Основы технологии изготовления кремниевых солнечных фотопреобразователей

Фотоэлектрические преобразователи или солнечные элементы — это полупроводниковые изделия, которые преобразует солнечное излучение в электрический ток. Сегодня на рынке коммерческих систем наземного применения наиболее заметны кристаллические кремниевые (около 80-85% мирового рынка) и тонкопленочные солнечные элементы (около 10% рынка). В статье изложены основы традиционной технологии, разработанной в Украине и внедренной в серийное производство.

Кремниевые солнечные фотопреобразователи

 Фотоэлектрические преобразователи (в литературе часто встречается и другое определение – солнечные элементы от английского solar cells) – полупроводниковые устройства, преобразующие энергию солнечного излучения (солнечную радиацию) в электрический ток. Существует множество способов преобразования солнечной энергии в электрическую, при этом технологически они могут очень сильно отличаться – как физическими принципами, так и технической реализацией. Наиболее эффективными – как с точки зрения организации производства, так и экономической энергетической целесообразности, являются устройства, использующие для преобразования солнечной энергии фотоэлектрические полупроводниковые преобразователи (ФЭП), чьим главным преимуществом является одноступенчатый прямой переход энергии. Анализируя современный рынок коммерческих систем наземной установки, следует отметить, что подавляющая доля (порядка 80-85% от всего объема мирового рынка) приходится на кристаллические кремниевые элементы. Гораздо меньший процент составляют тонкопленочные солнечные элементы (например, CdTe) – порядка 10%. Именно поэтому, ниже мы рассмотрим производство кристаллических кремниевых фотопреобразователей, как наиболее востребованный рынком альтернативной энергетики компонент солнечных батарей.

Твердотельные солнечные элементы

Одним из самых доступных и долговечных, а также энергетически сбалансированных альтернативных источников энергообеспечения является фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Реализация фотоэлектрических преобразователей или солнечных элементов, как правило, основывается на твердотельных технологиях и в целом хорошо отработана. Впервые фотовольтаический эффект был получен в 1941 году, а первый ФЭП создан в 1954 году на основе диффузионного кремниевого p-n перехода. Впоследствии были разработаны и созданы ФЭП на основе других полупроводников с использованием различных конструкций.

При выборе исходного материала для твердотельных ФЭП в первую очередь необходимо учитывать ширину запрещенной зоны полупроводника, которая обусловливает максимальную удельную мощность фотопреобразователя. В настоящее время наиболее пригодными для изготовления твердотельных ФЭП считаются следующие полупроводники: кремний (Si), теллурид кадмия (CdTe), арсенид галлия (GaAs) и фосфид индия (InP).

Сегодняшние фотоэлектрические преобразователи могут быть классифицированы на основе количества для их изготовления материалов, которые делятся на кристаллические и тонкопленочные, поликристаллические или аморфные.

К твердотельным кристаллическим материалам в первую очередь относятся монокристаллический и мультикристаллический кремний, выращенный методом вытягивания через фильеру профилированные ленты кремния, дендритные кремниевые ленты, арсенид галлия. К тонкопленочным материалам относятся полупроводники, выращенные на электрически активных или пассивных подложках, а именно аморфный кремний, теллурид кадмия, диселенида меди и индия.

Наибольшее распространение получили твердотельные кремниевые ФЭП, так как спектральная характеристика поглощения кремния хорошо согласовывается со спектральной характеристикой солнечного излучения. С помощью кремния можно превращать в электроэнергию около 91% энергии падающего светового потока, то есть часть солнечного спектра с длиной волны 1,1 мкм и короче.

ФЭП на основе кристаллического кремния имеют достаточно высокую стоимость, связанную, в первую очередь, с дорогой операцией резки кремниевых слитков на пластины. Кремниевый ФЭП имеет теоретически предельную эффективность около 30% при стандартных условиях (освещенность 1 кВт / м2, температура +25 С, воздушная масса АМ1,5).

Аморфный кремний выступает более дешевой альтернативой кристаллическому кремнию. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллических. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки a-Si: Н толщиной 0,5 … 1,0 мкм вместо дорогих кремниевых 240 микронных подложек. Кроме того, для получения аморфного кремния в виде тонких пленок большой площади не требуется операция резки, необходимая для ФЭП на основе монокристаллического кремния. Все это сокращает расход кремния в 20 раз. Максимальный КПД ФЭП на основе a-Si: Н чуть ниже КПД кристаллических кремниевых ФЭП и теоретически может достигать 16%.

Перспективным материалом, к которому приковано внимание большого числа исследователей, является арсенид галлия, с использованием которого сразу удалось получить достаточно высокий КПД. Несмотря на некоторые недостатки (хрупкость, большая плотность), в арсениде галлия является несомненные преимущества перед кремнием. Учитывая большую ширину Еg его способность превращать длинноволновое излучение ограничено (он поглощает излучение с длиной волны менее 0,9 мкм), но это же приводит к значительно меньшим значениям обратных токов (10-9 … 10-10 А / см2 против 10- 6 … 10-7 а / см2 в кремниевых ФЭП), а также дает возможность получать большие значения Uxx = 0,7 … 0,8 в и достаточно высокий КПД. Кроме того, ФЭП из этого материала характеризуются более медленным падением эффективности с ростом температуры и повышенной способностью к поглощению солнечного излучения.

Кремниевые солнечные элементы

Фотоэлектрические преобразователи или солнечные элементы (solar cells) — это полупроводниковые изделия, которые превращают солнечное излучение в электрический ток. Существуют различные технологии изготовления солнечных элементов, конструкция которых отличается как физическими принципами преобразования солнечного излучения в электрический ток, так и менее существенными деталями. Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для преобразования солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи, поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. Сегодня на рынке коммерческих систем наземного применения, наиболее заметны кристаллические кремниевые (около 80-85% мирового рынка) и тонкопленочные солнечные элементы (около 10% рынка). Далее мы поговорим о производстве кристаллических кремниевых фотопреобразователей, которые являются ключевым компонентом солнечных батарей.

Химическая обработка

Кремниевая пластина – основная и самая дорогостоящая составляющая любого солнечного фотоэлемента. Исходя из технологических особенностей, она может быть либо монокристаллической, либо мультикристаллической. Уже из самого названия становится понятно, что монокремниевая пластина – это фактически один кристалл, из которого различными методами (например, используя проволочную резку) были получены кремниевые пластины требуемого размера и толщины. При обычном производстве из круглых слитков, полученных при выращивании монокремния, вырезают так называемые псевдоквадратные пластины – такая форма позволяет максимально эффективно использовать кремний из круглого слитка, минимизируя технологические отходы. Кроме того, в этом случае можно максимально плотно заполнить поверхность будущей солнечной батареи (солнечного модуля). А мультикремниевые пластины по своей форме – это правильные квадраты, имеющие требуемую толщину и размеры.

Кремниевые солнечные фотопреобразователи

Так как при разрезании слитков на наноуровне возникают поверхности с повреждениями, то возникает необходимость убрать этот нарушенный слой. Использование химического травления позволяет снять слой Si толщиной в несколько микрон, по при этом полученная поверхность окажется слишком гладкой. Это приведет к тому, что большая часть солнечного излучения, падающего на её поверхность, будет отражаться. Так как эффективность солнечных элементов напрямую зависит от количества солнечного света, преобразованного в электрическую энергию, то для её повышения необходимо добиться максимально большего поглощения солнечного потока. Именно поэтому на микроуровне стараются сделать поверхность неровной, такая операция для монокремниевых пластин носит название «текстурирование».

Текстурированная поверхность – это множество микропирамид, расположенных, на первый взгляд, совершенно хаотично. Попавший на поверхность пирамиды солнечный луч переотражается под тем же углом, и, в подавляющем количестве случаев, попадает на плоскость/грань соседней пирамиды. Такое взаимное переотражение, полученное за счет текстурирования поверхности, позволяет снизить коэффициент отражения кремниевой пластины с 35 процентов до 11%.

Кремниевые солнечные фотопреобразователи

Добиться необходимого эффекта – удалить нарушенный слой и сформировать необходимую текстуру на поверхности платины – можно, применив химическую обработку пластины. Выбор температуры, состава растворов и длительности обработки зависит от типа пластин и состояния поверхности, которые необходимо обработать, технологических операций, которые будут осуществляться в дальнейшем, и других факторов. Для монокремниевых пластин обычно используют травление в щелочных растворах с последующей одной (или несколькими) кислотной обработкой. При этом очень важно, при проведении процедур для получения равномерной текстуры поверхности, сохранить как можно большую толщину пластины. Уменьшение толщины пластины, вызванное многочисленными химическими обработками, в итоге приводит к их слишком частому бою при последующих технологических операциях, что вызывает значительное снижение процента годных изделий на выходе.

Пластины, после выполнения всех предусмотренных операций, промывают в воде и сушат. При этом важно точно соблюдать правил проведения этих операций – к примеру, качество сушки сильно влияет на параметры диффузного слоя, которое будет создаваться во время следующей операции.

Диффузионный p-n переход — «cердце» солнечного элемента

Электронно-дырочный p-n переход – одно из основополагающих эффектов в твердотельной микроэлектронике. На использовании физических свойств, присущих ему, основана работа таких известных изделий, как диоды и транзисторы, а также построенных на их основе сложных микросхем. Р-n переход – ключевой элемент, необходимый для создания кремниевых кристаллических фотоэлектрических (фотогальванических) преобразователей. Рассмотрим этот вопрос подробнее.

Полупроводники по типу проводимости классифицируют:

  • р-типа, в которых основной носитель заряда — дырки, общепринятое название — дырочная проводимость;
  • n –типа, в которых основной носитель заряда — электроны проводимости, отсюда и название — электронная проводимость.

При этом, чтобы получить p-n переход, на пластине с одним типом проводимости необходимо создать слой с проводимостью другого типа.

Одно из важнейших свойств p-n перехода – это его способность  пропускать носители тока исключительно в одном заданном направлении, другими словами – выполнять роль энергетического барьера. Поэтому именно этот эффект использован в солнечных элементах для получения электрического тока. Солнечное излучение, попадая на поверхность элемента, провоцирует генерирование в объеме полупроводника свободных разнополярных носителей заряда – положительно заряженные дырки (р) и отрицательно — электроны (n). Выступая в качестве барьера, p-n переход сортирует их, фильтруя на «свою» половину только определенный тин носителей заряда. В результате вместо хаотического движения в объеме полупроводника заряженные частицы, упорядоченно преодолевая p-n переход, оказываются по разным сторонам барьера, создавая напряжение на нагрузке, которая подключена к солнечному элементу.

Конечно, приведенное выше описание достаточно схематичное и упрощенное, но даже в таком виде оно демонстрирует, что p-n переход – важнейший элемент для преобразования солнечной энергии в электрический ток, без его наличия возникновение упорядоченного движения заряженных частиц (электрического тока) невозможно в принципе. Впрочем, это утверждение справедливо только для «классических» полупроводниковых фотогальванических элементов, например, для кремниевых пластин. На сегодняшний день созданы или теоретически описаны и фотопреобразователи, использующие другие физические принципы, их конструкция позволяет обойтись без  p-n перехода, но они пока не получили большего коммерческого использования.

Кремниевые солнечные фотопреобразователи

Рассмотрим подробнее процесс формирования p-n перехода. Как уже говорилось выше, исходные пластины, чтобы получить требуемую степень чистоты и структуру поверхности, первоначально проходят несколько этапов химической обработки. При производстве солнечных фотоэлементов обычно в качестве исходных используют пластины, имеющие проводимость р-типа. Для этого, еще во время этапа выращивания слитков, кремний легируют, внося соответствующие примеси, например, бор. Поэтому, чтобы создать на пластине n-слой, на одну из поверхностей элемента внедряют другую примесь, чьи свойства должны скомпенсировать действие бора, насытив полупроводник свободными отрицательными зарядами n-типа. Этого достигают путем введения фосфора или другой подходящей смеси, которую подбирают из соответствующей части таблицы Менделеева.

Самый распространенный и экономически оправданный способ насытить кремний фосфором – это диффузия, в процессе которой, под воздействием высоких температур, фосфор проникает в структуру полупроводника. Обычно этот процесс проводят в печах (конвейерных или трубчатых) при температуре порядка 800 С.

  • В случае с конвейерной печью, кремниевые пластины лежат на ленте, а вещество, содержащее фосфор, наносится на поверхность путем распыления. После этого пластины конвейером перемещаются в следующую зону, где происходит их обработка при очень высокой температуре
  • При использовании трубной печи, кварцевые пластины предварительно помещают в кварцевые кассеты. Подготовленные кассеты устанавливают в трубу печи, заполненную парами вещества с высоким процентным содержанием фосфора. Управляя направлением потоков газов внутри реактора, температуру, а также длительность нахождения в нем кварцевых пластин, создают p-n переход, который имеет необходимые для дальнейшей эксплуатации свойства.

Результат проведения диффузии фосфора – формирование у кремниевой пластины, толщина которой составляет 200 мкм, на торцах и поверхности слоя n-типа, глубина проникновения в пластину которого — около 0,3…0,5 мкм. Иначе говоря, p-n переход образуется практически у самой поверхности создаваемого солнечного элемента. Это делается для того, чтобы свободные носители зарядов, отрицательные и положительные, возникшие под воздействием солнечного излучения, как можно быстрее попадали в область действия p-n перехода. В противном случае, разнополярные заряды, встретившись друг с другом, взаимно скомпенсируются, не внеся никакого вклада в генерирование электрического тока.

Плазмохимическое травление

Конструкция солнечного фотоэлемента предусматривает обязательное наличие p-n перехода в непосредственной близости от одной из плоскостей – эту поверхность принято называть рабочей или лицевой стороной, а противоположную ей – тыльной. Стандартно, на лицевой поверхности размещают токосъемную решетку, в то время как на тыльной стороне – сплошной контакт. Во время диффузии n-слой формируется не только на лицевой (рабочей) стороне, но и на торцах пластины, а также и по периметру тыльной стороны. Так как n-слой очень сильно насыщен примесями, то он выступает в качестве отличного проводника, что может спровоцировать электрическое замыкание между токосъемными контактами – лицевыми и тыльными.

Чтобы решить эту проблему, n-слой необходимо удалить с торцов пластин физическим способом. Этот процесс можно реализовать плазмохимическим или химическим травлением, лазером или механическим способом. Не рассматривая достоинства и недостатки каждого выше приведенного метода, просто отметим, что наиболее рациональным (как в плане технологического решения, так и финансовых затрат) методом является плазмохимическое травление (общепринятая аббревиатура — ПХТ). Операция плазмохимического травления – это обработка стопки кремниевых пластин, плотно прижатых друг к другу, в плазме. На качество проведения процесса удаления кремния влияет несколько факторов:

  • состав плазмы
  • длительность обработки
  • какое направление имеют потоки ионов в реакторе
  • плотность прилегания пластин
  • как расположены пластины
  • размер стопки (количество пластин)

Отклонение от оптимального (рекомендованного по технологии) режима может в результате привести к двум противоположным результатам:

  • На торцах платин не произойдет удаление n-слоя, что вызовет замыкание солнечного элемента по торцам, когда будет проведено формирование контактов.
  • Произойдет удаление n-слоя не только на торцевой части пластины, но также и по периметру как лицевой, так и тыльной поверхности. В этом случае замыкание произойдет на лицевой стороне пластины в месте, где возникнет контакт областей, имеющих различные типы проводимости.

На рисунке ниже представлен фрагмент кремниевой пластины с имеющимися на лицевой части затравами после проведения ПХТ:

Кремниевые солнечные фотопреобразователи

Проблемы, описанной в первом случае, можно избежать, если контролировать тип проводимости, который образуется на торцах обрабатываемых пластин, при необходимости – отправляя их на повторное плазмохимическое травление. Проблема, описанная во втором случае – несколько сложнее, ведь лицевая поверхность, полностью испорченная как по электрическим параметрам, так и внешнему виду, потребует отправки для проведения первоначальных технологических операций. Следует учесть, что проведение повторного текстурирования вызовет уменьшение толщины пластины, как следствие – рост процента битых пластин при выполнении последующих операций. Дополнительные обработки пластин, не только снижают в итоге количество годных изделий, но и требуют дополнительных затрат, что в целом ухудшает экономические показатели производства.

Антиотражающее покрытие

Текстурирование поверхности кремниевой пластины позволяет в среднем снизить отражение с 35% до 11-12%. Но даже при этом фактически десятая часть солнечного излучения, которое поступает на плоскость солнечного элемента, будет отражаться, то есть будет потеряно, так как оно не вызовет образования свободных частиц и выработку тока. Чтобы уменьшить потери, вызванные отражением солнечной энергии (эти потери принято классифицировать как оптические), во время выполнения последующей технологической операции происходит нанесение на рабочую (лицевую) поверхность солнечного элемента антиотражающего покрытия (АОП). Инженеры, опираясь в своих расчетах на законы оптики, подбирают коэффициент преломления и толщину покрытия таким образом, что удается уменьшить отражение до значения 1-2%, а это уже приемлемый показатель.

Кремниевые солнечные фотопреобразователи

Сегодня в производстве солнечных панелей используются различные типы антиотражающих поверхностей, которые могут наноситься различными способами (PECVD, LPCVD, APCVD и т.п.). На практике, все большее применение в качестве АОП находят пленки нитрида кремния и оксида титана, при этом первому предпочтение отдается все чаще. Для нанесения нитрида кремния обычно используют метод PECVD, который заключается в химическом напылении покрытия из газовой фазы, ускоренном плазмой, в особых трубчатых печах.

Кремниевые солнечные фотопреобразователи

Во время процесса PECVD химический реактив, попав в зону реактора, под воздействием температуры и плазмы распадается на отдельные элементы, оседающие на поверхность пластины, где вступают в химическую реакцию. Результат – на лицевой (рабочей) плоскости возникает тончайшая пленка, созданная молекулами нитрида кремния, обладающая необходимыми свойствами. Такая пленка имеет толщину порядка 70 нм, что гораздо меньше тех размеров, которые имеют микропирамиды текстуры. Таким образом, удается значительно уменьшить потери солнечной радиации, вызванные отражением от пластины, но при этом сохранить необходимую структуру рельефа.

Еще одним преимуществом этого метода является равномерность нанесения покрытия по всей площади пластины. Оценить качество и толщину нанесенного АОП можно даже визуально, без специального оборудования – чем неравномернее нанесен слой, чем больше колеблется его толщина, тем сильнее будет меняться окраска по всей площади пластины. Аналогичную интерференцию света можно увидеть, если наблюдать за бензином, попавшим в лужу – пленка будет переливаться, играя всеми цветами радуги. Цвет будет изменяться в зависимости от того, как натягивается пленка бензина на поверхности воды, тем самым – будет изменяться и её толщина. Другие методы формирования антиотражающего покрытия на кремниевой пластине гораздо сложнее в технологическом плане, например, требуют предварительно нанести специальный раствор на плоскость пластины. Добиться идеально равномерного распределения практически невозможно – из-за пирамидальной структуры поверхности пластины, наносимое вещество, не задерживаясь на вершине пирамидок, будет собираться между микропирамидками в «ущельях». В итоге это приводит к ухудшению параметров солнечного элемента и снижению объемов вырабатываемой электроэнергии.

Нанесение  АОП гарантирует поглощение пластиной большей части солнечной энергии, которая попадает на пластину кремния. При этом толщину покрытия подбирают так, чтобы обеспечить наиболее эффективную работу солнечного элемента в самом действенном диапазоне спектра – в его синей части. Именно поэтому солнечные панели имеют глубокий, насыщенный темно-синий цвет.

Контактная металлизация солнечного фотопреобразователя

Солнечный элемент с нанесенным антиотражающим покрытием уже фактически готов к работе. Под воздействием солнечного света в нем уже происходит генерация свободных носителей зарядов, которые, после фильтрации p-n переходом, способны выдать электрический ток. Но для этого необходимо их передать во внешнюю цепь – на нагрузку, а для этого потребуется на поверхности солнечного элемента сформировать контакты.

Лицевая контактная металлизация кремниевых ФЭП

Основное предназначение лицевой поверхности – максимально возможное поглощение падающего на неё солнечного излучения. Исходя из этого, и определяются главные технические требования к созданию контактной металлизации. Именно поэтому контакт, который установлен на лицевой рабочей стороне пластины, изготавливают в виде решетки, состоящей из широких контактных площадок (обычно 2-3) и нескольких десятков токособирающих линий, очень тонких, которые располагают перпендикулярно относительно широких контактов.

Выбор дизайна лицевого контакта – это поиск оптимального решения двух противоположных задач:

  • С одной стороны, необходимо минимизировать оптические потери, вызванные затенением лицевой поверхности пластины металлом – поэтому линии решетки стараются изготовить как можно тоньше и при этом расположить их на максимально возможном удалении друг от друга.
  • С другой стороны, следует учесть, что поверхность элемента, как и любой другой проводник, обладает собственным электрическим сопротивлением (оно определяется особенностями режима диффузии, при котором происходило формирование p-n перехода). Поэтому часть свободных носителей зарядов, из-за слишком большого расстояния между элементами контактной решетки, успеет рекомбинировать внутри полупроводника, не успев достигнуть контакта. Поэтому, чтобы снизить энергетические потери, исходя из имеющегося значения поверхностного сопротивления пластины, расстояние между соседними линиями контактной решетки не может быть больше определенного значения.

Аналогичная ситуация складывается и при выборе ширины линии. Для уменьшения оптических потерь требуется линия минимальной толщины. Но с другой стороны – чем тоньше линия/проводник, тем больше будет значение сопротивления, а значит – и потери при передаче тока от солнечного элемента к полезной нагрузке. Кроме того, сам процесс производства линий-проводников накладывает свои ограничения по минимальной ширине. К примеру, произвести контакт, имеющий ширину 125 мкм – достаточно просто, в то время как выпуск проводника толщиной 80 мкм – процесс очень сложный и затратный, он оправдан, к примеру, при необходимости проведения лабораторных исследований.

Кремниевые солнечные фотопреобразователи

Чтобы снизить стоимость готового солнечного элемента, обычно контактную металлизацию наносят, используя метод шелкографии (трафаретной печати). Его суть заключается в том, что используя так называемый ракель (упрощенно говоря – резиновый брусок) через мелкую сетку, выполняющую роль трафарета, продавливается специальная паста, содержащая флюс, металлические шарики и разные связывающие добавки. Так как в состав пасты входят довольно твердые элементы, чтобы увеличить стойкость при выпуске солнечных элементов используют трафареты, изготовленные на металлических сетках. Параметры сита определяются исходя из ширины тонких линий контактной металлизации – обычно сито-трафарет содержит 165-325 отверстий на дюйм. Эти параметры в итоге позволяют получить контакты, ширина которых равна 125 мкм, при этом точность позиционирования (т.е. насколько точно они располагаются в предусмотренном проектной схемой месте) – не хуже 10 мкм.

Благодаря заданному на сетке рисунку-трафарету, на пластине формируются места с нанесенной пастой. Именно здесь, после подсушивании пасты и термической обработки пластины при температуре выше 800 С в печи вжигания, произойдет впекание металла в поверхность фотоэлектрического элемента.

Современные технологии производства солнечных элементов для получения лицевой металлизации предусматривают использование сложносоставных паст с содержанием серебра. Тип и свойства пасты оказывают сильное влияние на характеристики готовой солнечной пластины. К примеру, использование серебросодержащих паст, совершенствование их состава и способа нанесения за последние несколько лет позволило увеличить КПД фотоэлектрических элементов на 1-1,5%. Если учесть, что среднее значение КПД солнечного элемента, изготовленного на основе кремниевой пластины, колеблется в пределах 15-17%, то даже повышение его эффективности на 1% приводит к существенному приросту объемов генерируемой электроэнергии.

Рассматривая особенности и сложности технологии получения лицевой металлизации, обязательно следует отметить еще один важный момент. Как отмечалось выше, глубина залегания p-n перехода, полученного в результате диффузии фосфора, составляет порядка 0,5 мкм. Вжигание серебряной пасты должно обеспечить проникновение металла как можно глубже в n-слой кремниевой пластины, но при этом необходимо не допустить его проникновения на глубину, где произойдет его соприкосновение с p-слоем. В этом случае, из-за установившегося электрического контакта между двумя типами проводника, солнечный элемент станет короткозамкнутым. Именно в этом и заключается сложность выполнения операции вжигании пасты – с одной стороны, чтобы обеспечить надежность соединения, металл должен как можно глубже проникнуть в глубину пластины, а с другой – чрезмерное проникновение вызовет отказ пластины. Чтобы добиться такой поистине ювелирной точности, термообработку пластин с нанесенной пастой проводят в особых высокоскоростных печах, в которых удается достичь пикового температурного воздействия на пластину в течение краткого (порядка 10-15 секунд) отрезка времени.

При использовании устаревшей технологии, при которой вжигание проводится медленными конвейерными печами, пластина находится в зоне интенсивного термического воздействия достаточно долго – около 3 минут. Следует отметить, что и в этом случае произведенные солнечные элементы обладают в целом приемлемыми параметрами, но использование современных технологических процессов, усовершенствованных по составу паст и высокоскоростных печей позволяет в итоге получить изделие, которое имеет  КПД, как минимум, на 0,5 процентов больше. Такая прибавка позволяет за год значительно увеличить суммарную мощность выпущенной продукции.

Кремниевые солнечные фотопреобразователи

Тыльная контактная металлизация солнечных элементов

На тыльную поверхность солнечного элемента обычно наносят два типа металла. Это связано с тем, что в отличие от лицевой металлизации, которая выполняет исключительно функцию электрического контакта, на тыльную металлизацию возлагается еще одна дополнительная задача. Практически всю тыльную поверхность пластины покрывает сплошной слой алюминия, в котором предусмотрено несколько отверстий, служащих для формирования в них серебряной металлизации, которая выполняет функцию контакта.

Необходимость нанесения сплошного алюминиевого слоя заключается в том, что он выступает своего рода зеркалом для свободных носителей заряда. Только в этом случае речь идет не об оптическом, а энергетическом зеркале. Как уже говорилось выше, свободные дырки и электроны имеют свойство со временем рекомбинировать – осуществлять переход из свободного состояния в связанное. Рекомбинации происходит, если в одном месте встретятся два разнополярных заряда. Нанесение слоя алюминия призвано избежать одного из крайних видов рекомбинации – поверхностной. Дело в том, что любая поверхность кремниевой пластины – это множество оборванных связей кристаллической решетки (визуально это можно представить вроде железобетонной плиты с разрушенными торцами, откуда хаотически торчат концы арматуры). Эти оборванные связи выступают в роли «ловушек», поглощающих свободные носители заряда. Чтобы свести к минимуму влияние данного типа рекомбинации с помощью алюминиевой металлизации создают тыльное поле (общепринятая аббревиатура – BSF, от английского back side field), которое должно «отзеркаливать» носители заряда, не давая им возможности рекомбинировать, тем самым – увеличивая количество частиц, создающих электрический ток.

Использование алюминиевой металлизации, наносимой на тыльную сторону солнечного элемента позволяет увеличить генерацию на десятки МВт по сравнению с панелями, которые не имеют слой алюминия на нерабочей стороне. Если взять стандартную солнечную панель мощностью 24В, то нанесение слоя алюминия увеличивает мощность в среднем на 0,5 В, что составляет целых 2% увеличения значения мощности. Если просуммировать все указанные выше способы повышения мощности, то можно отметить, что все они по отдельности позволяют незначительно увеличивать производительность, но в целом это приводит к существенному увеличению генерируемой мощности.

Сплошной слой алюминия, подобно серебросодержащему контакту, на тыльной стороне фотоэлектрического элемента формируется аналогичным способом – трафаретной печатью. В этом случае просто корректируется рисунок трафарета, а также параметры сетки, используемой для нанесения пасты. Из-за того, что входящие в состав пасты частицы алюминия по размеру крупнее, то и сетки приходится использовать с более крупными ячейками, чем используются для нанесения серебросодержащих паст. Кроме того, имеются отличия как в натяжении сетки, так и параметрах, и особенностях самого процесса. Основное отличие заключается в том, что пасту необходимо просушить в специальной печи после нанесения каждого слоя. И только после того, как нанесены и просушены все три слоя (1 – на лицевой стороне и 2 – на тыльной), пластина отправляется на процесс вжигания.

Кремниевые солнечные фотопреобразователи

Если анализировать в целом весь процесс трафаретной печати, то следует отметить, что он – достаточно капризный, поэтому требует определенного опыта и навыков у всех, кто принимает в нем участие – от инженеров, которые разрабатывают проект солнечного элемента, до наладчиков и операторов в производственных цехах. К примеру, большое значение имеет температура воздуха и влажность в цехах, наличие сквозняков – эти факторы влияют на многие свойства паст, например, на вязкость. Даже изменение температуры в производственном помещении на 2-4 градуса потребует трудоемкой перенастройки всех технологических процессов. Кроме того, при подготовке необходимо учитывать условия и срок хранения паст, настройки принтера, состояние ракеля, а также характеристики воздуха, который будет нагнетаться в печь вжигания. Сложность операции формирования металлизации еще и в том, что это – последняя операция в технологическом процессе. Т. е. к этому времени уже прошло накопление неточностей и ошибок, произошедших на предыдущих стадиях, например, в начале изготовления все заготовки имеют практически одинаковые размеры и параметры. Но после выполнения целого ряда операций пластины даже в одной партии могут существенно отличаться, поэтому добиться оптимальных кондиций для проведения металлизации значительно сложнее, чем для начальных операций. Своеобразным утешением за преодоление всех сложностей можно считать тот факт, что это – последняя операция и по её окончании будет получен законченный солнечный элемент, который будет необходимо протестировать, рассортировать по параметрам и подготовить к отправке покупателю.

Тестирование и сортировка готовых солнечных элементов

Перед отправкой потребителю любое изделие, вне зависимости от степени сложности, должно пройти тестирование с целью определения/проверки его работоспособности и параметров. И в этом плане готовые солнечные панели не исключение, но с их тестированием есть определенные трудности.

Связаны они с тем, что производительность панели, т.е. количество вырабатываемого ей электричества зависит от очень большого количества параметров. Прежде всего, большое значение имеет освещенность, которая сильно изменяется не только в зависимости от времени дня, но и также от времени года, географической ширины, облачности и т.д. Именно поэтому, чтобы полученные результаты тестирования разных солнечных панелей можно было считать корректными и их можно было сравнивать, необходимо создать равные условия, другими словами – стандартизировать условия тестирования и измерения параметров солнечных элементов:

  • Интенсивность излучения – основной параметр, характеризующий солнечное излучение, выражается в мощности, которая приходится на единицу площади. Этот параметр сильно отличается для разных районов Земли, к примеру, максимальное значение интенсивности солнечного излучения может достигать значения в 1300 Вт на квадратный метр. Стандартное значение интенсивности излучения, принятое для удобства и единства условий тестирования солнечных панелей, составляет 1 кВт/кв. м
  • Спектральный состав света – определяет, как распределена мощность солнечного излучения в зависимости от длины волны. Это второй по важности параметр для тестирования солнечных панелей, специально для его характеристики введено понятие «воздушная масса» (Air Mass — АМ). Значение воздушной массы АМ0 соответствует спектральному составу излучения за пределами атмосферы Земли, а воздушная масса АМ1 – определяет излучение, которое достигает поверхности Земли в том случае, когда Солнце расположено строго над местом измерения, другими словами – лучи света преодолели 1 атмосферу. Для проведения тестирования выбран АМ1,5, который соответствует спектральному составу света, который прошел 1,5 атмосферы
  • Температура – еще один важный параметр, который влияет на точность проведения тестирования. Известно, что объем вырабатываемой электроэнергии зависит от температуры солнечной батареи, при повышении температуры объемы генерации электричества сокращаются. Поэтому принято проводить тестирование при температуре воздуха 25 градусов по Цельсию.

Кремниевые солнечные фотопреобразователи

Тестирование солнечного элемента позволяет псреди прочего роверить/измерить несколько важных параметров:

  • ток короткого замыкания Iкз,
  • максимальную мощность Pмакс,
  • напряжение холостого хода Uхх,
  • коэффициент полезного действия Eff (какая часть солнечной энергии, падающей на плоскую поверхность солнечной панели, преобразуется в полезную электрическую мощность на нагрузке).

Измерение параметров и характеристик солнечных панелей проводится с использованием тестеров или тестеров/сортировщиков, которые могут быть импульсивными или вырабатывать облучение непрерывного действия. Преимущество импульсных тестеров в том, что благодаря очень кратковременному излучению, солнечная панель не успевает нагреться, что значительно увеличивает точность и достоверность получаемых характеристик. Кроме того, тестеры классифицируют по типу ламп, которые создают излучения с разной спектральной мощностью.

Кремниевые солнечные фотопреобразователи

Стандартный тестер состоит из эталонного солнечного элемента и встроенного компьютера, обобщающего полученные при измерении значения и приводящий их к значениям, которые были бы получены при полном соблюдении стандартов измерения. Это только на первый взгляд измерение представляется достаточно простой и тривиальной задачей, но на самом деле, чтобы получить корректные значения, необходимо учесть целый ряд факторов, основными из которых можно выделить следующие:

  • Поскольку вырабатываемый солнечным элементом электрический ток прямо пропорционален интенсивности освещения, при проведении тестирования необходимо добиться стабильности освещенности, её значение должно быть известным и постоянным.
  • Необходимо достичь как можно большей однородности света по всей поверхности тестируемой панели.
  • Спектральное распределение создаваемой освещенности должно максимально точно соответствовать спектральному распределению, характерному для естественного солнечного света.
  • Необходимо определить температуру солнечного элемента и поддерживать её фиксированной на протяжении всего времени тестирования.
  • Потребуется исключить нестабильность напряжения в электрической цепи измерительного комплекса и непосредственно на контактах – падение напряжения существенно влияет на точность проводимых измерений.

Добиться однородности излучения можно, воспользовавшись двумя самыми распространенными способами:

  • Задействовать точечный источник излучения – в этом случае необходимой однородности можно добиться, разнеся тестируемый образец солнечной панели и источник света на значительные расстояния, например, на несколько десятков метров.
  • Воспользоваться специальной оптикой с рассеивающими и отражающими элементами – достаточно сложный в плане практической реализации способ, ведь в этом случае придется постоянно контролировать настройку оборудования, своевременно внося необходимые коррективы. Кроме того, потребуется компенсировать влияние рефлектора (а также и прочих используемых оптических приборов) на спектральное распределение мощности излучения, применив дополнительную фильтрацию.

В первом варианте необходимо часто контролировать и настраивать оборудование, а также компенсировать влияние рефлектора и других оптических элементов на спектральное распределение с помощью дополнительной фильтрации, что приводит к большим трудностям в использовании. Во втором варианте необходимо однородность достигается разнесением источника и тестируемого образа на значительное расстояние. Наиболее распространенными в промышленности являются импульсные тестеры с ксеноновой лампой.

Итак, выше были изложены основы традиционной технологии, разработанной в Украине и внедренной в серийное производство. Это была, наверное наиболее распространенная технология создания кремниевых солнечных элементов с контактами, нанесенными методом трафаретной печати. Как может показаться, процесс производства фотоэлектрических преобразователей достаточно простой по сравнению с изделиями традиционной микроэлектроники. Но это только на первый взгляд. На самом деле в технологии фотоэлементов существует огромное множество трудностей, подводных камней и нюансов.

Солнечные батареи космического и наземного применения

К проблеме освоения энергии солнечного света привлечено в настоящее время внимание специалистов разных научных дисциплин. Особенно большие успехи достигнуты на пути создания полупроводниковых солнечных элементов и батарей различных конструкций. Все больше, легче и мощнее становятся солнечные батареи (СБ) космических аппаратов и станций, все шире их применения на земле, все выше КПД и разнообразнее их свойства.

Развитие теории и опыт прошлых лет позволили описать физические механизмы фотоэффекта, определить источники потерь мощности в ФЭП, объяснить реально полученные КПД и указать пути их повышения. Зонная теория твердых тел в сочетании с термодинамикой системы полупроводник-излучение позволил сделать оптимальный выбор исходного полупроводника, введя понятие и определив значение предельного теоретического КПД. И хотя не всегда удавалось довести уровень знаний к пониманию всех сложных электронных процессов, происходящих в объеме полупроводника или на его поверхности — контактах с воздухом, металлами или другими веществами. Однако, как правило выяснялось, как можно избежать влияния негативных явлений, усилить роль положительных и разработать модели совершенствования.

Необычные эксплуатационные условия (невесомость, глубокий вакуум, контрастные изменения температуры) не позволяют широко использовать в условиях космоса известные на Земле традиционные методы получения электричества. Поэтому основным источником электроэнергии для космических аппаратов являются солнечные батареи. И развитие космической техники требует дальнейшего совершенствования и повышения их технико-экономических показателей. Работа в космосе предъявляет СЕ очень жесткие и порой противоречивые требования. Действительно, поглощая максимум мировой энергии, они не должны перегреваться. В то время как диоды и транзисторы размещаются в герметичных, иногда теплоизолированных приборных отсеках, панели солнечных элементов нагреваются до 80 ° С, когда их освещает Солнце, и остывают до -150 ° С при заходе космических аппаратов в тень Земли. Кроме этого, солнечные батареи должны обладать способностью длительное время противостоять потокам корпускулярного излучения, воздействия частиц высоких энергий и метеоритным потокам.

Но не менее жесткие требования предъявляются к фотоэлектрическим преобразователям эксплуатируемым в наземных условиях. Это связано с растущим спектром применения СБ Украины. Сначала солнечные батареи использовались только в портативной технике, срок службы и энергопотребление которых невелика. Сейчас ФЭП используются как автономные источники питания для систем навигации и связи, систем телекоммуникаций и дополнительные источники электроэнергии, которые работают в часы пиковой нагрузки в электросети. Эти источники энергии должны обладать большой мощностью, большим сроком службы и устойчивостью к климатическим условиям. Сами же ФЭП должны быть недорогими и иметь возможность соединения в большие батареи.

Наибольшее распространение получили кремниевые ФЭП, что связано с хорошо развитой технологией, относительной дешевизной сырья и хорошими параметрами кремния с точки зрения непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую. Основными направлениями улучшения параметров фотоэлектрических преобразователей являются: оптимизация параметров существующих преобразователей, совершенствование технологии изготовления ФЭП с целью снижения материальных и энергетических затрат на их изготовление, применение новых материалов в технологии ФЭП. Об этом и многом другом мы будем писать еще не раз.

Влияние дефектов на количество ФЭП

В полупроводниковых материалах, используемых при производстве фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), сначала имеют место дефекты различного типа, которые зависят в первую очередь от способа и условий получения полупроводника. Активность дефектов определяется их типом, размером поля деформации, взаимодействием дефектов друг с другом и примесями, расположением дефектов по отношению к активным областям ФЭП, типу и особенностями изготовления ФЭП.

Различные термические и механические процессы, которые имеют место на всех этапах изготовления твердотельных ФЭП, могут приводить к появлению новых структурных дефектов, а также дополнительных примесей в обрабатываемом материале. Кроме того, в ходе проведения технологических операций возможны изменения природы существующих дефектов и развитие новых дефектов. Дефектообразования на каждой стадии технологического процесса сильно зависит от предыдущих операций и режимов проведения дальнейших операций.

Структурные дефекты существенно влияют на продолжительность жизни носителей заряда и удельное сопротивление материала, что приводит в результате к изменению вольтамперных характеристик ФЭП. Дефекты вызывают увеличение токов утечек, приводят к появлению локального пробоя p-n перехода, неоднородности фронта диффузии примесей, обрыва металлизации, проколов оксида, в свою очередь приводит к деградации ФЭП, а также снижение процента выхода годных изделий и их надежности.

Дефекты конструкции кремниевых ФЭП

К выходным дефектам структуры фотоэлектрических преобразователей относятся агломераты точечных дефектов, дислокации и их скопления, планарные дефекты типа двойников, дефекты упаковки, границы зерен, а также преципитаты и микродефекты, которые расположены внутри зерен, макродефектов материала и т.п. Отклонение в ходе проведения технологических операций, загрязнение поверхности и объема полупроводникового материала, жидких и газообразных технологических сред, термические и механические процессы также приводят к появлению и развитию дефектов, связанных с несовершенством конструкции ФЭП.

При исследовании образцов были обнаружены следующие виды конструктивных дефектов кремниевых ФЭП: дефекты структуры и загрязнения поверхности кремниевых пластин, дефекты структуры антиотражающего покрытия (АОП), неравномерность глубины залегания тыльной изотипных переходов, механические сколы по периметру пластин, дефекты контактной металлизации.

Остатки нарушенного слоя кремния приводят к увеличению скорости поверхностной рекомбинации и уменьшения спектрального отклика ФЭП. Неравномерность высоты пирамид текстуры может быть причиной неравномерности толщины АОП и, соответственно, увеличения интегрального коэффициента оптического отражения от поверхности ФЭП. Наличие на поверхности пластин частиц металла и других загрязнений приводит к шунтированию эмиттерного перехода.

Трещины и поры в АОП возникают при высокотемпературной обработки пластин вследствие различия коэффициентов термического расширения материала покрытия и кремния. Эти дефекты приводят к уменьшению оптического коэффициента пропускания АОП и увеличения оптических потерь.

Неравномерность глубины залегания тыльной изотипного перехода возможно при неоптимальных или нестабильных режимах нанесения и вжигания алюминия на тыльной поверхности ФЭП. Уменьшение глубины тыльной изотипного перехода приводит к росту скорости рекомбинации на тыльной поверхности пластины и снижения напряжения холостого хода прибора.

Механические сколы появляются при контактах пластин с технологическим оснащением, пинцетами и т.п., а также в результате неаккуратных манипуляций с пластинами. Механические с тех пор являются причиной образования в пластинах микротрещин, которые приводят к существенной деградации электрических параметров ФЭП.

К дефектам контактной металлизации относятся:

  • разрывы и неравномерность ширины серебряной контактной шины, появление белых участков и отклонения геометрии рисунка металлизации вследствие дефектов трафарета при нанесении контактов методом трафаретной печати;
  • неравномерность толщины металлизации;
  • отсутствие адгезии лицевой или тыльной контактной металлизации в результате отклонения от оптимальных режимов вжигания и загрязнений на поверхности пластин
  • отслаивание и отпадение алюминиевой металлизации из-за разницы коэффициентов термического расширения кремния и алюминия.

Дефекты контактной металлизации приводят к возникновению механических напряжений пластин, уменьшение плотности тока короткого замыкания и невозможности соединения ФЭП в модуле для получения заданных значений тока и напряжения в рабочей точке.

Снижение потерь энергии в ФЭП наземного применения

Для снижения оптических потерь, связанных с неполным использованием падающего на поверхность фотоэлектрического преобразователя излучения, в настоящее время наиболее широко применяются следующие методы:

  • структурирования поверхности приводит к снижению интегрального коэффициента отражения ФЭП;
  • нанесение на поверхность ФЭП одно- или двухслойного антиотражающего покрытия;
  • уменьшение площади контактов на лицевой поверхности для снижения потерь на затенение;
  • нанесение на тыльную поверхность ФЭП металлического слоя увеличивает эффективность поглощения длинноволнового излучения за счет его многократного прохождения через объем полупроводника;
  • уменьшение глубины эмиттерного перехода и снижение концентрации легирующей примеси вблизи лицевой поверхности для повышения чувствительности ФЭП в коротковолновой части спектра.

Электрические потери энергии обычно уменьшаются с помощью следующих методов:

  • выбор оптимального шага и толщины контактных шин на лицевой поверхности для снижения последовательного сопротивления ФЭП;
  • использование гетерирующих обработок, увеличивают время жизни неосновных носителей заряда;
  • пассивация лицевой поверхности для снижения скорости поверхностной рекомбинации;
  • пассивация тыльной поверхности и создания изотипних перехода;
  • минимизация площади контактов и дополнительное легирование приконтактных областей для уменьшения рекомбинационных потерь на границе раздела металл-полупроводник.

Ниже вы можете ознакомиться с наглядным графиком, который иллюстрирует последние достижения по эффективности фотоэлектрических преобразователей, изготовленных по различным технологиям.

Кремниевые солнечные фотопреобразователи