Тонкопленочные солнечные элементы

Герметизация, ламинирование и сборка (ELA)

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

15 17

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

7 — укладка ленты (FLU);8 — станция перекрестного контактирования (CCS); 9 — тыльная поверхность для подготовки стекла (GPB) + Станция спаривания (PST); 10 — ламинатор (LMU); 11 — обработка краев (EGT); 12 — установка коммутационного блока (JBS); 13 — сигнальная лампа (FLS); 14 — маркировка (LBG); 15 — проверка верхнего блока (HPT); опция:

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

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

10.4. Ключевые особенности технологических процессов,

используемых «Oerlikon Solar»

Plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) — активирован-

ный плазмой ВЧ разряда химический процесс, наиболее распространенный для получения пленок аморфного и микрокристаллического кремния, используемых в технологии фирмы «Oerlikon Solar». В плазме происходит разложение моносилана с образованием радикалов и ионов SiHn, из кото-

рых растет пленка. Для легирования в моносилан добавляется фосфин (п- тип проводимости) или диборан (р-тип проводимости).

151

Low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD) — процесс химического осаждения при низком давлении. Данный процесс используется для осаждения пленок ZnO, которые используются в технологии изготовления солнечного модуля «Oerlikon Solar» в качестве входного окна и переднего контакта модуля, а также в качестве заднего контакта модуля. В сравнении с аналогами других фирм, производителей модулей по аналогичной технологии, система предлагаемая фирмой «OerlikonSolar»обладает рядом достоинств, такихкак:

•высокая скорость осаждения пленок ZnO;

•высокаяпроизводительность(одновременноеосаждениеначетырестекла);

•быстрый выход на режим;

•высокое светопропускание;

•структурирование поверхности, что увеличивает светопоглощение в верхнем каскаде СЭ;

•использование одного и того же процесса при изготовлении переднего и заднего контакта модуля.

Базовая химическая реакция в камере для осаждения ZnO приведена на рис. 10.6.

Zn(C2H5)2+H2O 2C2H6+ZnO

B2H6+3H2O B2O33+4H2

H2 добавляется для поддержания температуры реакции.

B2H6 добавляется для легирования.

B2H6

Zn(C2H5)2+H2O→2C2H6+ZnO

Рис. 10.6. Базовая химическая реакция при осаждении ZnO в TCO 1200

На рис. 10.7 приведены характеристики светопропускания пленок ZnO, полученных различными методами, а именно: методом химического осаждения при низком давлении 1, методом фотохимического осаждения 2 и методом химического осаждения при атмосферном давлении стандартный результат 3 и лучший 4. Как видно из рис. 10.7 и далее из рис. 10.8, на примере сравнения спектральной зависимости квантовой эффективности для лучшего промышленного результата на SnO2 и ZnO. Видно, что метод,

разработанный «Oerlikon Solar», дает наилучший результат. Это подтверждает лидирующие позиции фирмы «Oerlikon Solar» в области получения прозрачных, проводящих покрытий для тонкопленочных солнечных элементов на аморфном кремнии.

152

Рис. 10.7. Светопропускание пленок, осажденных различными методами

Рис. 10.8. Спектральная зависимость квантовой эффективности СЭ с прозрачным проводящим слоем на основе ZnO (1) и SnO2

(2 — стандартный процесс, 3 — лучший промышленный образец)

Voltage [Volts]

Рис. 10.9. Солнечные модули фирмы «Oerlicon Solar» и их характеристики

153

Применение всех перечисленных ранее решений в процессе изготовления солнечного модуля на оборудовании и по технологии фирмы «Oerlikon Solar» позволяет реализовать производство тонкопленочных солнечных модулей, характеристика которых представлены на рис. 10.9.

Дальнейшее улучшение основных параметров солнечных модулей на основе аморфного кремния связано с решением целого ряда как научных,

так и инженерных проблем. В научном плане это касается решения вопросов организации оптического поглощения света в активных слоях модуля,

улучшение качества активных слоев в гетерокаскадах и самих гетеропереходов, улучшение дизайна модулей, позволяющего уменьшить мертвые зо-

ны на поверхности модуля. Пласт инженерных проблем охватывает аспекты улучшения дизайна модуля, уменьшение различных потерь, например,

связанных с отражением света от стекла, разработку новых антиотражающих покрытий, также применение новых более дешевых материалов под-

ложки, таких как полиамидная или металлическая фольга, на которой формируется структура модуля. Как видим, научные и инженерные проблемы тесно взаимосвязаны друг с другом.

Подводя итоги по тонкопленочным СЭ можно сказать, что в этой об-

ласти необходимо:

1.Увеличение КПД модулей с сегодняшних 6–8 % до 14–15 %.

2.Дальнейшее исследование фундаментальных свойств материалов, ихтеоретический анализ, разработка новых конструкций СЭ, исследование границ раздела в них.

3.Разработка новых многопереходных структур.

4.Разработка дешевых, высокоэффективных ТСО материалов.

5.Использование альтернативных конструкций модуля (новые под-

ложки и новые технологии корпусирования).

6. Увеличение срока стабильной работы модуля до 20–30 лет с умень-

шением эффективности преобразования менее чем на 10 %.

7.Разработка процессов и оборудования для обеспечения дешевого широкомасштабного производства с высоким выходом годных ФЭП.

8.Улучшение однородности свойств пленок на больших площадях.

9.Увеличение воспроизводимости технологических процессов.

10.Снижение окупаемости модуля до одного года и менее.

11.Адаптация новых удачных технологических решений к условиям промышленного производства.

154

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Перспективность использования солнечных модулей и автономных энергоустановок на их основе в современном мире ни у кого не вызывает сомнений. Как показывают современные тенденции развития этого направления широкое внедрение в жизнь солнечной энергетики связано не с уров-

нем разработки данной проблемы, а в первую очередь, с экономической целесообразностью и стоимостью энергии, получаемой таким способом.

Наблюдаемые тенденции свидетельствует о том, что ценовой паритет со стоимостью энергии, получаемой традиционным путем, будет достигнут в ближайшее десятилетие, и это определит рождение крупномасштабной солнечной энергетики.

Представление о том, что энергетика будущего будет основана на угле, запасы которого еще достаточно велики, атомном и термоядерном топливе имеет как сторонников, так и противников. Не вдаваясь в детали этого спо-

ра, заметим, что Солнце и есть тот реактор, который дал Земле жизнь и может дать энергию, необходимую для комфортного существования Человече-

ства. Поэтому нет сомнений в том, что более активное использование солнечной энергии — задача уже сегодняшнего, а не завтрашнего дня [121].

155

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Де Роза А. Возобновляемые источники энергии. Физико-технические основы: Учебн. пособие / Пер. с англ. Долгопрудный: Изд. дом «Интеллект»; М.: Изд. дом МЭИ, 2010. 704 с.

2.http://www. simplifiedbiz. com/allen/ru/

3.Перспективы энергетических технологий 2008. Сценарии и стратегии до 2050 г. Международное энергетическое агентство. OECD/IEA, 2008.

4.Клименко В. В., Терешин А. Г., Микушина О. В. Мировая энергетика и климат планеты в XXI веке в контексте исторических тенденций // Российский химический журнал. 2008. Т. LII. № 6. С. 11–17.

5.Клименко В. В., Терешин А. Г. Мировая энергетика и климат планеты в XXI веке // История и современность. 2008. № 2. С. 87–94.

6.Андреев В. М. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии // Соросовский образовательный журнал. 1996. № 7. С. 93–98.

7.Thin-filmsiliconsolar cells. Editor:Arvind Shah// EPFLPress, 2010. 430 p.

8.http://www.nkj.ru/interview/8370/ Алферов Ж. И. Будущее солнечной энергетики. Наука и жизнь. Интернет-интервью. Начало: 21.02.2007 / Окончание: 20.03.2007.

9.Шпак Г. Солнечный свет в конце тоннеля // Наука в Сибири. 2007.

№15 (2600). 12 апреля.

10.Рязанов К. В. Перспективы развития солнечной энергетики // КАБЕЛЬ−news. 2009. № 12–1. С. 81–85.

11.Ежов В. Тенденции развития электронных технологий. Ближайшие перспективы // Новая электроника России 2009: Отраслевой деловой ежегодник. С. 11–17.

12.ЗиС. Физика полупроводниковыхприборов:Т. 2.М.:Мир, 1984. 456с.

13.Зи С. Физика полупроводниковых приборов: Т. 1. М.: Мир, 1984.

14.Шалимова К. В. Физика полупроводников. М.: Энергоатомиздат, 1985. 392 с.

15.Ансельм А. И. Ведение в теорию полупроводников. М.: Наука, 1978. 616 с.

16.Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников. М.: Наука, 1990. 650 с.

17.Андреев В. М., Грилихес В. А., Румянцев В. Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Л.: Наука, 1989.

310 с.

156

18. Арбузов Ю. Д., Евдокимов В. М. Основы фотоэлектричества. М.:

Изд-во ГНУ ВИЭСХ, 2007. 292 с.

19.Shockey W., Queisser H. J. // J. Appl. Phys. 1961. V. 32/ P. 510.

20.De Vos. // J. Phys. 1980. D. V. 13. P. 839.

21.Фаренбрух А., Бьюб Р. Солнечные элементы: теория и экспери-

мент. М.: Энергоатомиздат, 1987. 280 с.

22.Андреев В. М. Гетероструктурные солнечные элементы // ФТП. 1999. Т. 33, вып. 9. С. 1035–1038.

23.SpearW. E., LeComberP.G.,J.Non-Cryst//Solids.V.8&10,1972.P. 727.

24.MadanA., LeComber P. G., SpearW. E., J. Non-Cryst // Solids. V. 20. 1976. P. 239.

25.Физика гидрогенизированного аморфного кремния: Вып. I / Под. ред. Дж. Джоунопулуса, Дж. Люковски. М.: Мир, 1987. 363 с.

26.Физика гидрогенизированного аморфного кремния: Вып. II / Под. ред. Дж. Джоунопулуса, Дж. Люковски. М.: Мир, 1988. 447 с.

27.Меден, Шо. М. Физика и применение аморфных полупроводников.

М.: Мир, 1991. 669 с.

28.Аморфный кремний и родственные материалы / Под ред. Х. Фрицше.

М.:Мир, 1991. 544 с.

29.Аморфные полупроводники и приборы на их основе / Под. ред. Й. Хамакавы. М.: Металлургия, 1986. 375 с.

30.Неупорядоченные полупроводники / А. А. Айвазов, Б. Г. Будагян, С. П. Вихров, А. И. Попов. М.: Высш. шк., 1995. 352 с.

31.Brodsky M. H., Cardona M., Cuomo J. J. Infrared and Raman spectra of the silicon-hydrogen bonds in amorphous silicon prepared by glow discharge and sputtering // Phys. Rev. B. 1977. V. 16. P. 3556.

32.Infrared absorption strength and hydrogen content of hydrogenated amorphous silicon / A. A. Langford, M. L. Fleet, B. P. Nelson et al // Phys. Rev. B. 1992. V. 45. P. 13367–13377.

33.Аморфные и поликристаллические полупроводники / Под. ред. В. Хейванга. М.: Мир, 1987. 160 с.

34.Губанов А. И. Квантово-электронная теория аморфных проводников. М.–Л.: Изд-во АН СССР, 1963. 250 с.

35.Мотт Н., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах: В 2 т. М.: Мир, 1982. 662 с.

36.Аморфныеполупроводники/Подред.М.Бродски.М.:Мир,1982.419с.

157

37. Davis E. A., Mott N. F. Conducting in non-crystalline systems,

V. Conductivity, optical absorption and photoconductivity in amorphous semiconductors // Phil. Mag. 1970. V. 22, P. 903–922.

38. Электронная теория неупорядоченных полупроводников/ В. Л. БончБруевич, И. П. Звягин, Р. Кайпер и др. М.: Наука, Главная редакция физико-

математической литературы, 1981. 384 с.

39. Гантмахер В. Ф. Электроны в неупорядоченных средах. М.:

ФИЗМАТЛИТ, 2003. 176 с.

40.Staebler D. L., Wronski C. R. //Appl. Phys. Lett. 1977. V. 31. P. 292.

41.Photoinduced changes in the bulk-density of gap states in hydrogenated

amorphous-silicon associated with the Staebler-Wronski effect / J. D. Cohen,

D.V. Lang, J. P. Harbison, A. M. Sergent // Solar Cells. 1983. V. 9, P. 119–131.

42.McMahon T. J., Xi J. P. Photoconductivity and light-induced change in

a-Si: H. Phys. Rev. 1986. V. 34. N 4. P. 2475–2481.

43.Redfield D., Bube R. H. Reinterpretation of degradation kinetics of amorphous silicon // Appl. Phys. Lett. 1989. V. 54. P. 1037–1039.

44.The role of hydrogen in the Staebler-Wronski effect of a-Si: H / M. Ohsawa, T. Hama, T.Akasaka et al// Jpn. Journ.Appl. Phys. 1985. V. 24. P. L838–L840.

45.The influence of Si-H bond and the light-induced effect in a-Si films and a-Si solar cells / N. Nakamura, T. Takahama, M. Ohnishi, Y. Kuwano // Jpn. Journ. Appl. Phys. 1989. V. 28. P. 1762–1768.

46.BudaguanB. G., StanovovO. N., Meytin M. N. The high temperature Stae- bler-Wronskieffects ina-Si1–xNx:H //J. Non-Cryst. Solids.1993.V.163.P.297–302.

47.Budaguan B. G., Aivazov A. A. Stability improvement of a-Si:H films deposited in SQWM-55 kHz glow discharge plasma // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1998. V. 507. P. 493–498.

48.Staebler-Wronski effect in a-SiGe: H alloys: dependence on deposition temperature / M. Barranco i Diaz, J. P. Kleider, P. St’ahel et al. // 14th European

Photovoltaic solar energy conference, Barcelona, Spain, 30 June–4 July 1997.

P.609–612.

49.Чопра К., Дас С. Тонкопленочные солнечные элементы. М.: Мир, 1986. 435 с.

50.Roca i Cabarrocas P. Detailed study of ion bombardment in rf glow discharge deposition systems: the role of helium dilution // Amorphous Silicon Technology, ed. by MadanA., Thompson M. J., Taylor P. C., Hamakawa Y., LeComber P. G.(MRS Symp. Proc.) V. 149, (1989). P. 33–36.

158

51.Boufendi L., BouchouleA. Particle nucleationand growth ina low-pressure argon-silane discharge // Plasma Sources Sci.Technol. 1994.V. 3. P. 262–267.

52.Influence of power — source frequency on the properties of GD a-Si:H/ Matsuda A. et al // Jap. J.Appl. Phys. 1984. V. 23. P. 567–569.

53.Roca i Cabarrocas P. Towards high deposition rates of a-Si: H – the limiting factors // J. Non-Cryst. Solids. 1993. V. 166. P. 131–134.

54.Heintze M. Diagnostics of High-Rate a-Si:H Deposition in a Variable Frequency Plasma // Solid State Phenomena. V. 44–46, 1995. P. 181–194.

55.Будагян Б. Г., Айвазов А. А. Физико-химические основы базовой технологии получения аморфного гидрогенизированного кремния. М.: Издво МГИЭТ (ТУ), 1996. 60 с.

56.Hydrogenated Silicon Films for Solar Cell Application Obtained with

55 kHz Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition / B. G. Budaguan, A.A. Sherchenkov, D. A. Stryahilev et al // J. Electrochem. Soc. 1998. V. 145. N 7. P. 2508–2512.

57.Структурные особенности пленок a-Si: H приборного качества, полученных в низкочастотной плазме тлеющего разряда / Б. Г. Будагян, А. А. Шерченков, А. Ю. Сазонов, Д. А. Стряхилев // Изв. вузов. Сер. электроника. 1998. № 3. C. 9–13.

58.Высокоскоростной метод осаждения аморфного кремния / Б. Г. Будагян, А. А. Шерченков, А. Е. Бердников, В. Д. Черномордик // Микроэлектроника. 2000. Т. 29, № 6. С. 442–448.

59.Будагян Б. Г., Шерченков А. А. Высокоскоростная низкотемпературная технология некристаллических полупроводников // Изв. вузов. Сер. электроника. 2000. № 4–5. C. 75–79.

60.Попов А. И. Физика и технология неупорядоченных полупроводников. М.: Изд. дом МЭИ, 2008. 272 с.

61.Казанский А. Г. Фотоэлектрические свойства микрокристаллического кремния//Изв.вузов.Сер.материалыэлектроннойтехники.2009.№1.C.12–21.

62.Willeke G. Physics and electronic properties of microcrystalline semiconductors. Amorphous and Microcrystalline Semiconductor Devices. V. II: Materials and Device Physics. Ed. By J. Kaniki. Boston; London: Artech House, 1991. P. 55–88.

63.Complete microcrystalline p-i-n solar cell – Crystalline or amorphous cell behaviour / J. Meier, R. Fluckiger, H. Keppner, A. Shah // Appl. Phys. Lett. 1994. V. 65. P. 860–862.

159

64.Hamakawa Y. Recent advances in amorphous and microcrystalline silicon based devices for optoelectronic application /Appl. Surface Sci. 1999. V. 142. P. 215–226.

65.Photovoltaic technology: the case for thin-film solar cells / A. Shah,

P.Torres, R. Tscharner et al // Science. 1999. V. 285. P. 692–698.

66.Schropp R. E. I., Zeman M. Amorphous and microcrystalline silicon solar cells: modeling, materials and device technology // Kluwer Academic publishers, Boston/Dordrecht/London, 1998. P. 207.

67.Анализ рамановских спектров аморфно-нанокристаллических пленок кремния / С. В. Гайслер, О. И. Семенова, Р. Г. Шарафутдинов, Б. А. Колесников // ФТТ. 2004. T. 46, вып. 8. C. 1484–1488.

68.Solar Energy Materials & Solar Cells 68 K. R. Catchpole, M. J. McCann, K. J. Weber,A. W. Blakers / 2.173 (2001).

69.Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований / Дж. Уайтсайдс, Д. Эйглер, З. Андерс и др. // Под ред. М. К. Роко, Р. С. Уильямса, П. Аливисатоса; Пер. с англ. М.:Мир, 2002. 292 с.

70.Hazar S, Ray S. Nanocrystalline silicon as intrinsic layer in thin film solar cells // Solid State Comunications. 1998. V. 109. P. 125–128.

71.Структурные особенности и свойства пленок a-Si: H, полученных методом циклического осаждения / В. П. Афанасьев, А. С.Гудовских, О. И. Коньков и др. // ФТП. 2000. Т. 34, вып. 4. С. 495–498.

72.Structural, optical and electronic properties of hydrogenated polymorphous silicon films deposited at 150 C / R. Butte, S. Vignoli, M. Meaudre et al // J. Non-Crystalline Solids. 2000. V. 266–269. P. 263–268.

73.Афанасьев В. П., Лянгузов А. А., Сазанов А. П. Формирование фотопреобразовательных структур на основе а-Si:H // Петербургский журнал электроники. 1995. № 2. С. 7–16.

74.Single-chamber system for batch-fabrication a-Si: H photodetectors and solar cells Afanasjev V. P., Luchinin V. V., LyangyzovA. A., Sazanov A. P. // Proceedings of The 6th Conference on sensor technology. November 10–11, 1995. V. 6, № 1. P. 525–532.

75.Аморфные пленки a-Si:H, полученные методом циклического осаждения / В. П. Афанасьев, А. С. Гудовских, А. П. Сазанов и др. //Изв. вузов. Сер. материалы электронной техники. 1999. № 4. С. 29–32.

76.Структура и свойства пленок а-Si: H, полученных методом циклического осаждения / В. П. Афанасьев, А. С. Гудовских, О. И. Коньков и др. //

160