Последние успехи, достигнутые в области промышленного производства фотоэлектрических преобразователей

Последние успехи, достигнутые в области промышленного производства фотоэлектрических преобразователей.

, доктор технических наук

, инженер

Аннотация.

Рассмотрено современное  состояние различных технологий кремниевых кристаллических фотоэлектрических преобразователей (ФЭП).  Рассмотрены основные варианты конструкций ФЭП на основе кристаллического кремния, основные направления их совершенствования.  Приведены значения эффективности ФЭП, достигнутые в промышленном производстве и лабораторных условиях на сегодняшний день, и значения, которые планируется достичь в производстве к 2015 г.

Введение.

Фотоэлектричество в современном мире – это реальный, развивающийся быстрыми темпами сектор энергетического рынка.  Рост фотоэлектричества с 1996 года составляет 30-40 %/год, во многом благодаря субсидиям правительств на реализацию программ «солнечные  крыши» [1].

Предполагается, например, что к 2020 г. использование фотоэлектрических домашних систем превысит 6 GW. Чтобы обеспечить рост рынка цена на фотоэлектрические системы должна упасть до 3 $/Вт к 2010 году и еще на 50% к 2020 году [2].

Стандартная фотоэлектрическая система состоит из:

-  солнечного генератора, в состав которого входят солнечные модули;

-  накопителя энергии;

-  инвертора.

Основой солнечного модуля, определяющей его эффективность и стоимость, является фотоэлектрический преобразователь.

Типы ФЭП используемые в настоящее время в солнечных модулях, приведенные на рис. 1.

Рис.1 Типы ФЭП, применяемые в солнечных модулях.

 Обзор рынка, проведенный в 2002 году, свидетельствует, что 36 % всех продаж составили  солнечные модули на основе  монокристаллического кремния, 52 % - солнечные модули на основе  поликристаллического кремния, полученного резкой слитков кремния. Остальные 5 % солнечных модулей были изготовлены из элементов на поликристаллических кремниевых лентах и кремниевых листах, полученных по специально разработанным для фотоэлектричества технологиям [1].

Суммарно солнечные модули на основе кристаллического кремния  составили 93 % ежегодного производства фотоэлектричества в 2002 году. Большинство остающегося производства составили тонкопленочные  аморфные кремниевые элементы, включая сложные каскадные элементы. Меньше чем 1 % общего производства составили солнечные модули на основе тонкопленочных фотоэлектрических преобразователей, не содержащих кремний, такие как поликристаллические тонкопленочные элементы на основе  CdTe и CuInSe₂ (CIS).

На рис. 2 показана   выборка солнечных  модулей от различных производителей, выполненных из ФЭП на  кремниевых пластинах, ленте и листе. Как уже отмечалось ранее, такие модули составили 93 % производства в 2002 году. Эти модули имеют высокие показатели по надежности и долговечности, так как их аналоги  были  установлены в  системах более чем 20 лет назад и продолжают надежно работать до настоящего времени. Диаграмма отражает номинальную эффективность преобразования энергии при стандартных условиях испытания для различных  типов модулей. На вершине диаграммы показан вероятный диапазон эффективности для поставляемого изделия по оценке изготовителя. Наиболее продаваемые кремниевые модули имеют эффективность преобразования энергии (отношение электрической мощности к мощности солнечной радиации, поступающей  на общую  поверхность модуля) в диапазоне 10-15 %.

Модуль

Рис. 2. Обзор оптовых кристаллических кремниевых солнечных модулей.

Солнечные модули с эффективностью близкой к 15%, расположенные в правой части диаграммы, изготовлены  из ФЭП на основе  монокристаллического кремния, в середине диапазона расположены модули, изготовленные из ФЭП на основе поликристаллического кремния, левую часть  диаграммы занимают модули с ФЭП, изготовленными  на кремниевой ленте и листе.  

Рассмотрение современного состояния разработки и производства ФЭП на основе кристаллического кремния, анализ основных направлений совершенствования технологических процессов изготовления ФЭП и показателей эффективности является целью настоящего обзора.

Технологии производства ФЭП на основе c-Si. Целью всех исследований в области производства ФЭП является снижение стоимости фотоэлектричества, которое может быть получено за счет увеличения эффективности ФЭП, за счет снижения стоимости материалов (подложки, паст и т.д.) и технологии производства.  В свою очередь снижение стоимости подложки достигается при переходе от монокристаллического кремния к поликристаллическому и ленточному кремнию, без значительных потерь эффективности ФЭП. На сегодняшний день доля фотоэлектрических преобразователей из поликристаллического кремния составляет около 52% .

В производстве ФЭП из кристаллического кремния используются две промышленные технологии: технология трафаретной печати и технология скрытого контакта, получаемого лазерным скрайбированием канавок в подложке кремния. Причем, производство ФЭП по технологии скрытого контакта с лазерным скрайбированием канавок составляет 10 % от общего производства и дает положительные результаты только на монокристаллическом кремнии [3].

Структура элементов, полученных методом трафаретной печати и методом скрытого контакта, представлена на рис 2 и рис. 3.

AR-слой –anti reflection coating-просветляющий слой

p+BSF-back surface field- p+ поле на тыльной поверхности

Рис. 2 Структура элемента, полученного методом трафаретной печати

Рис. 3 Структура элемента, полученного методом скрытого контакта.