Тонкопленочные солнечные элементы

•Движение цен. Цена одного килограмма индия составляла в 2003 г. 100 дол.; в 2005 г. она возросла до 1000 дол. Проблема стабильности цен на сырьевые материалы.

•Селениды. Должны приниматься во внимание аспекты охраны окружающей среды и стоимость вторичной переработки.

10.2. Солнечные элементы на основе аморфного кремния

Наиболее значимыми на мировом рынке в области тонкопленочных солнечных элементов на основе аморфного кремния являются зарубежные компании, имеющие собственное производство гетероструктурных тонко-

пленочных фотопреобразователей.

Ведущими производителями каскадных тонкопленочных солнечных элементов на основе кремния в мире являются фирмы «Sharp», «BP Solar», «Shell Solar», «Sanyo», «RWE Schott», «Oerlikon Solar», «Applied Materials», «Santech», «Kaneka». Все эти фирмы уже много лет производят тонкопле-

ночные фотопреобразователи для солнечных модулей с использованием ме-

тода осаждения аморфного гидрогенизировапнного кремния в плазме тлею-

щего разряда и прогрессивных постростовых технологий.

Типичная конструкция гетероструктурного СЭ на основе аморфного и микрокристаллического, используемая в массовом производстве солнечных модулей, представлена на рис. 10.2.

Рис. 10.2. Схематическое изображение тандемной структуры a-Si:H/мк-Si:H (а) и ее спектральной характеристики (б)

Второй каскад выполняет две функции. Он изготовлен на основе узко-

зонного материала (ширина оптической зоны порядка 1,1 эВ), а это позво-

141

ляет более эффективно использовать длинноволновую часть солнечного спектра. С другой стороны, микрокристаллический кремний обладает бо-

лее высокой проводимостью, а это положительно сказывается на создании электрического контакта и сборе тока в панелях солнечных элементов.

10.3. Описание разработок технологии фирмы «Oerlikon Solar»

по производству солнечных модулей на основе аморфного

имикрокристаллического кремния (www.oerlikon.com)

Внастоящее время солнечная энергетика является одним из наиболее перспективных видов возобновляемой энергетики. Основным устройством,

используемым для прямого преобразования энергии солнечного света в элек-

троэнергию, является солнечный модуль (СМ). Широкое применение СМ для производства электроэнергии позволит снизить потребление невозобнов-

ляемых углеводородных ресурсов и уменьшить экологическую нагрузку за счет снижения выброса парниковых газов.

Обычно СМ состоит из фотодиодов большой площади, что позволяет эф-

фективно собирать и преобразовывать солнечное излучение в электрический ток за счет фотовольтаического эффекта. Последовательное соединение этих диодов позволяет получить на выходе СМ напряжение сравнимое с напряже-

нием в электрических сетях, что облегчает сопряжение СМ с устройствами,

потребляющими электроэнергию, и встраивание СМ в существующие энерго-

системы. Посколькуосновой СМ являются фотодиоды, производство СМ мож-

но классифицировать как одну из отраслей электронной промышленности.

Одним из видов СМ являются, так называемые, тонкопленочные СМ.

Их основу составляют пленки полупроводниковых материалов с характер-

ной толщиной порядка микрона. Очевидным преимуществом таких СМ по сравнению с традиционными СМ на основе кремниевых пластин является пониженное потребление полупроводниковых материалов при производст-

ве модулей. В настоящее время наиболее распространенными тонкопле-

ночными СМ являются микроморфные солнечные модули. Эти СМ состоят из двух монолитно соединенных между собой переходов на аморфном и нанокристаллическом кремнии. Введение нанокристаллического перехода,

обладающего значительным поглощением света в ближней инфракрасной области, позволяет расширить полосу поглощения света и, как следствие,

поднять эффективность СМ. Другим преимуществом микроморфных СМ

142

является возможность уменьшения толщины аморфного перехода, неста-

бильного по отношению к интенсивному свету, что снижает фотоиндуци-

рованную деградацию СМ.

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

•сравнительно низкая себестоимость электроэнергии генерируемой этими СМ;

•возможность изготовления СМ на различных, в том числе гибких ме-

таллических или пластиковых подложках;

•технология не требует применения редких элементов;

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

Согласно рейтингу компании «VLSI Research» — ведущего поставщи-

ка аналитических и экономических обзоров нанотехнологической про-

мышленности — лидером среди изготовителей промышленного оборудо-

вания для производства СМ на основе тонких пленок кремния является компания «Oerlikon Solar». Она компания специализируется на поставке полного набора оборудования, необходимого для изготовления микро-

морфных СМ, и его вводе в эксплуатацию под ключ (так называемое «turn key» исполнение). При этом участие компании «Oerlikon Solar» в запуске производства не ограничивается строительством предприятия под ключ.

Она также осуществляет обучение персонала и сопровождение производ-

ства своими сотрудниками, постоянно присутствующими на объекте в те-

чение первого года эксплуатации, помогает в оформлении международных сертификатов качества на СМ произведенные на предприятии, что значи-

тельно облегчает выход продукции на рынок.

В настоящее время компания «Oerlikon Solar» предлагает наиболее пе-

редовую технологию производства микроморфных СМ, что подтверждается двумя международными премиями, присужденными этой технологии («Thin Film Innovation Award 2009», «Cell Award 2009»). Оборудование компании

«Oerlikon Solar» предназначено для изготовления СМ размером 1,1 × 1,3 м2

(площадь модуля 1,43 м2). Выбор такого размера СМ позволяет оптималь-

но сочетать высокую производительность оборудования с удобством в транс-

портировке и установке СМ. Технология, разработанная компанией, обеспе-

чивает исходную эффективность опытных модулей на уровне 11 % и стаби-

143

лизированную эффективность промышленных СМ площадью 1,4 м2 на уровне свыше 9,3 %. Отличительной особенностью технологии компании

«Эрликон Солар» является сравнительно низкая стоимость производства электроэнергии при помощи СМ. По прогнозам компании к концу 2010 г.

она составит 0,7 дол./Вт.

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

1.Очистка стекла при помощи щелочных растворов.

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

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

4.Лазерная резка (скрайбирование) слоя оксида цинка.

5.Плазмохимическое осаждение слоев кремния.

6.Лазерная резка (скрайбирование) слоев кремния.

7.Газофазное осаждение тыльного контакта на основе оксида цинка.

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

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

10.Нанесение шин тыльных контактов.

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

12.Очистка верхней поверхности тыльного отражателя.

13.Укладка герметика.

14.Перекрестное контактирование.

15.Очистка и укладка тыльного стекла.

16.Ламинирование.

17.Обработка краев модуля.

18.Установка коммутационного блока.

19.Проверка качества модуля при помощи импульсного источника света.

20.Маркировка модуля.

21.Проверка изоляции коммутационного блока и кабелей на пробой. Технологический процесс (шаг за шагом) производства тонкопленоч-

ного модуля представлен на рис. 10.3.

144

Шаг 1

Стеклянная подложка

Задний

Чистка ТСО Лазер PECVD Лазер контакт Лазер Сборка

Шаг 2

Шаг 3

ТСО контакт

Стеклянная подложка

Задний

Чистка ТСО Лазер PECVD Лазер контакт Лазер Сборка

Шаг 4

Si тонкая пленка

ТСО контакт Стеклянная подложка

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

145

Продолжение рис. 10.3

П2

Задний

Чистка ТСО Лазер PECVD Лазер контакт Лазер Сборка

Шаг 5

Шаг 7

Задний контакт

Si тонкая пленка ТСО контакт Стеклянная подложка

Одиночный ФЭП

Задний контакт

Si тонкая пленка

ТСО контакт

Электрический ток

Стеклянная подложка

СВЕТ

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

146

Процессы лазерной разметки

Задний

Чистка ТСО Лазер PECVD Лазер контакт Лазер Сборка

ФЭПn

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

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

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

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

147

Система снабжена загрузочным шлюзом, одной передаточной камерой,

одной технологической камерой и плазменной камерой (PlasmaboxesTM). Плазменная камера PlasmaboxesTM разработана для нанесения покрытия на стекла прямоугольной формы 1100 ×1300 мм.

К достоинствам конструкциям следует отнести:

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

2.Концепция реактора с двойными стенами (Plasma Box ®) оптимизи-

рует потребление технологических газов и увеличивает чистоту материалов осажденных методом ПХГФО.

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

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

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

TCO 1200 — это соответствующая всем последним достижениям система нанесения нанопокрытия путем газофазногоосаждения принизком давлении.

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

К достоинствам системы можно отнести:

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

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

3.Сравнительно низкая стоимость изготовления прозрачного проводящего оксидасоднимиизлучшихоптическихсвойствсредипромышленныхобразцов.

СистемалазерногоскрайбированиясобственнойразработкиLSS1200

148

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

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

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

К достоинствам системы следует отнести:

1)использование лазеров с различными длинами волн для получения оптимальногокачества скрайбирования на различныхэтапахизготовления СМ;

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

3)система оптического контроля качества скрайбирования и позиционирования СМ.

Система подготовки стекла (GPF)

Система подготовки стекла состоит из следующих агрегатов:

• станции по загрузке стекла (GLS);

• станции по маркировке стекла (GLM);

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

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

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

ния мелкой пыли со стекла.

149

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

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

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

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

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

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

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

Устройство для проверки контактов (CTD)

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

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

Рис. 10.4. Конфигурация CTD: 1 — распределение — контактирование — отверждение (DCC); 2 — трафаретная печать (SCP); 3 — печь для отверждения (COP);

4 — агрегат по прокладке шва (EIU); 5 — импульсная лампа (FLS)

150