Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0019

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0019
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Название доклада
Исследование и разработка технологии атомно-слоевого осаждения нанотолщинных плёночных материалов на поверхность солнечных батарей с целью повышения их генерационных характеристик
Докладчик
Терашкевич Игорь Макарович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целями исследования является:
1) Повышение КПД солнечных батарей.
2) Разработка технологии атомно-слоевого осаждения нанотолщинных плёночных материалов на поверхность солнечных батарей с целью повышения их генерационных характеристик. Создание экспериментального образца установки атомно-слоевого осаждения плёнок Al2O3. Формирование технологического задела для создания промышленной установки атомно-слоевого осаждения плёнок Al2O3 на структуру солнечных батарей.
Разрабатываемая технология осаждения пленок оксидов металлов методом ALD является экологически безопасной и предназначена для использования в технологическом процессе производства солнечных батарей в целях снижения уровня рекомбинации носителей заряда в активных областях солнечных батарей и повышения тем самым их КПД (не менее чем на 1,5% в абсолютном исчислении). Промышленное применение разработки будет способствовать расширению использования возобновляемых источников энергии.
Актуальность и новизна исследования
Углеводородное сырьё не является неисчерпаемым источником энергии для человечества. В связи с этим фактом особую актуальность приобретают технологии использования возобновляемых источников энергии, одним из которых является энергия солнечного излучения. Улучшение генерационных характеристик солнечных батарей – одна их основных задач солнечной энергетики. Солнечные элементы на кремнии имеют коэффициент полезного действия (КПД) в диапазоне 18-19%. При этом реализация солнечных батарей на мировом рынке постоянно растёт. Увеличение КПД до 20,5% (т.е. на 1,5% в абсолютном исчислении) всех солнечных батарей, продаваемых в течение одного года на мировом рынке, позволит увеличить генерацию электроэнергии в течение года на 200 МВт. Если для увеличения КПД солнечных батарей применить технологию атомно-слоевого осаждения пленок Al2O3, то себестоимость солнечных батарей увеличится не более чем на 3%, а их потребительские свойства возрастут на 9-10%, т.к. стандартная солнечная батарея, ранее генерировавшая 250 Вт, после осаждения антиотражающих покрытий будет выдавать мощность не менее 275 Вт при прочих прежних условиях.
Описание исследования

В ходе выполнения ПНИ планируется создание экспериментального образца установки атомно-слоевого осаждения плёнок Al2O, разработка лабораторной технологии осаждения этих плёнок на структуры солнечных батарей с целью повышения их генерационных характеристик. В перспективе экспериментальный образец установки  станет прототипом установки промышленного типа  с широким спектром возможностей. Такая установка в совокупностью с технологией осаждения просветляющих и антиотражающих покрытий найдёт применение в производстве солнечных батарей с целью повышения их КПД.

Технология атомно-слоевого осаждения плёнок Al2O3 имеет ряд преимуществ по сравнению с другими технологиями осаждения оксидов металлов. Современные плёночные технологии предполагают как химическое осаждение из газовой фазы, так и физическое осаждение  из паровой или жидкой фазы. Применение химического осаждения или физического осаждения из газовой фазы ввиду фундаментальных причин оказываются малоэффективными при снижении толщины до сотни и менее нм. В диапазоне толщин 1-100 нм принципиальные преимущества имеет технология атомно-слоевого осаждения пленок Al2O3, которая предполагает возможность прецизионного управления скоростью их роста. Существенным достоинством технологии атомно-слоевого осаждения пленок Al2O3   является конформность  осаждаемых плёнок и  низкая температура процесса их осаждения . Благодаря низкой температуре осаждения  плёнок  процесс  экологически безопасен. 
Ещё одной особенностью технологии атомно-слоевого осаждения пленок Al2O3  является низкая скорость роста - на уровне 0,5 нм/мин. Поэтому для разработки промышленной технологии осаждения плёнок по технологии атомно-слоевого осаждения необходимо создание многопозиционной установки.   Для создания такой установки необходимо разработать оригинальную рабочую камеру с использованием принципов промежуточного газообмена. 

В ходе проведения ПНИ должны быть получены следующие результаты:
- разработана лабораторная технология  атомно-слоевого осаждения пленок Al2O3 толщиной  1-100 нм  для формирования  антиотражающих покрытий солнечных батарей.
- разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец установки атомно-слоевого осаждения плёнок Al2O3 и лабораторный технологический регламент на технологию атомно-слоевого  осаждения  плёнок Al2O3;
- создан экспериментальный образец установки атомно-слоевого осаждения плёнок Al2O3, состоящий из следующих составных частей: рабочая камера осаждения плёнок Al2O3, пневматическая система рабочей камеры, система подачи технологических газов и смесей, система управления на основе программатора, вакуумная система, 
комплект внутрикамерных устройств.
- разработан проект технического задания на разработку опытно-промышленной установки атомно-слоевого осаждения пленок Al2O3  на структуру  солнечных батарей; 
- изготовлены образцы солнечных батарей с антиотражающим покрытием из плёнок  Al2O3.

В процессе выполнения ПНИ планируется оптимизировать параметры технологических процессов атомно-слоевого осаждения плёнок Al2O3 и разработать соответствующую лабораторную технологию. Планируемая к постановке ПНИ станет первым этапом создания нового вида оборудования, применение которого возможно в различных технологических процессах при производстве солнечных батарей, микроэлектроники, микросистемной техники и других технологиях твердотельной электроники.

Результаты исследования

В результате выполненных работ 1 этапа проведён патентный поиск, разработана конструкция экспериментального образца установки атомно-слоевого осаждения плёнок Al2O3, создана ЭКД на экспериментальный образец установки, разработана программа исследований свойств плёнок Al2O3 и методика контроля микрошероховатости поверхности осаждённых плёнок. В результате выполненных работ 2 этапа разработана программа и методики испытаний экспериментального образца установки атомно-слоевого осаждения плёнок Al2O3, впервые изготовлены: рабочая камера осаждения плёнок Al2O3 пневматическая система рабочей камеры, система подачи технологических газов и смесей, вакуумная система, комплект внутрикамерных устройств. Проведена разработка методики контроля уровня отражения излучения солнечного света структурами солнечных батарей с покрытием из плёнок Al2O3. В результате выполненных работ 3  этапа впервые создан экспериментальный образец установки атомно-слоевого осаждения плёнок Al2O3, проведены его испытания. Проведена  наработка экспериментальных образцов тестовых структур и диодных структур солнечных батарей с покрытием из плёнок Al2O3.  Разработаны методики контроля изменения генерационных характеристик и контроля коронарного заряда солнечных батарей с антиотражающим покрытием из плёнок Al2O3, сформированных методом атомно-слоевого осаждения. В результате выполненных работ 4 этапа  проведена корректировка ЭКД, доработка экспериментального образца установки атомно-слоевого осаждения плёнок Al2O3 на поверхность солнечных батарей, проведены ее испытания, проведена  наработка экспериментальных образцов тестовых структур и диодных структур солнечных батарей с покрытием из плёнок Al2O3, выполнены  экспериментальные исследования свойств плёнок Al2O3, диодных структур, солнечных батарей с антиотражающим покрытием из плёнок Al2O3, проведены дополнительные патентные исследования, разработана технологическая инструкция по осаждению плёнок из Al2O3 на поверхность диодных структур солнечных батарей. На 5 этапе ПНИ проводится разработка лабораторной технологии атомно-слоевого осаждения плёнок Al2O3, ПМ предварительных испытаний опытных образцов солнечных батарей с пассивирующим и антиотражающим покрытием из плёнок Al2O3 с целью определения эффекта повышения их КПД, РКД на опытные образцы солнечных батарей с пассивирующим и антиотражающим покрытием из плёнок Al2O3, изготовление опытных образцов солнечных батарей с пассивирующим и антиотражающим покрытием из плёнок Al2O3. (2 шт.), проведение предварительных испытаний опытных образцов солнечных батарей с пассивирующим и антиотражающим покрытием из плёнок Al2O3 с последующей корректировкой РКД, оптимизация технологических режимов процесса атомно-слоевого осаждения плёнок Al2O3, формирование технических требований и предложений по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера, Разработка проекта ТЗ для проведения ОКР.
В ходе выполнения 1-4 этапов ПНИ выполнены следующие пункты Технического задания: 2.1.1 - 2.1.28, 2.2-2.4, 2.7-2.12, 2.15, 3.1 -3.29, 5.1, 6.1.1, 6.1.3.1-6.1.3.6, 6.1.37, 6.1.38, а также в полном объёме выполнены все пункты 1-4 этапов Плана-графика исполнения обязательств по данному Соглашению о предоставлении субсидии. 

Практическая значимость исследования
Внедрение результатов ПНИ в промышленное производство солнечных батарей приведёт к снижению себестоимости генерации электроэнергии, активизации внедрения солнечных батарей в различных направлениях бытового и промышленного применения. Изменение соотношения в пропорции генерации электроэнергии в сторону солнечной энергетики будет способствовать снижению отрицательного техногенного воздействия на окружающую среду.
В перспективе экспериментальный образец установки станет прототипом установки промышленного типа с широким спектром возможностей. Такая установка в совокупностью с технологией осаждения просветляющих и антиотражающих покрытий найдёт применение в производстве солнечных батарей с целью повышения их КПД.При увеличении КПД солнечных батарей на 1,5% в абсолютном исчислении с учётом всех солнечных батарей, производимых и продаваемых в течение одного года на мировом рынке, увеличится генерация электроэнергии в течение года на 200 МВт. Применение технологии атомно-слоевого осаждения пленок Al2O3 при промышленном производстве солнечных батарей, приведёт к повышению их себестоимости не более чем на 3%, а их потребительские свойства возрастут на 9-10%, т.к. стандартная солнечная батарея, ранее генерировавшая 250 Вт, после осаждения антиотражающих покрытий будет выдавать мощность не менее 275 Вт при прочих прежних условиях. Таким образом, перспективы успешной коммерциализации разработки весьма высоки. Организациями-потребителями результатов данного проекта являются, только в направлении солнечной энергетики, крупные мировые производители солнечных батарей - компании SunTech, Sanyo, Roth & Rau, SCHMID, Centrotherm, Хевел, Квант,Гелиос, Солнечный ветер, SPIRE и другие.
Установка конформного осаждения плёнок оксидов металлов может быть использована также для осаждения ди-электрических плёнок в технологиях твердотельной электроники при создании интегральных схем (ИС), микроэлектромеханических систем (МЭМС), компактных конденсаторов большой мощности, а также в других высокотехнологичных изделий, в конструкции которых необходимы бездефектные диэлектрические слои равномерной толщины вне зависимости от геометрических особенностей структуры.