Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Докладчик: Теруков Евгений Иванович

Должность: зав.лабораторией

Цель проекта:
Разработать научную основу технологии и конструкцию фотоэлектрических гетероструктурных преобразователя (ФЭГП) на основе кристаллического и аморфного кремния для солнечных элементов и модулей с технико-экономическими характеристиками, обеспечивающими конкурентные преимущества на российском и мировом рынках по эффективности (не менее 20 %) и стоимости удельной мощности (не более 20 руб/Вт). Достигнуть высокая эффективность путем использования запатентованных технологий пассивации интерфейсов и плазмохимического осаждения аморфных слоев, а низкая стоимость – удешевлением технологии, использования промышленного оборудования и возможным обьемом производства солнечных модулей (до 1 ГВт в год) в условиях завода Новочебоксарска.

Основные планируемые результаты проекта:
• Разработка теоретической модели солнечных элементов на основе a-Si:H/c-Si гетероструктур;
Будут разработаны различные варианты конструкции гетеропереходных ФЭГП. С использованием современных методов математического моделирования будут проведены расчеты основных функциональных параметров и выбраны оптимальные варианты конструкции. Будут проведены расчетно-аналитические исследования в обоснование применения промежуточных функциональных слоев и их состава (пассивирующих, просветляющих, отражающих).
• Разработка технологии формирования текстурированной поверхности c-Si;
Перед формированием слоев необходимо провести обработку поверхности исходной кремниевой пластины для того, чтобы убрать дефекты структуры, внесенные при распиле слитка на пластины и увеличить поглощение фотонов материалом. Данный технологический передел широко используется в классических кристаллических ФЭГП, однако в рамках проекта необходима его адаптация с учетом того, что поверх текстурированной поверхности будут нанесены еще несколько функциональных слоев из различных материалов. Граница раздела при этом недолжна оказывать серьезного негативного влияния на свойства элемента в целом. В рамках оптимизации технологии текстурирования будет выполнено исследование влияния параметров химической обработки поверхности (состав и концентрация раствора кислот, время воздействия и.т.д) на свойства границ раздела;
• Разработка технологии осаждения тонких легированных слоев (n+)a-Si:H и (р+) a-Si:H приборного качества.
С применением современных плазмохимических методов будут сформированы легированные слои (n+)a-Si:H и (р+) a-Si:H на поверхности монокристаллической кремниевой пластины при различных рабочих параметрах процесса, составах газовой смеси. На основании анализа свойств полученных слоев будет определено оптимальное сочетание рабочих параметров в плазмохимическом реакторе.
• Определение влияние буферного слоя нелегированного a-Si:H, на свойства границ раздела и гетероструктур;
Как показывает практика введение ультра-тонких буферных (i)-a-Si:H слоев между поверхностью кремниевой пластины и легированными слоями позволяет значительно улучшить рабочие характеристики ФЭП на основе гетероструктур, что также обусловлено эффектом пассивации поверхности кремниевой пластины в ходе роста (i)-a-Si:H слоя. Поэтому также будет проводиться контроль качества (i)-a-Si:H пассивации поверхности количественно методом QSSPC и качественно путем измерения фотолюминесценции. Photothermal Deflection Spectroscopy (PDS) будет использоваться для определения количества дефектов в собственном (i)-a-Si:H слое, а Spectroscopic Ellipsometry (SE) для определения оптических свойств и контроля толщины (i)-a-Si:H слоев.
• Отработка технологии нанесения прозрачного проводящего слоя (TCO);
ТСО слой должен быть достаточно прозрачным и в тоже время иметь достаточно высокую электрическую проводимость. Поэтому для исследования свойств получаемых ТСО слоев будут применяться методы измерений их оптических (коэффициент отражения/поглощения) и электрических свойств (подвижность Холла, удельное сопротивление). Spectroscopic Ellipsometry (SE) будет использоваться для определения оптических свойств и контроля толщины ТСО слоев. Математическое моделирование позволит определить оптимальные параметры ТСО слоя для его использования в качестве антиотражающего покрытия с целью уменьшения оптических потерь.
• Модификация технологии сборки фотоэлектрических модулей на основе улучшенных ФЭП.
Внесение изменений в технологию ФЭП, таких, как изменение структуры фронтальных и тыльных контактов, их химического состава, нанесение дополнительных функциональных и буферных слоев, потребует адаптации к этим изменениям технологии сборки и пайки линеек в модуле. Нанесение слоев аморфного кремния поверх кристаллического потребует снижения температуры при сушке пасты после трафаретной печати (или отказа от этого этапа), а также снижения температуры ламинирования модуля. Все эти изменения стандартной технологии сборки должны быть отработаны в ходе выполнения ПНИ.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Предусмотренная проектом проблемно-тематическая направленность прикладных научных исследований, экспериментальных разработок и уровень требований к их основным научно-техническим результатам соответствуют действующим отраслевым приоритетам в области развития технологии новых и возобновляемых источников энергии, промышленное производство солнечных модулей. Достижение запланированных результатов обеспечит формирование научно-технического задела, необходимого для последующего создания высокоэффективных фотоэлектрических гетероструктурных преобразователей ФЭП для солнечных модулей и их промышленного освоения на заводе производства модулей (г.Новачебоксарск). ФЭП изготовленные по плазмохимической технологии обладают всеми преимуществами классических ФЭГПов основе кристаллического кремния, включая высокую эффективность достигающую на сегодняшний более 20 % , что соответствует уровню рекордных величин для монокристаллического кремния, в то время они могут быть полностью изготовлены при низких температурах и в промышленном производстве. Оценка возможной пропускной способности базовых технологических установок завода в Новочебоксарске в случае их переоснащения на выпуск ФЭПов может дать суммарную величину пиковой мощности выпускаемых солнечных модулей от 1,0 до 1,3 ГВт, что примерно в 10-13 раз выше производительности линии при выпуске солнечных модулей по микроморфной технологии. При этом обеспечивается низкая себестоимость модулей (до 20 руб./Вт), примерно в 10 раз обеспечивается снижение доли основных капиталовложений производства по отношению к единице продукции и достигается полное импортозамещения модулей, параметры которого установлены Постановлением Правительства РФ 449 от 28 мая 2013г.

Текущие результаты проекта:
В ходе выполнения 1-го этапа проекта были проделаны следующие работы:
Проведен анализ современной научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов в области создания ФЭП на основе монокристаллического кремния, гетероструктур, поликристаллического кремния, тандемныех ФЭП на основе аморфного и микрокристаллического кремния (микроморфные модульные ФЭП. Были использованы литературные источники, проведен патентный поиск, проведен анализ нормативно-технической документации и других материалов в области создания ФЭП. Важным достоинством ФЭП на основе аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:Н) является отсутствие вредных, токсичных веществ в изготовленных солнечных фотоэлементах. Для обеспечения эффективной работы солнечных элементов необходимо, чтобы удовлетворялись следующие требования:
• оптический коэффициент поглощения активного слоя полупроводника должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение существенной части энергии солнечного света в пределах толщины слоя;
• генерируемые при освещении электроны и дырки должны эффективно собираться на контактных электродах с обеих сторон активного слоя;
• солнечный элемент должен обладать значительной высотой барьера в полупроводниковом переходе;
• полное сопротивление, включенное последовательно с солнечным элементом (исключая сопротивление нагрузки), должно быть малым для снижения потерь мощности (джоулево тепло) в процессе работы;
• структура тонкой пленки должна быть однородной по всей активной области солнечного элемента, чтобы исключить закорачивание и влияние шунтирующих сопротивлений на характеристики элемента.
Проведен выбор и обоснование направления исследований, включая мотивацию для разработки ФЭП типа HIT, описание основных этапов технологии их производства. ФЭП типа HIT может достичь высокой эффективности преобразования при использовании тонкопленочного кремниевого технологического процесса при снижении затраты по сравнению с c-Si солнечными элементами, что позволит достичь конкурентные на мировом рынке энергетические и экономические показатели. Они на сегодняшний день наиболее перспективными с точки зрения соотношения к.п.д и стоимости.
Проведены теоретические исследования методов создания ФЭП на основе кристаллического кремния, включая постановку задач теоретического исследования. Проведен анализ зависимостей эффективности фотоэлектрического преобразования энергии в HIT-элементах от толщины внутренних слоев аморфного кремния, от плотности состояний Nss на границе раздела слоев кристаллического и аморфного кремния c-Si / a-Si (i), от свойств прозрачного проводящего контакта, от положения уровня Ферми в легированном слое аморфного кремния a-Si(р), от характеристик широкозонного p-n перехода, расположенного с фронтальной стороны ФЭП.
Проведена сравнительная оценка возможных направлений повышения эффективности ФЭП и снижения их стоимости с учетом результатов прогнозных исследований, проводившихся по аналогичной тематике. ФЭП типа HIT имеют следующие технологические и функционвальные преимущества.
• Высокая эффективность - потенциал увеличения кпд составляет свыше 25%.
• Низкий температурный коэффициент снижения мощности (-0,27%/K против -0,45%/K для стандартной технологии).
• Низкотемпературный технологический процесс (сниженный бой, сохранение чистоты кремния).
• Высокая радиационная стойкость (отсутствие деградации).
• Имеет меньшее количество ключевых технологических операций в аналогичных ФЭП на основе кристаллического кремния.
Проведены исследования экспериментальных 8 образцов ФЭП для предварительных исследований методами спектроскопии полной проводимости в области температур 100 К – 350 К. Исследовано влияние условий осаждения a-Si:H и обработки поверхности c-Si на оптические и фотоэлектрические свойства ФЭП Используя результаты исследований, был изготовлен экспериментальный образец ФИП типа HIT с анизотипным и изотипным гетеропереходом на подложке кремния n-типа проводимости двухсторонней полировки с удельным сопротивлением 2–7 Ом см и значениями времени жизни носителей заряда 10 мс.
Сделаны выводы по результатам исследований экспериментальных образцов ФЭП для предварительных исследований.
1. Метод спектроскопии полной проводимости позволяет провести оценку плотности поверхностных состояний и сечения захвата носителей заряда, а также определить положение уровня Ферми на границе раздела. К достоинствам метода относится его простота, достоверность полученных результатов и нечувствительность к свойствам омического контакта.
2. Преимущество подложек n- типа проводимости по сравнению с p-типом носит фундаментальный характер, связанный с соотношением значений разрывов зон на границе раздела гетеропереходов (p)a-Si:H/(n)c-Si и (n)a-Si:H/(p)c-Si. Значения разрывов валентных зон существенно превосходят разрывы зон проводимости, что приводит к большему изгибу зон в (n)c-Si и следовательно к более слабой зависимости напряжения холостого хода от плотности поверхностных состояний для (p)a-Si:H/(n)c-Si гетероструктур.
Проведение патентных исследований. Наиболее перспективными являются технические решения, которые содержат эффективные способы подавления поверхностной рекомбинации с использованием гетероструктур. При достаточной высоте и ширине потенциального барьера можно практически полностью избежать рекомбинации неосновных носителей на контактах. При этом широкозонное окно пропускает основную часть потока солнечного излучения, поглощаемого в материале p–n-перехода с меньшей шириной запрещенной зоны.
Проведена закупка материалов, оборудования для изготовления экспериментальных образцов ФЭП для предварительных исследований .
Были изготовлены 8 экспериментальных образцов ФЭП для предварительных исследований: гетероструктур (n)a-Si:H/(p)c-Si, (p)a-Si:H/(n)c-Si с различной толщиной эмиттерного слоя a-Si:H и различным уровнем легирования подложки c-Si (p = 5.6*1016 cm-3, p = 6.8* 1015 cm-3, n-типа, 2-7 Ом см (10 мс)). Ориентация кристаллической структуры подложек также различная (100 и 111 ).
Осуществлен контроль соответствия технологического оборудования поставленным задачам ПНИ с привлечением индустриального партнера с целью- провести оценку возможности реализации технологии ФЭП типа HIT на производственном комплекс в г. Чебоксары, который был построен для производства микроморфных солнечных модулей.