УДК 539.12 КазНУ имени аль-Фараби, Алматы :
реклама
УДК 539.12 Данлыбаева А.К., Еспембетова М.Б., Туякбаев А.А. КазНУ имени аль-Фараби, Алматы E-mail: [email protected]; [email protected] РАЗВИТИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ НА ОСНОВЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Аннотация В данной статье рассматриваются вопросы солнечной энергетики, применения технологии тонкопленочных солнечных элементов (СЭ) на основе аморфного гидрогенизированного и микрокристаллического кремния. Рассмотрены достоинства и недостатки СЭ при их использовании. Представлены решения задачи удешевления солнечной электроэнергии путём перехода на более дешевые тонкопленочные технологии изготовления солнечных элементов. Приведены ведущие производители тонкопленочных солнечных элементов в Казахстане, России и зарубежом. А также, показаны их стратегические задачи. Изучены принципы работы тонкопленочных солнечных элементов, дана характеристика солнечным элементам на основе кремния (кристаллического, микрокристаллического, аморфного гидрогенизированного), сделан сравнительный анализ между солнечными элементами на основе кристаллического, микрокристаллического и аморфного гидрогенизированного кремния. Подведены итоги и предложены решения проблем использования тонкопленочных солнечных элементов. Ключевые слова: солнечные элементы, гидрогенизированный кремний, микрокристаллический фотовольтаика, фотоэлектрические преоброзователи. аморфный кремний, Введение. В начале XXI века человечество столкнулось с необходимостью решения долгосрочных энергетических проблем, связанных с близкой перспективой исчерпания традиционных источников энергии и ухудшением экологического состояния Земли. В промышленно развитых странах уделяется большое внимание разработке систем на основе возобновляемых источников энергии, в том числе энергии Солнца. Солнце обеспечивает Землю огромным количеством энергии, которое многократно превышает потребности человечества. Одним из самых привлекательных и перспективных возобновляемых источников энергии всегда считалась фотовольтаика, т. е. прямое преобразование солнечной энергии в электрическую. Солнце может обеспечить растущие потребности в энергии в течение многих сотен лет. Общее количество солнечной энергии, поступающей на Землю в течение часа, превышает количество потребляемой человечеством энергии в течение года. За последние 20–30 лет темпы роста солнечной энергетики составляли в среднем примерно 25%. Согласно прогнозам в XXI веке развитие солнечной энергетики будет оставаться основным среди всех альтернативных источников. А также, по оценкам к 2050 г солнечная энергия может обеспечить 20– 25% мирового производства энергии, а к концу XXI века солнечная энергетика должна стать доминирующим источником энергии с долей, достигающей 60% [1]. Для массового применения солнечного излучения необходимо обеспечить очень эффективное его использование и значительно улучшить экономические характеристики солнечных элементов. Перспективным подходом в направлении решения проблемы изготовления дешевых преобразователей солнечной энергии является разработка технологии тонкопленочных солнечных элементов на основе аморфного гидрогенизированного и микрокристаллического кремния. Вообще, основным материалом для изготовления солнечных элементов в настоящее время является кристаллический кремний, так как он является основным материалом всей твердотельной электроники, и его производство отлажено. На рынке фотовольтаики доля солнечных элементов и модулей, произведенных на основе кристаллического кремния, сейчас превышает 90%, из которых примерно 2/3 приходится на поликристаллический кремний и 1/3 — на монокристаллический. Столь широкое применение кристаллического кремния в фотовольтаике обусловлено развитой кремниевой технологией вообще и возможностью изготовления на его основе солнечных элементов наземного использования с наиболее приемлемым отношением эффективность/стоимость. Но, основным недостатком СЭ на основе кристаллического кремния является их высокая стоимость, так как 50% от общей стоимости данных элементов составляет стоимость Si-подложки. При изготовлении СЭ данного вида используется высококачественное сырье, производство которого в настоящее время является очень энергозатратным. Велики общие потери кремния в результате его обработки и резки. В связи с тем, что монокристаллический и поликристаллический кремний непрямозонные полупроводники и их коэффициент поглощения невысок, для эффективного поглощения солнечного света толщина изготавливаемых из 2 них ФЭПов должна составлять сотни микрон. Это приводит к значительным расходам кремния и высокой стоимости солнечных элементов. В России в последнее время уделяется большое внимание развитию солнечной энергетики. Свидетельством этому является крупнейший проект строительства завода по производству тонкопленочных солнечных модулей в г. Новочебоксарске. Объем финансирования его составляет более 20,1 млрд. рублей. В Казахстане тоже большое внимание уделяется созданию отечественного кремниевого производства. Например: АО «Центр инжиниринга и трансферта технологии», ТОО «Мост-СП» и ООО «Институт плазмохимических технологий» (Российская Федерация, г. Новосибирск) 23 февраля 2009 года подписали договор о совместной деятельности в форме консорциума по реализации проекта «Создание предприятия по выпуску тонкопленочных солнечных элементов и систем «СОЭЛ» в Казахстане». Стратегическими задачами участников консорциума являются развитие солнечной энергетики в Республике Казахстан, разработка и внедрение энергосберегающих технологий. Для того, чтобы фотовольтаика могла конкурировать с ископаемыми источниками энергии, цена на вырабатываемую ею электроэнергию должна быть снижена примерно в 5–10 раз. Для этого необходимо разработать эффективные, дешевые технологии и конструкции фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Таким образом, перспективным представляется создание тонкопленочных солнечных элементов на основе аморфного гидрогенизированного и микрокристаллического кремния вместо дорогостоящего кристаллического кремния. Технология тонкопленочных солнечных элементов. Тонкопленочная технология имеет большие потенциальные возможности для снижения стоимости солнечных модулей. Кроме того, тонкопленочная технология имеет ряд специфических применений, невозможных или затрудненных при использовании кристаллических полупроводников (гибкие модули, полупрозрачные модули и т. д.). Главное достоинство тонкопленочных солнечных элементов состоит в экономии дорогостоящих полупроводниковых материалов. Технологии тонкопленочных элементов позволяют создавать полупроводниковые структуры на гибких подложках. СЭ на гибкой основе имеют малый вес, монтируются на любой поверхности и могут использоваться для изготовления сумок, чехлов, встраиваться в одежду и т. д. В настоящее время основными методами получения пленок являются: метод тлеющего разряда в смеси силаносодержащих газов, химическое осаждение из газовой фазы и распыление. В большинстве промышленных установок используется стандартный плазмохимический метод осаждения на частоте 13,56 МГц. 3 Суть метода состоит в разложении силаносодержащих смесей в плазме тлеющего разряда до образования активных компонент с последующим их осаждением на поверхности роста. Газ, содержащий кремний, обычно моносилан SiH4 с различными разбавителями, чаще всего с водородом, вводится в вакуумную камеру. Газовый разряд поддерживается электрическим полем, создаваемым с помощью высокочастотного источника питания между двумя плоскими электродами. Свойства микрокристаллического кремния µс-Si:H очень сильно зависят от методов получения и технологических параметров осаждения [2]. По сравнению с аморфным кремнием микрокристаллический кремний имеет высокую проводимость, большую подвижность носителей тока и большее значение коэффициента поглощения в инфракрасной области спектра [3]. Еще одним преимуществом µс-Si:H по сравнению с a-Si:H является стабильность параметров этого материала при внешних воздействиях, например освещении. При этом µс-Si:H может быть получен практически на том же технологическом оборудовании, что и аморфный кремний. Важнейшую роль в использовании пленок а-Si:Н для создания солнечных элементов сыграл тот факт, что оптическое поглощение а-Si:Н в 20 раз превышает оптическое поглощение кристаллического кремния. Для существенного поглощения видимого солнечного света достаточно получить пленки а-Si:Н толщиной 0,5–1,0 мкм вместо использования дорогостоящих кремниевых подложек толщиной 300 мкм. Кроме того, перспективна и технологическая возможность получать слои аморфного кремния в виде тонких пленок большой площади. В данной технологии отсутствуют технические потери, связанные с резкой, шлифовкой и полировкой, при изготовлении элементов солнечных батарей на основе монокристаллического кремния. Преимущества солнечных элементов на основе a-Si:Н по сравнению с аналогичными поликристаллическими кремниевыми элементами обусловлены более низкими температурами их изготовления (573 К), что позволяет использовать дешевые стеклянные подложки с нанесенными на их поверхность прозрачными проводящими оксидами (ТСО), выполняющими функцию электродов токосъема. Данные факторы ведут к снижению срока окупаемости солнечных элементов на основе аморфного кремния, и в перспективе стоимость подобных СЭ будет значительно снижена. Повышение эффективности солнечных элементов. Для обеспечения эффективной работы солнечных элементов необходимо, чтобы были выполнены следующие требования: − оптический коэффициент поглощения α активного слоя полупроводника выбирается достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение существенной части энергии солнечного света в пределах толщины слоя; 4 − необходимо, чтобы генерируемые при освещении электроны и дырки эффективно собирались на контактных электродах с обеих сторон активного слоя; − солнечный элемент должен обладать значительной высотой барьера в полупроводниковом переходе; − необходимо обеспечить малое полное сопротивление, включенное последовательно с солнечным элементом (исключая сопротивление нагрузки) для снижения потерь мощности (джоулево тепло) в процессе работы; − тонкие пленки, входящие в состав солнечного элемента, должны быть однородны по толщине на большой площади, чтобы исключить эффект закорачивания шунтирования активной области. В настоящее время использование солнечных элементов на основе aSi:H не приняло широкого распространения. Для улучшения качества СЭ на основе a-Si:H необходимо обеспечить: − повышение эффективности преобразования солнечного излучения в электрическую энергию; − увеличение стабильности основных параметров солнечных батарей к длительному действию излучения. Решение данных проблем связано с развитием методов получения более совершенных по свойствам аморфных материалов и с усовершенствованием структур СЭ на их основе. Для успешного совершенствования технологии формирования СЭ необходимо проведение исследований по ряду направлений: − улучшение оптоэлектронных свойств тонких пленок a-Si:H, aSiGe:H и μc-Si:H; − изучение структурно-релаксационных процессов в материалах на основе a-Si:H под освещением; − оптимизация свойств слоев p- и n-типов, улучшение качества границы раздела между легированными и собственными слоями, исследование возможности использования буферных слоев и слоев с изменяющейся шириной запрещенной зоны по толщине; − разработка фронтальных материалов для TCO и оптимизация границы раздела TCO/слой p-типа; − оптимизация технологии формирования «световой ловушки» − оптимизация морфологии границы раздела и увеличение эффективности отражения тыльного контакта СЭ; o увеличение скорости осаждения толстых поглощающих слоев при сохранении их качества. Одним из путей повышения эффективности солнечных элементов на основе a-Si:H является усовершенствование технологических процессов, направленное на улучшение оптоэлектронных свойств и уменьшение концентрации дефектов в нелегированном и особенно в легированном слоях 5 аморфного гидрогенизированного кремния. Это позволяет при большем значении длины дрейфа носителей заряда увеличить коэффициент формы ВАХ и соответственно получить более высокий КПД. Важным аспектом производства солнечных батарей на основе a-Si:H является соблюдение техники безопасности. Несмотря на то, что в конечном продукте нет токсичных веществ, в производственном процессе используются токсичные, огнеопасные и взрывоопасные газы — моногерман, фосфин, триметилбор, моносилан, водород и т. д. Как уже отмечалось во введении, проблемой традиционной солнечной фотоэнергетики является высокая стоимость монокристаллических кремниевых солнечных батарей — основного материала на рынке солнечной энергетики. Стоимость СБ их эффективность влияют на стоимость электроэнергии, вырабатываемой солнечными электростанциями. Соотношение стоимости «солнечной» и «сетевой» электроэнергии определяет географию экономически эффективной эксплуатации солнечных электростанций в странах с развитыми электросетями. Именно превышение стоимости «солнечной» электроэнергии над «сетевой» (без учёта специальных стимулирующих тарифов для возобновляемой энергетики) в развитых странах сдерживает активное распространение солнечной энергетики. Решить задачу удешевления «солнечной» электроэнергии возможно путём если перейти на более дешевые тонкопленочные технологии изготовления солнечных элементов. Перспективным путём решения этих проблем является применение гетероструктурных каскадных фотоэлектрических преобразователей на основе аморфного гидрогенизированного кремния и сплавов на его основе. Открытие в 1976 г. возможности легирования аморфного кремния aSi:H, полученного в плазме тлеющего разряда, положило начало использованию его исключительных фотопроводимых свойств, связанных с сильным поглощением в области длин волн, соответствующих видимой части спектра. Открытие технологических путей получения тонких пленок этого материала и других аморфных гидрогенизированных полупроводников дало мощный толчок развитию новой, крайне необходимой технологии в области возобновляемой энергетики — технологии создания дешевых солнечных элементов. Эволюция основных технологических принципов производства тонкопленочных кремниевых элементов (низкозатратные технологические процессы, дешевые подложки, другой дизайн модулей и т. д) уже сегодня обеспечивает в лабораторных условиях эффективность сравнимую с элементами на основе поликристаллического кремния, а темпы снижения себестоимости тонкопленочных солнечных модулей значительно выше, чем модулей на основе кристаллического кремния. В настоящее время реальной задачей тонкопленочной фотовольтаики является достижение цены порядка 0,5–0,65 дол./Вт. 6 По прогнозам экспертов к 2030 г. солнечная фотоэнергетика превратится в большой экономический сектор во всем мире. В Европе фотовольтаика станет мощной индустрией со значительным экспортным потенциалом. Предполагается, что в ЕС появится от 200 до 400 тыс. рабочих мест при годовом производстве 20–30 ГВт. А также наиболее значимыми на мировом рынке в области тонкопленочных солнечных элементов на основе аморфного кремния являются зарубежные компании, имеющие собственное производство гетероструктурных тонкопленочных фотопреобразователей. Например, ведущими производителями каскадных тонкопленочных солнечных элементов на основе кремния в мире являются фирмы «Sharp», «BP Solar», «Shell Solar», «Sanyo», «RWE Schott», «Oerlikon Solar», «Applied Materials», «Santech», «Kaneka». Все эти фирмы уже много лет производят тонкопленочные фотопреобразователи для солнечных модулей с использованием метода осаждения аморфного гидрогенизировапнного кремния в плазме тлеющего разряда и прогрессивных постростовых технологий. Заключение. Подводя итоги по тонкопленочным СЭ можно сказать, что в этой области необходимо: 1. Увеличение КПД модулей с сегодняшних 6–8 % до 14–15 %. 2. Дальнейшее исследование фундаментальных свойств материалов, и теоретический анализ, разработка новых конструкций СЭ, исследование границ раздела в них. 3. Разработка новых много переходных структур. 4. Разработка дешевых, высокоэффективных ТСО материалов. 5. Использование альтернативных конструкций модуля (новые подложки и новые технологии корпусирования). 6. Увеличение срока стабильной работы модуля до 20–30 лет с уменьшением эффективности преобразования менее чем на 10 %. 7. Разработка процессов и оборудования для обеспечения дешевого широкомасштабного производства с высоким выходом годных ФЭП. 8. Улучшение однородности свойств пленок на больших площадях. 9. Увеличение воспроизводимости технологических процессов. 10.Снижение окупаемости модуля до одного года и менее. 11.Адаптация новых удачных технологических решений к условиям промышленного производства. Как показывают современные тенденции развития этого направления широкое внедрение в жизнь солнечной энергетики связано не с уровнем разработки данной проблемы, а в первую очередь, с экономической целесообразностью и стоимостью энергии, получаемой таким способом. Представление о том, что энергетика будущего будет основана на угле, запасы которого еще достаточно велики, атомном и термоядерном топливе 7 имеет как сторонников, так и противников. Не вдаваясь в детали этого спора, заметим, что Солнце и есть тот реактор, который дал Земле жизнь и может дать энергию, необходимую для комфортного существования Человечества. Поэтому нет сомнений в том, что более активное использование солнечной энергии — задача уже сегодняшнего, а не завтрашнего дня. Список литературы 1. Ryazanov K.V. Перспективы развития солнечной энергетики //КАБЕЛЬ−news. – 2009. – №12–1. – С. 81–85. 2. Popov A.I. Физика и технология неупорядоченных полупроводников. М.: Изд. дом МЭИ, 2008. 272 с. 3. Kazansky A.G. Фотоэлектрические свойства микрокристаллического кремния //Изв. вузов. Сер. материалы электронной техники. – 2009. – №1. – C. 12–21. 4. Afanasyev V.P., Terukov E.I., Sherchenkov A.A. Тонкопленочные солнечные элементы на основе кремния. 2-е изд. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. 168 с. Данлыбаева А.К., Еспембетова М.Б., Тұяқбаев А.А. ЖҰҚА ҚАБЫҚШАЛЫ ЭЛЕМЕНТТЕР НЕГІЗІНДЕ ЖАСАЛҒАН КҮН ЭНЕРГЕТИКАСЫНЫҢ ДАМУЫ Аннотация Мақалада аморфтық және микрокристалдық кремний негізінде жұқа қабықшалы технология арқылы Күн энергиясын тиімді өндіру мәселелері жан-жақты қарастырылған. Аморфтық гидрогенезирленген және микрокристалды кремнийдің негізінде жасалған Күн элементтерінің артықшылығы мен кемшіліктері көрсетілген. Күн электр энергиясын жұқа қабықшалы күн элементтерін жасауда арзанырақ технологияларға ауысу арқылы арзандату мәселесін шешу жолы айтылған. Сонымен қатар, жұқа қабықшалы күн элементтерін өндіруші Қазақстан, Ресей және шетел мемлекеттеріндегі жетекші өндіріс орындарынан мысалдар келтірілді. Сондай-ақ жұқа қабықшалы күн элементтерінің жұмыс істеу принциптері мен кремний (крсисталдық, микрокристалдық және аморфтық гидрогенезделген) негізіндегі күн элементтеріне сипаттамалар берілген, кристалдық, микрокристалдық және аморфтық гидрогенезделген кремний негізінде жасалған күн элементтеріне салыстырмалы анализ жасалған. Қорытынды жасалып, жұқа қабықшалы Күн элементтерінің мәселелерін тиімді пайдалану туралы ұсыныстар берілген. 8 Danlybaeva A.K., Yespembetova M.B., Tuyakbaev A.A. SOLAR ENERGY DEVELOPMENT ON THE BASIS OF THIN-FILM ELEMENT Аннотация This article deals with the solar energy application technology of thin-film solar cells (SC) based on amorphous hydrogenated silicon and microcrystalline. The advantages and disadvantages of solar cells in use. The solutions reduce the cost of solar electricity problems by switching to cheaper thin-film solar cell manufacturing technology. Given the leading manufacturers of thin-film solar cells in Kazakhstan, Russia and abroad. As well as showing their strategic objectives. Studied the principles of thin film solar cells, the characteristic of solar cells based on silicon (crystalline, microcrystalline, amorphous hydrogenated), made a comparative analysis between the solar cells based on crystalline, microcrystalline and amorphous hydrogenated silicon. The results and proposed solutions to problems the use of thin-film solar cells. 9
