11.2.2 Фотоэлементы из монокристаллического кремния

Производство кремниевых пластин

Для того, чтобы получить монокристаллический кремний из поликристаллического материала, кремний необходимо расплавить и затем произвести его повторную кристаллизацию. Для этого затравочный кристалл кремния погружают в расплав, а затем медленно вынимают его оттуда, медленно при этом вращая затравку. При извлечении кремния из расплава, он приобретает несколько более высокую степень чистоты, так как имеющиеся в нем до этого примеси, как правило, остаются в расплаве. При соблюдении надлежащих условий кристаллизации и своевременном пополнении количества расплава, можно вырастить достаточно большие кристаллы диаметром до 10-16 см и длиной до 90-150 см.

Для производства кристаллов n- и p- типов в расплав добавляют бор или мышьяк в количествах необходимых для получения желаемой степени легирования. Также можно добавить и материалы III и V групп, однако обычно значения коэффициента диффузии и энергии активации у таких материалов в меньшей степени способствуют решению задачи повышения КПД солнечного элемента. Индий, например, является веществом III группы, однако при комнатной температуре в силу того, что индий обладает более высокой энергией активации, значительная доля его атомов не ионизируют и не отдают дырки основному кристаллу. Фосфор – примесь V группы – обладает приемлемыми свойствами ионизации, но при этом и более высоким коэффициентом диффузии в кремнии, в результате чего при нагревании основного материала, атомы фосфора перемещаются в основном материале с большей скоростью, чем атомы мышьяка.

Затем в ход идут специальные пилы для нарезания из слитков пластин. Так как при изготовлении модулей с использованием круглых кремниевых пластин между пластинами остаются большие зазоры, зачастую края пластин обрезают, что бы приблизить их форму к квадратной. Толщина пластин составляет около 0,254 мм, и пластины являются довольно хрупкими. Использование пилы приводит к значительному повреждению поверхности пластины, и для ее восстановления требуется применять химическое травление. Для получения текстурированной поверхности, описанной в последней главе, можно использовать селективное травление, в результате чего получается текстурированная поверхность с относительно небольшим количеством дефектов. Процесс получения пластин также является весьма энергоемким.

Получение перехода [6]

Следующим этапом в процессе производства фотоэлемента из монокристаллического кремния является создание pn-перехода. В сфере производства электронных полупроводников, pn-переходы получают при помощи диффузии, эпитаксиального роста и методом внедрения ионов. Эти методы подходят для переходов, площадь которых составляет порядка 10^-12 м², однако для фотоэлектрических элементов с площадью перехода в районе 10^-2 м², время, необходимое для изготовления перехода такой площади, становится критическим фактором. Поэтому, учитывая финансовые ограничения, pn-переходы в фотоэлектрических элементах из кристаллического кремния изготавливаются преимущественно методом диффузии.

Атомы примеси диффундируют в кремнии аналогично тому, как дырки и электроны проникают сквозь области с неоднородной плотностью примесей. Концентрация, как функция расстояния от поверхности, х, и времени, определяется путем решения уже знакомого нам уравнения диффузии

где N обозначает плотность примеси, а D – коэффициент диффузии, соответствующий той или иной примеси. Заметим, что величина параметра D находится в сильной зависимости от температуры, особенно если ее значение близко к значению температуры плавления основного материала. При комнатной температуре диффузия практически не происходит, однако при температуре порядка 1000°С процесс диффузии становится ощутимым.

Решение уравнения (11.1) зависит от граничных условий, определенных для примеси. В начальной стадии процессов диффузии поверхностную концентрацию примесей поддерживают постоянной на протяжении некоторого фиксированного промежутка времени. Затем источник примеси убирают, в результате чего суммарное количество примеси остается постоянным и равняется количеству атомов примеси, которые проникли в основной материал на этапе поддержания постоянной поверхностной концентрации. Первый этап, который называется этапом предварительного осаждения, ведет к решению хорошо известной функции распределения вероятности ошибок, т.е.

где N₀- это концентрация примесей на поверхности пластины. Допустим, что подложка представляет собой однородно легированный материал p-типа, а диффундирующая примесь является материалом n-типа. Тогда чистая (результирующая) концентрация примеси на любой глубине, х, рассчитывается как разность между концентрациями материалов p- и n-типа, или,

Если результирующая концентрация примеси имеет положительное значение, материал является материалом n-типа, а если чистая концентрация примеси имеет отрицательное значение, тогда материал является материалом p-типа. Переход находится там, где чистая концентрация примеси равна нулю, что представляет собой переход между материалами p- и n-типа. Таким образом, глубину залегания перехода можно определить, задав значение N(x,t) равным 0 и решив уравнение для х, в результате чего получаем

Полученное, в результате, значение, как правило, не будет являться окончательной глубиной залегания перехода, так как после предварительного осаждения значение концентрации примеси на поверхности пластины близко к пределу растворимости основного материала в твердом состоянии. Однако, это предварительное значение глубины залегания перехода является полезным, потому что оно служит для определения количества времени необходимого на этапе предварительного осаждения для получения перехода на меньшей глубине по сравнению с окончательной глубиной залегания перехода, которая в итоге превышает первоначальную глубину залегания в 5 -10 раз.

Далее, для снижения уровня поверхностной концентрации выполняют перемещение примеси. Перемещение примеси производится всего-навсего путем продолжительного нагревания материала после того, как источник поверхностной примеси удален. В результате атомы примеси продолжают перемещаться из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. Концентрацию примеси с хорошим приближением можно определить, решив уравнение диффузии при условии, что концентрация примеси на единицу площади является постоянной. При этом делается допущение, что все примеси, проникшие в материал на этапе внедрения примеси, остаются на поверхности материала. Количество примеси, приходящихся на единицу площади, можно определить, проинтегрировав выражение (11.3) от поверхности вглубь материала. Хотя фактическое расстояние, на которое перемещаются примеси, составляет менее 1 μм, интеграл берется от 0 до бесконечности и имеет следующий вид

После внедрения примеси её концентрация достаточно точно описывается функцией распределения Гаусса,

Это выражение теперь можно решить для глубины залегания перехода, опять задав значение N (x,t) равным 0. Решить данное уравнение мы предлагаем читателю (Задача 11.2). Таким образом, для получения перехода на любой желаемой глубине от поверхности необходимо просто контролировать диффузию в пластину. Так, предпочтительным вариантом является залегание перехода на глубине в пределах диффузионной длины неосновных носителей заряда, но чтобы добиться этого, значение глубины залегания обычно задают. Обратите внимание, что уравнения (11.3) – (11.6) также дают возможность проектировщику модулей контролировать концентрацию примесей на n-стороне перехода. На Рис. 11.3 приведен график значений концентрации примесей после выполнения двух этапов диффузии (предварительное внедрение + стабилизация примеси).

Рисунок 11.3 Концентрации примесей после выполнения двух этапов диффузии

Контакты

Изготовив pn-переход, далее необходимо прикрепить к СЭ контакты. Если стоит задача изготовить такие контакты, которые прослужат столько же, сколько и остальные компоненты фотоэлемента, то зажимы типа «крокодил» не подходят. Необходимо использовать контакты с низким омическим сопротивлением, которые будут сохранять хороший контакт с фотоэлементом вне зависимости от циклических колебаний температуры в широком диапазоне её значений. Материал контактов должен позволять использовать пайку для прикрепления соединительных проводов, с тем чтобы СЭ можно было собрать в модуль.

Контакт к тыльной поверхности солнечного элемента закрывает всю его поверхность и обычно изготавливается из испаренного алюминия, который после испарения отжигают путем нагревания. В результате процесса отжига происходит незначительная диффузия алюминия в кремний и образуется прочное соединение между материалами которое устойчиво к циклическим перепадам температуры. Так как алюминий является элементом группы III, он также выступает в качестве донора p-типа и создает в районе контакта высоколегированную область. Эта высоколегированная p-область создает градиент распределения легирующей примеси (градиент концентрации примеси), который в свою очередь создает электрическое поле, которое ускоряет движение дырок к тыльному контакту.

Изготовление контакта к лицевой поверхности солнечного элемента является более сложным по нескольким причинам. Во-первых, если контакт не пропускает солнечный свет, тогда он будет препятствовать проникновению фотонов в солнечный элемент и их поглощению. Это означает, что площадь поверхности лицевого контакта должна быть сведена к минимуму. С другой стороны, если площадь слишком мала, тогда возрастает сопротивление контакта. Так как переход находится лишь на незначительной глубине от лицевой поверхности элемента, существует вероятность, что при отжиге материала контакта он диффундирует в кремний и закоротит переход. Если уж на то пошло, даже если материал контакта изначально и не диффундирует через переход, это может произойти со временем в результате работы при высоких температурах и привести к сокращению срока службы солнечного элемента. Таким образом, при проектировании контакта к лицевой поверхности следует помнить, что он должен быть омическим, иметь маленький размер и низкое последовательное сопротивление и при этом не представлять угрозы для перехода.

Последовательное сопротивление на контакте к лицевой поверхности солнечного элемента зависит от того, какое расстояние носитель заряда должен пройти сквозь основной материал до контакта, помимо собственного сопротивления контакта. Электропроводность материала описывается следующим уравнением:

В качестве единицы измерения сопротивления между двумя точками удобно использовать единицу «Ом/квадрат». На Рис 11.4 показан образец материала размером l x l x t. Сопротивление между противоположными боковыми поверхностями материала описывается следующим уравнением:

Для обычной тонкой кремниевой пластины n-типа, где n≈10²⁰ » ρ, μ_n≈100, а глубина перехода составит 1 μм (= t), сопротивление на квадрат составит R=6,25 Ом.

Теперь допустим, что два контакта длиной 2 см каждый расположены на расстоянии 0,5 см друг от друга, см. Рис. 11.5. Задача состоит в определении примерной величины сопротивления между основным материалом и контактом. Так как наихудший вариант сопротивления - это сопротивление ровно посередине между контактами, тогда наибольшее расстояние до контакта составляет 0,25 см. Учитывая то, что длина контакта составляет 2 см, между контактом и линией, делящей расстояние между контактами ровно пополам, поместится 8 квадратов со стороной 0,25 см каждый, столько же квадратов поместится между этой линией и вторым контактом. Отсюда получается, что у нас есть 16 параллельно соединенных квадратов, сопротивление каждого из которых составляет 6,25 Ом. Результирующее сопротивление 16 параллельно расположенных квадратов, таким образом, составляет 6,25/16=0,39 Ом.

Рисунок 11.4 Определение сопротивления на квадрат

Рисунок 11.5 Определение сопротивления между основным материалом и контактами.

Затем, допустим, что диаметр солнечного элемента составляет приблизительно 10 см, и в условиях обычной освещенности он вырабатывает ток силой 2,5 А. Если допустить, что генерация тока происходит равномерно, это будет означать, что каждый квадратный сантиметр поверхности фотоэлектрического элемента вырабатывает приблизительно 0,032 А. Так как область между двумя контактами имеет площадь 1 см², в этой области вырабатывается около 32 мА, которые контакты должны выдержать, после того как на них поступил ток такой силы. Как правило, ток будет поступать на контакты с обеих сторон, поэтому на каждый сантиметр контакта поступит около 16 дополнительных мА тока, при условии, что расстояние между ними, равное 0,5 см, останется неизменным.

Приблизительную величину потерь мощности в результате сопротивления, возникающего при последовательном соединении фотоэлементов, можно рассчитать, исходя из наихудшего значения сопротивления и суммарного тока, проходящего через это сопротивление, в результате чего имеем P=I²*R=0,4 мВт. Мощность, вырабатываемая в данной области при условии, что напряжение в точке максимальной мощности составляет приблизительно 0,55 В, составляет P=I*V=0,032*0,55=16,5 мВт. Таким образом, в рассмотренном нами наихудшем варианте, приблизительно 2,4% вырабатываемой мощности теряется в результате омического сопротивления солнечного элемента между местом, где эта мощность вырабатывается, и контактом. Так как большинству носителей заряда требуется преодолевать меньшее расстояние до контакта, в реальности величина сопротивления будет меньше, и суммарные потери мощности между основным материалом и контактом будут составлять менее 2 %.

Для определения потерь мощности в контактах необходимо определить сопротивление контакта. Объемное удельное сопротивление, ρ, алюминия составляет 2,7*10^-6 Ом-см. При условии, что мы имеем дело с контактом стандартной толщины и ширины, которые составляют 50 μм и 100 μм, соответственно, сопротивление на 1 см длины составит R=ρ/A=0,054 Ом/см. Следовательно, контакт длиной 2 см будет иметь сопротивление, равное 0,108 Ом.

Так как сила тока в контакте линейно увеличивается от 0 в начале до 32 мА на конце контакта, среднее значение тока в контакте составляет 16 мА. Однако, чтобы более точно выразить омические потери в контакте, величину потерь необходимо суммировать (проинтегрировать по длине контакта). Выбираем любую точку, х, на поверхности контакта, сила тока с этой точке составит I(x)=0,016x, а дифференциальное сопротивление этой части контакта составит 0,054dx Ом, так как сопротивление контакта составляет 0,054 Ом/см длины. Результат этих расчетов будет выглядеть следующим образом:

Это составляет лишь около 10 % от величины потерь мощности, происходящей с поверхности солнечного элемента. Следовательно, последовательное сопротивление по большей части является результатом поверхностного удельного сопротивления основного материала солнечного элемента. Однако, если толщина контакта составляет всего 5 μм , сопротивление увеличивается на порядок, и потери мощности становятся уже сопоставимыми с потерями на сопротивление в объеме. Эти расчеты демонстрируют метод, которым можно воспользоваться для определения оптимального расстояния между контактами к лицевой поверхности, а также размеров этих контактов с тем, чтобы минимизировать потери мощности и при этом обеспечить условия для максимального поглощения фотонов.

По мере возрастания силы тока в контактах, площадь поперечного сечения контакта тоже должна увеличиваться, чтобы контакт мог нести суммарный ток в допустимых пределах падения напряжения. Здесь можно провести аналогию с циркуляционной системой растений, листья которых содержат жилки, которые образуют в листе разветвленную систему и служат каналом для переноса питательных веществ.

Для изготовления контактов к лицевой поверхности можно использовать разные методы, такие как испарение в вакуумной камере или метод «шелкографии» при помощи пасты. Тонкие линии можно наносить при помощи фоторезиста (photoresist) как это делается при изготовлении миниатюрных электронных полупроводников.

Если контакт изготовлен из алюминия, для изготовления омического контакта к материалу n-типа контакт необходимо отжечь в течение приблизительно 5 минут при температуре около 450°С. Во избежание проникновения алюминия через переход в алюминий рекомендуется добавить некоторое количество кремния или методом испарения нанести очень тонкую (0,01μм) пленку из титана или хрома, которая будет препятствовать проникновению алюминия в переход.

Противоотражающее покрытие

После нанесения контактов к основному материалу, на фотоэлемент можно нанести противоотражающее покрытие, для чего обычно используют метод испарения, так как покрытие должно быть очень тонким. Толщина обычно четвертьволнового покрытия составляет около 0,15 μм. Такие покрытия обычно используются в линзах фотообъективов для увеличения пропускной способности света за счет снижения отражения и одновременно с этим увеличения пропускания света. Перечень стандартных покрытий приведен в Таблице 10.2. При условии, что длина волны фотона находится где-то в пределах четверти длины волны, можно добиться того, что коэффициент пропускания фотонов поверхностью солнечного элемента будет составлять более 90 %.

Так как противоотражающие покрытия улучшают пропускание только при одной длине волны, для улучшения улавливания всего спектра солнечного света часто применяются солнечные элементы с текстурированной поверхностью.

Солнечные Модули

После того как, солнечные элементы созданы необходимо объединить их в модули при помощи соединительных проводов и полосок из металлической фольги. Как правило, для подсоединения проводов к контактам используется ультразвуковая пайка. Далее, фотоэлементы помещают на основу модуля и герметизируют при помощи стекла или композитного материала. Герметизирующий материал должен соответствовать требованиям длительной эксплуатации в условиях ультрафиолетовой радиации и возможного негативного воздействия факторов окружающей среды. В зависимости от условий эксплуатации конкретного модуля, таких как песчаные бури, солевые туманы, кислотные дожди, град или иные неблагоприятные природные явления, герметизирующий материал должен быть выбран таким образом, чтобы свести к минимуму возникновение царапин, трещин, изменение цвета или появление любых других возможных повреждений. Используемые ранее герметизирующие материалы, например, этиленвинилацетат (EVA), имели тенденцию изменять цвет под воздействием ультрафиолетового излучения и высоких температур. Другие герметизирующие материалы имели тенденцию отслаиваться (расслаиваться) под воздействием тепловой нагрузки. У современных герметизирующих материалов, похоже, таких недостатков нет [7].

После укладки и герметизации солнечных элементов в модули они готовы к эксплуатации и могут вырабатывать электричество в течение продолжительного периода, как правило, на протяжении свыше 20-25 лет.