависимости от используемой технологии СЭ диодного типа могут быть разделены на три больших класса: 1) на основе объемных кристал-

лических подложек (кремниевых, GaAs, Ge); 2) на основе тонких пленок

9

кристаллического, аморфного и микрокристаллического кремния, CdTe, CuInSe2 (CIS), Cu(In1−xGax)Se2 (CIGS); 3) фотоэлектрические ячейки, в ко-

торых используется сенсибилизация красителями.

Основным материалом для изготовления солнечных элементов в настоящее время является кристаллический кремний. На рынке фотовольтаики доля солнечных элементов и модулей, произведенных на основе кристаллического кремния, сейчас превышает 90 %, из которых примерно 2/3 приходится на поликристаллический кремний и 1/3 — на монокристаллический. Столь широкое применение кристаллического кремния в фотовольтаике обусловлено развитой кремниевой технологией вообще и возможностью изготовления на его основе солнечных элементов наземного использования с наиболее приемлемым отношением эффективность/стоимость. Остальная часть рынка фотовольтаики приходится на пленочные элементы на основе других материалов, в том числе более 5 % составляют СЭ на основе тонких пленок аморфного гидрогенизированного кремния.

Солнечные элементы на основе объемных монокристаллических и поликристаллических материалов обладают высоким КПД, стабильностью, но имеют высокую стоимость.

При тонкопленочной технологии на основе материалов с высоким коэффициентом поглощения, такихкак CdTe, Cu(In, Ga) Se2, которые применяются в виде поликристаллических пленок, аморфный гидрогенизированный кремний (a-Si:H) позволяет значительноснизить расход и стоимость используемого материала. Подобная технология является высокоэффективной при использовании таких материалов, менее энергозатратной и дешевой. К недостаткам такихСЭ можноотнестиболее низкие КПД и стабильность параметров.

10