11.2.3 Фотоэлементы из поликристаллического кремния

К данному разделу уже должно быть совершенно очевидно, что производство солнечных элементов из монокристаллического кремния является очень энергоемким. Большие энергозатраты на производство пластин также включают в себя значительные потери электроэнергии, так как часть монокристаллического кремния просто теряется при распиливании кристаллов на пластины. Непроизводительные потери кремния происходят и на этапе придания круглым пластинам формы приближенной к квадрату, что делается для того, чтобы добиться более полного заполнения поверхности модуля солнечными элементами. В связи с этим возникает вопрос, а нельзя ли придумать способ, позволяющий выращивать монокристаллические пластины, или найти такое компромиссное решение, которое позволило бы промышленным способом производить пластины с характеристиками подобными тем, которыми обладает монокристаллический материал. К настоящему моменту, было исследовано и предложено, по крайней мере, три метода производства фотоэлектрических элементов из поликристаллического кремния, в частности, выращивание кремния в тигле, выращивание профилированных лент через фильеру (EFG) и ≈ метод ленточной протяжки (???).

В соответствии с одним из подходов, расплавленный кремний заливают в плавильный тигель и охлаждают при определенной скорости. В результате, получают не монокристаллический материал, так как затравочный кристалл не используется, а поликристаллический кремний с квадратным поперечным сечением, который очень близок по характеристикам к материалу из монокристаллического кремния, характеристики которого считаются оптимальными, что обеспечивает достижение КПД порядка 15%. При этом необходимость распиливать слиток на пластины не отпадает, однако получаемые пластины имеют квадратную форму и дальнейшее изменение формы механическим путем, как то требуется в случае с круглыми слитками, не применяется. Этот метод позволяет увеличить объем производства пластин в расчете на килограмм сырья за счет снижения количества потерь в результате распила.

Следующим методом получения поликристаллического кремния является метод выращивания профилированных лент через фильеру (EFG) [8]. Этот метод заключается в протягивании восьмигранной трубки длиной 6 м с толщиной стенки 330м сквозь кремниевый расплав. После этого полученный восьмигранник разрезают вдоль стыков граней на отдельные фотоэлементы. По имеющимся данным, КПД таких солнечных элементов может достигать 14 % [19].

Третий метод получения солнечных элементов из поликристаллического кремния состоит в протягивании кремниевой, или дендритной, ленты сквозь расплав. Сложность в использовании этого метода заключается в регулировании ширины ленты. Для этих целей используются струны из высокотемпературных материалов, которые ограничивают ширину ленты. После присоединения затравочного кристалла, струны в присутствии аргона протягивают через тигель с расплавом кремния, что позволяет четко определить параметры кристаллической структуры ленты. Диэлектрики, из которых изготавливают струны, имеют коэффициент теплового расширения близкий к соответствующему коэффициенту у кремния, поэтому в процессе охлаждения струны никоим образом не влияют на процесс кристаллизации кремния. КПД солнечного элемента, изготовленного при помощи такого способа, в условиях лабораторных испытаний составляет 16,2%, для элемента площадью 80 см² КПД составил 15, 4% [10].

В принципе, процессы, применяемые при производстве поликристаллических пластин ничем не отличаются от тех, что применяются при производстве их монокристаллических аналогов. Отличительной особенность модулей с использованием поликристаллических фотоэлементов является то, что они полностью закрывают поверхность модуля, при этом фотоэлементы имеют крапчатый/пятнистый внешний вид, что является результатом изменения кристаллической структуры материала. Так как поликристаллические фотоэлементы сохраняют основные кристаллические свойства, вследствие того, что ширина запрещенной зоны непрямого перехода составляет 1,1 эВ, фотоэлементы должны иметь большую толщину и текстурированную поверхность для обеспечения наиболее эффективного захвата фотонов, как и в случае с монокристаллическими фотоэлементами.

Так как в настоящее время поликристаллические элементы уже выпускаются в промышленных масштабах, вполне резонно предположить, что в будущем по мере проведения исследований и внедрения разработок показатели эффективности таких фотоэлементов будут расти, а себестоимость производства в расчете на 1 Вт электроэнергии – снижаться.