Глава 11 Фотоэлементы, применяемые в настоящее время, и опытные разработки.
11.1 Введение
В предыдущей главе мы рассмотрели базовые вопросы теории фотоэлектрических элементов безотносительно какой бы то ни было конкретной технологии их производства. В настоящей главе будет рассмотрен ряд процессов изготовления применяемых на современном этапе фотоэлементов, а также будет описаны принципы работы различных фотоэлементов, часть из которых уже нашли широкое применение, а другие пока являются опытными образцами в стадии разработки.
Исследование и практические разработки в сфере фотоэлектричества идут такими темпами, что к тому моменту, когда эта книга появится в продаже, многое из того, что написано в этой главе, будет уже не ново. Поэтому помимо ознакомления читателя с технологиями начала 21 века, данная глава преследует целью дать читателю знания необходимые для понимания современной литературы по данному вопросу. Многие источники информации по вопросу производства фотоэлектрических элементов приведены в перечне литературы к данной главе.
В общем случае, изготовление фотоэлектрического элемента начинается с обработки и очистки основного материла, используемого для его производства. После того как получен максимально чистый материал, необходимо изготовить p-n переход. В некоторых многослойных фотоэлементах создают более одного p-n перехода с использованием весьма примечательных способов изоляции. Фотоэлемент из монокристаллического кремния был важной вехой в истории развития фотоэлектричества. Будет ли он играть столь же важную роль в будущем солнечной энергетики зависит от того, удастся ли снизить затраты электроэнергии на производство кремниевых фотоэлементов. Именно о производстве и особенностях таких фотоэлементов пойдет речь в начале данной главы. В нашем повествовании о фотоэлементах из монокристаллического кремния, мы рассмотрим такие важные процессы, как рост и диффузия кристаллов. Эти базовые процессы во многих случаях могут применяться при производстве фотоэлементов и других типов. Важные достижения в области технологии производства элементов из кристаллического кремния связаны с созданием тонкопленочного кремниевого элемента, которому также будет уделено внимание на страницах данной главы.
Наверное, наиболее обещающими являются фотоэлементы, изготовленные из тонкой пленки. Некоторые материалы имеют прямые переходы с энергией близкой к энергии в верхней части солнечного спектра, они обладают довольно высоким коэффициентом поглощения, и при этом в них можно изготовить p-n переходы. Такие пленки не являются монокристаллическими, поэтому у них есть определенные ограничения в части подвижности носителей заряда и, как следствие, производительности устройств из них изготовленных. Тем не менее, несмотря на то, что по строению они не являются монокристаллическими, в лабораторных условиях они показали КПД преобразования более 20 % [1].
Преимущество тонких пленок состоит в том, что для нанесение пленки толщиной 1–2 μм требуется очень незначительное количество материала. На Рис. 11.1 показана зависимость между плотностью потока фотонов и оптической длиной пути для материалов наиболее часто используемых для изготовления тонкой пленки. Обратите внимание на то, что при толщине материала в диапазоне от 1 до 2 μм у всех материалов плотность потока фотонов приближается к состоянию насыщения, в то время как кристаллический кремний для полного поглощения фотонов должен иметь значительно большую толщину. В настоящее время пристальное внимание уделяется фотоэлементам из тонкой пленки на основе таких материалов, как аморфный кремний (a-Si), соединение меди, индия, (галлия) и диселенида (CIGS), и теллурид кадмия (CdTe). На момент написания этого пособия фотоэлектрические модули на основе аморфного кремния и фотоэлементы из диселенида меди, индия, (галлия) уже выпускаются в промышленных объемах, а модули из теллурида кадмия проходят широкомасштабные испытания перед запуском в производство. Для изготовления фотоэлементов с высокими эксплуатационными характеристиками уже используется арсенид галлия, проводятся эксперименты по использованию данного материала и для производства тонкой пленки.
Вопрос наличия соответствующего материала для изготовления фотоэлементов становится актуальным в том случае, если рассматривается возможность широкомасштабного использования той или иной технологии для получения фотоэлектрической энергии. При анализе возможностей применения той или иной технологии во внимание принимаются такие факторы, как доступность материалов, используемых для производства фотоэлементов, их добыча/получение, обработка и очистка. Из всех материалов, используемых для производства тонкой пленки, наличие индия может в будущем стать узким местом при производстве фотоэлементов типа CIS (из диселенида меди и индия), однако запасов индия достаточно для производства фотоэлементов суммарной мощностью до 200 ГВт. С учетом годовых объемов добычи индия, суммарная мощность выпускаемых фотоэлементов из диселенида меди и индия будет составлять не более 4 ГВт в год. Для сравнения, в 2001 г. суммарная мощность всех существующих в мире электростанций составляла ≈ 3365 ГВт [3]. Другие материалы, пригодные для изготовления тонкой пленки, хотя и являются редкими, имеются в количестве достаточном для того, чтобы их можно было использовать для производства фотоэлементов в промышленном масштабе с приемлемым уровнем затрат, при условии, что имеющиеся недоработки в технологии производства, из-за которых пока не удается улучшить эксплуатационные характеристики фотоэлементов, будут преодолены.
Рисунок 11.1 График зависимости плотности потока фотонов от оптической длины пути для материалов, используемых для изготовления тонкой пленки, и кристаллического кремния, в стандартных условиях испытания [2].
