Международный Университет «Дубна

Международный проект
по халькогенидным
тонкопленочным солнечным
батареям
П.П. Гладышев, С.В.Филин, В.Ф. Гременок, Г.С. Хрипунов,
В.Б. Залесский, Е.К. Белоногов, В. М. Иевлев, М.Б. Дергачева
Дубна 2010
07.05.2016
1
Организации-соисполнители
•
Международный Университет «Дубна», Россия, г.Дубна
•
ЦВН НИИ прикладной акустики, Россия, г.Дубна,
•
ООО «НТИЦ "Нанотех-Дубна", Россия, г.Дубна
•
Научно-практический центр НАН Беларуси по
материаловедению», Беларусь, г.Mинск
•
Институт Физики НАН Беларуси, Беларусь, г.Mинск
•
Харьковский политехнический институт», Украина, г.Харьков
•
Воронежский государственный, Россия, г. Воронеж
•
Институт органического катализа и электрохимии, Казахстан,
г.Алма-Ата
Почему халькогенидные ФЭП?
• Тонкопленочные халькогенидные
фотоэлектрические преобразователи (ФЭП)
на основе CdTe и CIGSпозволяют получать до
100 Вт электрической мощности с
квадратного метра в средних широтах.
• Преимуществом этих ФЭП является
возможность создания лёгких и гибких
элементов на основе полимерных пленок и
металлических фольг и связанная с этим
высокая удельная мощность по весу 2,5
кВт/кг.
26
GaAs
InP
24
AlAs
Si
20
18
CdTe
CuInS2
16
14
CdSe
CuGaSe2
a-Si (range)
12
ZnTe
CuInSe2
10
0
0.8
1.2
1.6
Bandgap, eV
2.0
2.4
Халькогенидные материалы имеют
оптимальную ширину запрещенной
зоны, хорошо поглощают свет и
обладают высокой радиационной
стойкостью
Absorption coefficient (cm-1)
AM0 Efficiency (percent)
22
10
5
CuInSe 2
CdS
Cu 2S
10
GaAs
4
a-Si:H
c-Si
Zn P
32
10
3
InP
1.0
1.2
1.4
1.6 1.8 2.0
Energy (eV)
2.2
2.4 2.6
Все это позволяет формировать
эффективные тонкослойные структуры с
низкими затратами полупроводниковых
материалов
5μк
Substrate структура
Superstrate структура
Технические характеристики ФЭП
Тип ФЭП
Si [1]
Si
монокрис аморф
GaAs [1]
трехкаск
CIS [2]
CIGS
CdTe[3]
Максимальный
теоретический
КПД,%
35
35
42
28
28
29 (34)
КПД лабораторных
образцов, %
20
12,1
31
17
19,9
12-14
14-16,5
7-10
26,8
13,4
10,7
0,13
0,3
0,2
2,0
2,5
КПД промышленных
образцов (2009),%
Удельная мощность,
кВт/кг
1,2
1. http://www.saturn.kuban.ru/2.html
2. Hamakawa, «Thin-Film Solar Cells: Next Generation Photovoltaics and Its Applications», 2004
3. KHRYPUNOV G., ROMEO A. , KURDESAU F., BÄTZNER D. L., ZOGG H., TIWARI A. N., «Recent developments
in evaporated CdTe solar cells», 2006
Время возмещения энергетических
затрат на производство ФЭП
Технология
производства
•
Время возмещения
энергетических
затрат1, годы
Энергия, затраченная
на производство, к
объему производства
энергии2, %
Кремний
монокристаллический
2.7
10.0
Кремний неленточный
мультикристаллическ
ий
2.2
8.1
Кремний ленточный
мультикристаллически
1.7
6.3
й 1. По данным статьи В. Фтенакиса (V. Fthenakis) и Е. Альсема (E. Alsema) «Время возмещения
энергетических затрат фотоэлектрических систем, выбросы парников газов и внешние издержки: состояние
на 2004-начало
2005», Прогресс в фотоэлектрике, том 14, №3, параграфы 275-280, 2006 г.
Теллурид
кадмия
•
2. 30-летний период эксплуатации с максимальной расчетной мощностью на конец срока эксплуатации 80%.
•
Инсоляция - 1700 кВтч/м2 в год; коэффициент эффективности системы – 75%
1.0
3.7
Рост доли производства
тонкопленочных модулей в МВт.
Основные технологии
тонкопленочных солнечных
элементов
Технологии
• Для формирования
активных слоев
данных ФЭП чаще
всего используют
вакуумные
методы, однако в
ряде случаев
«мокрые»
технологии имеют
существенные
преимущества.
Развиваемые авторами технологии
• Термическое напыление и сублимация в вакууме для
формирования тонкопленочных солнечных элементов
ITO/CdS/CdTe/Cu/Au на стеклянных и полиимидных
подложках.
• Ионно-лучевое напыление для формирования прозрачного
электропроводного слоя SnO2 на подложках.
• Магнетронное распыление для нанесения слоев ITO, CdS,
CdTe и металлических слоев заднего контакта.
• Ионно-плазменное напыление для нанесения
металлических прекурсоров (Cu-In-Ga).
• Селенизация металлических предшественников в
технологии CIGS.
• Метод химического осаждения в ванне слоя CdS в
различных конструкциях ФЭП.
• Метод пульверизации для формирования слоёв SnO2:F и
CdTe.
• Метод электроосаждения позволяющий получить пленки
полупроводников большой площади на стеклоуглеродном
и молибденовом электродах.
Стадии изготовления
CdTe ФЭП
Структура слоя CdTe
Структура зерен CdTe до и после CdCl2 обработки
CdTe гибкие солнечные батареии
Достигнутые показатели
• Лучшая эффективность для гибких
CdTe ФЭП на полиимидных пленках
была достигнута с использованием
вакуумных методов. Лабораторные
образцы гибких CdS/CdTe ФЭП на
полиимидных пленках имеют
эффективностью 11,4%, КПД гибких
микромодулей составляет 5,4%.
Стадии изготовления CIGS ФЭП
очистка
подложек
магнетронное
напыление
Mo
напыление
прекурсоров
Cu,In,Ga
(терм., ионнолуч., эл-луч.)
контроль
качества
плёнок
хим. осажд. CdS
буферного слоя
или
напыление In2S3
магнетронное
напыление
i-ZnO
нанесение
Ni-Al
контактной
сетки
механическое
скрайбиров.
образцов
селенизация
в парах Se
магнетронное
напыление
ZnO Al
контроль
параметров
СЭ
ZnO
Буферный слой
Cu(Ga,In)Se2
Mo
Подложка
1 мкм
0,01 мкм
2 мкм
1 мкм
1,5 мм
Гибкие CIGS солнечные элементы
 (%) = 5.5 – 6.0 %
SEM пленки CIGS на Mo фольге
cross-section image of a
different parts of film with and
without MoSe2 sublayer
Достигнутые показатели
• Лучшая эффективность лабораторных
образцов CIGS ФЭП достигает 11%.
Ожидается, что оптимизация процессов
позволит создать устойчивые технологии
производства солнечных ячеек Cu(In,Ga)Se2
с эффективностью выше 15% на стеклянных
и 10-12% на металлических подложках.
Преимущества гибких
халькогенидных ФЭП
•
•
•
•
•
Низкая цена при массовом производстве
Простота реализации технология “roll to roll”
открывает перспективы промышленного
производства
Значительное уменьшение расхода
полупроводниковых материалов ввиду малой
активных слоев ( от нескольких десятков нм до
нескольких микрон)
Тонкая легкая гибкая подложка вместо стеклянной
подложки, которая составляет свыше 98% от
полного веса обычных солнечных батарей
Исключительная радиационная стойкость по
сравнению Si и GaAS ФЭП открывает хорошие
перспективы для использования в космосе
Повышение эффективности за счет
люминесцентной конверсии
ФЭП
CdTe/CdS
ЛФ
ФЭП
CdTe/CdS + ЛФ
Спектральный
отклик ФЭП с
люминесцентным
фильтром и без
него
внешний квантовый выход
0.6
ФЭП
ФЭП с ЛФ
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
350
450
550
650
длина волны, нм
750
850
950
Организации-соисполнители
•
Международный Университет «Дубна», Россия, г.Дубна
•
ЦВН НИИ прикладной акустики, Россия, г.Дубна,
•
ООО «НТИЦ "Нанотех-Дубна", Россия, г.Дубна
•
Научно-практический центр НАН Беларуси по
материаловедению», Беларусь, г.Mинск
•
Институт Физики НАН Беларуси, Беларусь, г.Mинск
•
Харьковский политехнический институт», Украина, г.Харьков
•
Воронежский государственный, Россия, г. Воронеж
•
Институт органического катализа и электрохимии, Казахстан,
г.Алма-Ата
Спасибо за внимание !