Страница 4 из 7
Неоднородность структуры достигается несколькими путями. Первый способ–легирование полупроводника различными примесями, вследствие чего образуются несколько p-n переходов. Второй способ–соединение разных полупроводников, которые имеют разную ширину запрещенной зоны, т.е. энергию отрыва из атома электрона. При этом создаются гетеропереходы.
Третий способ – изменения химического состава полупроводника, что приводит к созданию градиента ширины запрещенной зоны, варизонных структур иначе.
Более того возможны комбинации перечисленных выше способов, что позволяет добиться большей эффективности преобразователя, которая зависит от электрофизических характеристик полупроводниковой структуры и оптических свойств преобразователя. Важным фактором, определяющим оптические свойства, является фотопроводимость, которая обуславливается явлением внутреннего фотоэффекта, возникающего при облучении полупроводника солнечным светом. Руководствуясь этими физическими свойствами на заводах изготавливают солнечные батареи, которые используются во многих отраслях промышленности.
Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом. Среди фотоэлектрических установок условно выделяют несколько типов по применяемому в производстве материалу (в порядке уменьшения КПД): арсенид галлия, монокристаллический кремний, поликристаллический кремний, аморфный кремний, CIGS – медь, индий, галлий и селен [2].
Сегодня можно говорить о трех поколениях фотоэлектрических элементов. К первому поколению, кристаллическому, относят монокристаллические кремниевые ФЭП, поликристаллические кремниевые и технологии выращивания тонкостенных заготовок. Второе поколение, тонкоплёночное, позволяет получать электроэнергию используя кремниевые фотоэлементы – аморфные, микрокристаллические, нано кристаллические, CSG (crystalline silicon on glass), фотоэлементы на основе теллурида кадмия (CdTe) и на основе селенида меди-индия-(галлия) (CI(G)S). ФЭП третьего поколения – элементы, фотосенсибилизованные краситилем (dye-sensitized solar cell, DSC), органические (полимерные) ФЭП (OPV), неорганические ФЭП (CTZSS) и ФЭП на основе каскадных структур.
В настоящее время основным материалом для производства солнечных элементов является достаточно распространенный химический элемент – кремний (Si), составляющий почти четвертую часть массы земной коры. Однако встречается он в природе в связанном виде (SiO2). Технология извлечения чистого кремния сложна и дорога. Основные трудности в производстве чистого кремния связаны, прежде всего, с несовершенством технологий извлечения и очистки, до сих пор остающимися на уровне 50-х годов 20-го века. Так называемый, «грязный» кремний (содержащий более 1 процента примесей) добывается электродуговым методом. Так, из тонны кварцевого песка, содержащего около 500 кг кремния, при применении действующих сегодня технологий электродугового извлечения и хлорсилановой очистки, получается от 50 до 90 кг «солнечного» кремния. Уже давно существуют более прогрессивные технологии, например, карботермический цикл, применяемый для получения чистого кремния немецкой фирмой Siemens. В результате применения этой технологии энергозатраты снижаются на порядок и в 10–15 раз увеличивается производительность, что приводит к уменьшению стоимости конечного продукта до 5–15 долларов за 1 килограмм.
В стоимости кремниевых солнечных модулей не менее 20 % составляют расходы на исходный материал – поликристаллического Si. Однако вследствие напряженности с поставками сырья производители ФЭП разрабатывают альтернативное кремниевое сырье. Для удешевления солнечных элементов необходимо либо снизить цену исходного материала, либо уменьшить расход Si при изготовлении солнечных элементов. Последний вариант реализуется в области разработки тонкопленочных солнечных элементов на основе аморфного Si.
Производство чистого кремния трудоемко и связано со сложными технологическими процессами с участием больших количеств хлора и хлор водорода, ректификации трихлорсилана и восстановления кремния водородом.
В настоящее время проводятся интенсивные разработки новых технологий производства Si, пригодного для изготовления солнечных элементов с высоким КПД. Можно выделить несколько основных направлений разработки методов.
1. Пиролиз летучих соединений кремния. Высокочистый кремний получают моно-, ди-, три-, тетрахлорсилановым, методом алкоксисилановой технологии, дигалогенидным способом.
2.«Сименс»-процесс – один из основных промышленных способов получения материала для ФЭП, предложенный фирмой «Siemens A. G.» и включающий в себя очистку Si путем перевода его в трихлорсилан с последующим водородным восстановлением с получением поликристаллического кремния.
3. Высокочистый кремний можно получать путем его восстановления из тетра хлорида активным металлом (данный способ относится к одним из первых для получения кремния высокой чистоты). Способ основан на восстановлении чистого кремния с помощью активного металла при использовании в качестве исходного материала SiCl4 (в качестве восстановителя используют Zn).
Однако предлагаемые технологии имеют ряд недостатков, поэтому развитие данного направления идет незначительными темпами.
4.Метод получения материала для создания дешевых солнечных батарей – гидрогенизированные аморфные пленки кремния (Si:H), которые представляют собой сплав кремния с водородом, содержание последнего составляет 10–35 %.
5. Карботермический способ получения кремня для ФЭП.
6.Экстрагирование кремния из сплава. Этот способ представляет собой разделительное экстрагирование кремния из алюмокремниевого расплава. Он основан на том, что при охлаждении расплава первой выделяемой кристаллической фазой является высокочистый кремний. Более усовершенствованный метод предполагает использование в качестве анода сплава Cu-Si, а в качестве электролита – водный раствор H2SO4. После электролитического извлечения меди из оставшегося шлама выделялся чистый кремний (чистотой порядка 99,999–99,9999 %).
7. Выращивание чистых кристаллов кремния из расплава. Для очистки полупроводниковых материалов в технологии солнечных преобразователей используется метод перекристаллизации. Применение метода нормальной направленной кристаллизации из расплава позволяет совмещать в одном технологическом цикле сразу три операции: очистку материала, легирование и выращивание из него мульти-, монокристалла .
Исследования проводятся с целью заменить (или снизить стоимость единицы выпускаемой продукции) сложную и недешевую промышленную трихлорсилановую технологию более простой и недорогой, но достаточно эффективной технологией очистки для получения кремния «солнечного» качества. Для этого предлагаются процессы очистки не в газовой, а конденсированной фазе.
Повышение КПД ФЭП – основная задача ученых, занятых проблемами солнечной энергетики. Будущее солнечной энергетики в настоящее время видится в развитии нано технологий, как наиболее прогрессивных и революционных областей современной науки. Развитие технологий солнечной энергетики происходит по пути совершенствования материала слоев полупроводников. Наибольшие перспективы, открывающие качественно новый уровень в создании солнечных элементов, имеют в настоящее время аморфный и микрокристаллический кремний, из которых возможно выращивать пленки, толщиной всего несколько нанометров. Фотогальванический элемент, представляющий из себя две такие пленки, осажденные одна на другую на стеклянной поверхности, обладает высокой электропроводимостью и пригоден для длительного применения. Тем не менее практического применения эти элементы до сих пор не получили, поскольку технология, позволяющая массово выпускать такие элементы еще не создана
Тонкопленочные фотоэлементы представляющие собой тонкую пластину из стекла с нанесенными слоями полупроводников либо фольгу, можно размещать на поверхности любой конфигурации, наносить на ткани, даже использовать вместо жалюзи. Коренным образом изменилась и технология нанесения слоев полупроводника. Ранее нанесение осуществлялось путем вакуумного напыления, в настоящее же время разработана инновационная технология – печатание специальными чернилами, содержащими смесь полупроводниковых нано частиц. Применение новой технологии и увеличение объемов производства привели к значительному удешевлению солнечной электроэнергии.