Этапы и перспективы развития фотоэлектрической гелиоэнергетики

2 Этапы и перспективы развития фотоэлектрической гелиоэнергетики

Впервые фотовольтаический эффект наблюдался в электролитической ячейке Эдмондом Беккерелем в 1839 г. Он заметил, что платиновый электрод, покрытый серебром и погруженный в электролит, под действием света производит электрический ток. Сорок лет спустя, в 1876 г. Уильям Адамс и Ричард Дей провели первые эксперименты с твердотельными фотоэлектрическими элементами [8].

Более полувека понадобилось для того, что бы появились первые фотоэлектрические преобразователи с эффективностью чуть более 1%. Ими стали разработанные в 1930-е годы в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе серно-талливые фотопреобразователи с запорным слоем. Исследования выполнялись под руководством академика А.Ф. Иоффе, который уже в то время впервые внес на рассмотрение правительства СССР программу энергетического использования солнечных фотоэлектрических крыш. Однако для старта фотоэлектрической энергетики требовалась существенно большая эффективность. О первом кремниевом фотопреобразователе сообщали в 1954 американские исследователи Д. Чапин, К. Фуллер, Дж. Пирсон, научные сотрудники лаборатории фирмы «Белл». Его КПД составлял около 6%, а стоимость производимой энергии приблизительно 200 $ за Ватт. Столь высокая стоимость не позволяла использовать данные фотоэлементы для производства электроэнергии в наземных условиях. Практическое использование фотопреобразователей началось в космонавтике, где стоимость фотоэлементов была менее важной по сравнению с надежностью и небольшим весом. В 1958 г. были запущены искусственные спутники Земли, впервые оснащенные солнечными батареями — советский „Спутник-3" и американский "Авангард-1".

После столь успешных экспериментов по космическому использованию фотоэлектрических СБ, интерес к фотопреобразователям возрос. Началось бурное развитие научных и прикладных исследований, направленных на повышение эффективности работы, обеспечение серийного производства и снижение стоимости таких приборов.

Первым шагом на пути модернизации ФЭП было совершенствование технологических методов формирования их структуры и применение фронтальной контактной системы в виде металлической гребенки. Это позволило уже в начале 60-х годов прошлого столетия повысить КПД кремниевых ФЭП с p-n переходом до 14 %. Преимущественно с этого времени в качестве подложки для фотопреобразователей используют кремниевые пластины с дырочной проводимостью. В это же время были созданы и первые фотопреобразователи на основе GaAs. Арсенид – галлиевые ФЭП способны работать при значительном нагреве и обладают большей радиационной стойкостью. Примером масштабного использования солнечных батарей на основе AlGaAs/GaAs явилось оснащение ими в 1986 г. советской орбитальной станции „Мир" [9].

В первой половине 70-х годов прошлого столетия началась существенная модернизация структуры ФЭП. Во-первых, было установлено, что использование тыльного контакта, созданного термовакуумным напылением алюминия с последующим отжигом в атмосфере водорода, приводит к значительному увеличению выходного тока и напряжения за счет возникновения вблизи тыльного контакта ФЭП сильно легированной алюминием p⁺-области.

Вторым важным достижение технологии производства ФЭП стало использование хорошо отработанных в микроэлектронике методов фотолитографии для формирования верхнего контакта. Это позволило произвести некоторое усовершенствование фронтальной контактной гребенки. Теперь полосы контактной гребенки могли быть расположены ближе друг к другу при одновременном уменьшении их ширины и повышении толщины. Это позволило не только минимизировать затенение фронтальной поверхности, но и использовать верхний диффузионный слой со сниженной концентрацией легирующей примеси и существенно уменьшить его толщину, поскольку связанное с этим увеличение слоевого сопротивления легированного слоя не было преградой для эффективного сбора фотогенерированных носителей.

В-третьих, была применена технология анизотропного травления для текстурирования (100)-ориентированной поверхности ФЭП в виде хаотически расположенных четырехгранных пирамид (рисунок 2.1). Свет, падающий на такую текстурированную поверхность, попадает на боковую сторону одной из пирамид, частично проходит в нее под определенным углом, отражается на боковую сторону другой пирамиды, которую также частично проходит. Благодаря такому характеру поглощения, коэффициент оптического отражения от поверхности ФЭП уменьшился с 35% для плоской поверхности до 20% для текстурированной., что приводит к увеличению фототока. Вышеперечисленные модернизации структуры ФЭП привели к тому, что КПД монокристаллических кремниевых ФЭП, освещенных заатмосферным солнечным излучением (режим облучения АМ0), возрос с 10-12 % в 1958 году до 15-17 % к 1982 году, а стоимость одного ватта вырабатываемой ими пиковой мощности снизилась до 10 долларов США.

Дальнейшее повышение выходных характеристик кремниевых ФЭП было достигнуто за счет улучшенной пассивации неконтактирующей части фронтальной поверхности и уменьшения активности поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-металл контактной гребенки. В качестве пассивирующего покрытия для неконтактирующей площади фронтальной поверхности ФЭП использовался термически выращенный окисел кремния. Фотопреобразователи, которые использовали высококачественную эмиттерную пассивацию и уменьшение площади контакта к поверхности рабочей области полупроводника, получили название PESC (Passivated Emitter Solar Cell – ФЭП с пассивированным эмиттером). Структура ФЭП с PESC показана на рисунке 2.2а. Ослабление влияния поверхностной рекомбинации на эффективность сбора фотогенерированных носителей в структуре PESC позволило более полно использовать преимущества высококачественных выходных подложек, что было практически невозможно для предыдущих конструкций ФЭП. КПД таких ФЭП на основе высококачественных кремниевых подложек, полученных при помощи метода зонной плавки, превысил в 1985 году значение 20%. Однако стоимость таких ФЭП значительно возросла и приблизилась к стоимости ФЭП на основе GaAs [8].

Дальнейшее развитие структуры кремниевых ФЭП с p-n переходом было связано с использованием окислительной пассивации – как для фронтальной, так и для тыльной поверхности фотопреобразователя. Уделялось внимание исследованиям, направленным на замену токособирающих систем с большой контактной площадью точечными контактами. Первой успешной конструкцией ФЭП такого типа был “тыльно-контактный” ФЭП. Создание локальных эмиттерных n⁺-областей на тыльной поверхности ФЭП предоставило возможности освободить фронтальную поверхность от контактной гребенки и избежать оптических потерь, связанных с затенением. Вся площадь тыльной и фронтальной поверхностей, не контактирующая с гребенчатыми электродами, покрывалась тонким оксидным слоем. Двухсторонняя пассивация способствовала минимизации потерь фотогенерированной мощности, которые имели место в предыдущих структурах ФЭП из-за рекомбинации фотогенерированных носителей через поверхностные состояния. Также размещение обеих контактных гребенок на одной стороне ФЭП позволило выполнять их достаточно широкими, минимизируя тем самым потери фототока в контактной системе и обеспечивая возможность работы при больших токах. Упростилась и повысилась надежность их электрической коммутации при объединении в солнечные модули. Однако, для эффективной работы ФЭП с “тыльно-контактной” структурой, выходные кремниевые подложки должны обладать высоким структурным совершенством, чтобы обеспечивать необходимые значения диффузионной длины носителей заряда. При соблюдении этих требований в 1988 году для таких ФЭП был достигнут КПД 22,3 % [4].

В 1989 году был предложен принципиально другой способ уменьшения оптических потерь, обусловленных затенением рабочей поверхности фронтальной контактной гребенкой. В предложенной структуре ФЭП, получившей название “лазерно-структурированный ФЭП с утопленным контактом”, полосы контактной гребенки сформированы очень узкими и расположены в глубоких канавках, созданных в кремниевой подложке лазерным скрайбированием (рисунок 2.2б). Кроме минимизации потерь на отражении от контактной гребенки такая контактная система способствует уменьшению последовательного уменьшению последовательного сопротивления структуры ФЭП. Это позволяет снизить уровень легирования фронтального диффузионного слоя и тем самым достичь уменьшения потерь фототока и выходного напряжения, связанных с влиянием объемной рекомбинации и тока насыщения. В данной структуре ФЭП текстурирование подвергалась как фронтальная, так и тыльная поверхности кремниевой подложки. Тыльное текстурирование было предназначено для захвата и удержания длинноволновых квантов света, которые не могут поглотиться в структуре ФЭП при однократном прохождении сквозь нее. Достигнутое таким образом увеличение оптического пути нискоэнергетический фотонов приводит к их полному поглощению, способствуя расширению рабочего спектрального диапазона ФЭП в ближнюю инфракрасную область спектра  [10].

Таким образом, предпринятые усилия по улучшению качества базового материала и предложенные усложненные структуры фотоэлементов на основе кремния, позволили снизить в них оптические и рекомбинационные потери. Реализация таких структур оказалась возможной благодаря применению многостадийных технологических приемов, хорошо отработанных к этому времени при изготовлении кремниевых интегральных схем. Результатом этих усилий стал резкий скачок в эффективности фотоэлектрического преобразования кремниевых фотоэлементов. Но в тоже время стоимость “высокоэфективных” ФЭП возросла. Поэтому дальнейшее совершенствование фотопреобразователей связано не только с поиском путей повышения эффективности ФЭП, но и способами упрощения и автоматизации технологий их серийного производства, которые бы снижали их себестоимость, а значит способствовали экономически выгодному повсеместному внедрению и использованию их в наземных условиях, а не только в космическом пространстве.