Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка фотоэлектрических преобразователей на основе кристаллического кремния с конкурентными на мировом рынке энергетическими и экономическими показателями

Докладчик: Крюков Юрий Алексеевич

Должность: и. о. проректора по информатизации и инновационной деятельности университета «Дубна»

Цель проекта:
Целью проекта является повышение технико-экономических показателей в солнечной электроэнергетике путем повышения КПД преобразования солнечной энергии в электрическую на уровне ФЭП, а также повышение в целом эффективности фотоэлектрических станций промышленного назначения путем разработки, создания конструкции и технологии производства нового оборудования для фотоэлектрических станций, работающих в климатических условиях Российской Федерации.

Основные планируемые результаты проекта:
На основе анализа научно-технической литературы по современному состоянию разработок перспективных конструкций и технологий изготовления фотоэлектрических преобразователей на основе монокристаллического кремния идентифицированы КТР Si-ФЭП, которые позволяют в условиях массового производства получать приборные структуры с эффективностью более 20%. Однако, реализация таких КРТ требует коренной перестройки и резкого роста технического уровня предприятий электронного профиля России, занимающихся промышленным выпуском ФЭП на основе кристаллического кремния, путем использования нового дорогостоящего наукоемкого оборудования, не имеющего отечественных аналогов. В тоже время показано, что перспективным технико-экономичным подходом для увеличения КПД Si-ФЭП путем переброса энергии фотонов из ультрафиолетовой части солнечного спектра в область активной фоточувствительности кристаллического кремния является использование люминесцентных покрытий, которые могут быть сформированы в рамках адаптированных к широкомасштабному тиражированию химических технологий. При этом наряду с традиционными органическими люминесцентными покрытиями, перспективно использование получаемых золь-гель технологией коллоидных квантовых точек с нулевым «самопоглощением». Установлено, что путем использования поверхностных плазмон-поляритонных волн, возбуждаемых плазмонными покрытиями при их облучении светом, можно интенсифицировать фотоэлектрические процессы в Si-ФЭП за счет концентрации энергии падающего излучения и генерации неравновесных носителей заряда (ННЗ) вблизи области их эффективного разделения. Показано, что увеличение эффективности Si-ФЭП может быть реализовано за счет увеличения времени жизни ННЗ при обработке приборных структур в стационарном магнитном поле. Это позволяет использовать в конструкции высокоэффективных ФЭП кремниевые пластины монокристаллического кремния с ограниченным исходным временем жизни ННЗ.
Для физически обоснованной оптимизации конструктивно-технологических решений Si-ФЭП разработан и апробирован на модельных объектах физических подход, заключающейся в математическом моделировании количественного влияния каждой из экспериментальных определенной световой диодной характеристики на величину КПД. Это позволяет выделить диапазоны значений технологического параметра КТР, в котором доминирующее влияние на изменение КПД оказывает одна и (или) несколько световых диодных характеристик. Предполагая возможные физические механизмы влияния кристаллической и энергетической структуры базового и сопрягающихся слоев ФЭП на световые диодные характеристики, далее проводятся экспериментальные исследования по определению спектральной зависимости времени жизни ННЗ, спектральной зависимости коэффициента собирания ННЗ. Эти базовые исследования до-полняются либо соответствующими оптическими (спектральные зависимости пропускания и отражения, спектры фотолюминесценции) и (или) электрофизическими исследованиями (темновые вольт-амперные характеристики, световые и темновые вольт-фарадные характеристики и т.п.).
Путем теоретического анализа температуры приборной структуры в зависимости от температуры окружающей среды и концентрации солнечного излучения были исследованы тепловые процессы в фотоэлектрических преобразователях на основе монокристаллического кремния. Теоретический анализ был дополнен экспериментальными исследованиями на модельных объектах влияния рабочей температуры Si-ФЭП на его КПД, выходные параметры, световые и темновые диодные характеристики. Это позволило идентифицировать доминирующее влияние зафиксированного снижения шунтирующего сопротивления и роста плотности диодного тока насыщения на наблюдаемое экспериментально уменьшение КПД при увеличении рабочей температуры.
Путем компьютерного моделирования влияния типа точечных дефектов и их концентрации на величину времени жизни неосновных носителей заряда в монокри-сталлическом кремнии проведены исследования и анализ характеристик материалов для создания фотоэлектрических преобразователей на основе кремния. Показано, что при фиксированной концентрации примеси внутри базового кристалла наибольшее влияние на увеличение времени ННЗ оказывает перестройка точечных дефектов представляющих межузельные атомы титана Tiі и цинка Znі в их комплексы Tii-Tii й Zni-Zni, а так же дефектных комплексов с бивакансиями кремния и тривакансиями ванадия (V2, V2-Oi, V3) в дефектные комплексы с его моновакансиями (V-P і V-2As). Это принципиально позволяет за счет перестройки дефектной структуры кристалла, без уменьшения концентрации дефектов, увеличивать время жизни ННЗ, что, в свою очередь, обуславливает рост КПД Si-ФЭП.
Были проведены исследования и анализ процессов преобразования постоянного напряжения с фотоэлектрического преобразователя в постоянное напряжение звена постоянного тока
В работе в качестве исходных приборных структур выбраны Si-ФЭП китайского производства. Это обусловлено тем, что за счет резкого увеличения инвестиций в развитие производства ведущие китайские производители снизили цену за 1 Ватт пиковой мощности фотоэлектрических модулей до 0,42$ при КПД ФЭП свыше 18%. На большинстве отечественных промышленных предприятий, занимающихся выпуском фотоэлектрических модулей в качестве исходных приборных структур применяются Si-ФЭП китайского производства. Поскольку в себестоимости фотоэлектрического модуля 70% составляют расходы на ФЭП, то такой подход является экономически обоснованным. Необходимо также отметить, что такой подход отражает сложившиеся мировые тенденции, поскольку и большинство зарубежных фирм при создании фотоэлектрических модулей используют ФЭП китайского производства.
Предлагаемый нами подход для увеличения технико-экономических показателей ФЭП является инновационным, по сравнению со сложившимися тенденциями, поскольку за счет применения люминесцентных, плазмонных покрытий и обработки в магнитном поле планируется достичь КПД Si-ФЭП выше 20%, а себестоимость 1 Ватт пиковой мощности – снизить на 10%, что позволит снизить себестоимость вырабатываемой фотоэлектрическим модулей электрической мощности до 20 руб./Вт (пик) и тем самым реализовать ключевую цель проекта, заключающуюся в создании конкурентоспособной на внешнем и внутреннем рынке фотоэлектрической станции.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Полученные результаты позволят разработать усовершенствованную конструкцию и создать научные основы технологии ФЭП на основе кристаллического кремния с КПД более 20 %, в которых интенсификация фотоэлектрических процессов осуществлена за счет нанесения люминесцентных, плазмонных покрытий на промышленные образцы Si-ФЭП китайского производства с последующей обработкой образца в магнитном поле.
Такие ФЭП способны обеспечить создание на их основе фотоэлектрических модулей с эффективностью 18% при снижении себестоимости до 20 руб./Вт (пик). Такие фотоэлектрические модули соответствуют лучшим зарубежным образцам и могут занять устойчивый сегмент рынка, как в нашей стране, так и за рубежом. Кроме того, на их основе могут быть созданы экономичные фотоэлектрические станции, которые по экономическим показателям существенно превосходят широко применяющиеся в настоящее время дизельные генераторы для автономного электроснабжения. Кроме того, в отличие от них, не загрязняют окружающую среду. Такие фотоэлектрические станции могут найти широкое применение для энергоснабжения населенных пунктов отдаленных от системы централизованного электроснабжения, для горных районов и в качестве резервных источников электроснабжения. Такие фотоэлектрические станции незаменимы для электроснабжения в чрезвычайных ситуациях. Они могут стать автономными источниками электроснабжения лагерей беженцев, полевых госпиталей, подразделений МЧС и Минобороны.
Разработанные КРТ по увеличению КПД образцы Si-ФЭП китайского производства могут послужить основой развития международного сотрудничества с ведущими китайскими производителями таких приборных структур, что в свою очередь может дать инвестиции по созданию промышленного предприятия по производству фотоэлектрических станций для различного применения.
Широкое внедрение фотоэлектрических станций позволит уменьшить негативное техногенное воздействие на окружающую среду тепловых электростанций. Действительно, интенсивное использование тепловых электростанций привело к увеличению выбросов в атмосферу углекислого газа. Углекислый газ задерживает инфракрасное излучение нашей планеты, нарушая тем самым тепловое равновесие между Землей и окружающим космическим пространством. Это уже обусловило повышение средней температуры Земли и таяние льдов в Арктике и Антарктике. Если этот процесс не будет остановлен, то полное таяние этих льдов приведет к подъему уровня мирового океана на 80-90 метров и планетарной катастрофе. Кроме того, каждый киловатт мощности тепловой электростанции за один год вырабатывает также в качестве побочных продуктов в среднем 2,4 т золы и 30 кг окиси серы, что увеличивает риск онкологических и сердечно сосудистых заболеваний среди населения, проживающего вблизи тепловой электростанции. Использование фотоэлектрических станций в местах удаленных от централизованного электроснабжения, позволит существенно повысить качество жизни людей. Создание промышленных предприятий, осуществляющих выпуск фотоэлектрических станций позволит создать новые рабочие места и увеличить налоговые поступления в государственный бюджет.

Текущие результаты проекта:
Проведен анализ научно-технической литературы по современному состоянию разработок перспективных конструкций и технологий изготовления фотоэлектрических преобразователей на основе монокристаллического кремния, идентифицированы КТР Si-ФЭП, которые позволяют в условиях массового производства получать приборные структуры с эффективностью более 20%.
Для физически обоснованной оптимизации конструктивно-технологических решений Si-ФЭП разработан и апробирован на модельных объектах физических подход, заключающейся в математическом моделировании количественного влияния каждой из экспериментальных определенной световой диодной характеристики на величину КПД.
Были проведены патентные исследования.
Путем теоретического анализа температуры приборной структуры в зависимости от температуры окружающей среды и концентрации солнечного излучения были исследованы тепловые процессы в фотоэлектрических преобразователях на основе монокристаллического кремния. Теоретический анализ был дополнен экспериментальными исследованиями на модельных объектах.
Путем компьютерного моделирования влияния типа точечных дефектов и их концентрации на величину времени жизни неосновных носителей заряда в монокристаллическом кремнии проведены исследования и анализ характеристик материалов для создания фотоэлектрических преобразователей на основе кремния.
Были проведены исследования и анализ процессов преобразования постоянного напряжения с фотоэлектрического преобразователя в постоянное напряжение звена постоянного тока.