Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/Archiv/Elc1979/D19790719Elc045.shtml

Часть 3. Альтернативы кремнию

Кремний — не единственный материал для изготовления солнечных элементов. Многие комбинации различных материалов, образующих гетеропереходы, и даже слои одного и того же материала с различно внесенными примесями, образующие гомопереходы, также дают фотоэлектрический эффект, проявляющийся в различной степени.

Например, сульфид кадмия (CaS) при соединении с некоторыми другими материалами образует солнечный элемент с высоким к.п.д., который теоретически достигает 16%, и с потенциально низкой стоимостью производства. Подобно аморфному кремнию CdS является сильным поглотителем света, так что довольно производительные элементы можно сделать толщиной всего 8 мкм, затратив тем самым очень мало материала. Однако, также как элементы из аморфного кремния, большинство теперешних элементов из CdS обычно имеют к.п.д. преобразования значительно меньше теоретического.

Исключение представляет элемент, основанный на использовании сульфида кадмия и сернистой меди (рис.7). При помощи элементов из CdS/CusS были получены к.п.д. преобразования более 9%, а некоторые организации считают возможным достижение к.п.д. преобразования 14—16%. Более того, эти же исследователи предсказывают, что методы, заимствованные у химиков-технологов, позволят к 1990г. производить такие элементы по цене 10—30 цент/Вт.

Двумя организациями, которые продолжают занимать ведущее положение в работах с сульфидом кадмия, являются Институт преобразования энергии, представляющий собой независимую группу разработчиков, созданную при университете шт.Делавэр (Ньюарк), и Штутгартский университет в ФРГ.

В июне 1978г. директор Института преобразования энергии Аллан Барнет сообщил, что ему удалось достичь к.п.д. 9,15%. Он также поразил некоторых специалистов по кремнию предсказанием того, что тонкопленочные элементы из CdS/Cu2S смогут продаваться по цене 35 цент/Вт уже в 1982г., что значительно превосходит целевую установку министерства энергетики на1986 г., составляющую 70 цент/Вт.1{Электроника, 1973, №13, с.7}. Барнет предполагает пройти рубеж 10% «в течение года» путем добавления к подрешетке кадмия цинка с концентрацией около 25%. Цинк снижает рассогласование между решетками CdS и Cu2S и повышает напряжение разомкнутой цепи элемента.

Два активных слоя в одной структуре. Этот гетеропереход сульфид кадмия/сульфид меди типичен для тонкопленочных фотоэлектрических элементов. Он состоит
Рис.7. Два активных слоя в одной структуре. Этот гетеропереход сульфид кадмия/сульфид меди типичен для тонкопленочных фотоэлектрических элементов. Он состоит из двух активных слоев: поглотителя-генератора и коллектора-преобразователя, которые имеют сходную структуру кристалллической решетки, но противоположную проводимость.

Тем временем институт постепенно организует пять независимых компаний для лицензирования его CdS-технологии и создания опытного производства на основе технологического процесса, показанного на рис. 8. Фирма SES Inc., также расположенная в Ньюарке (шт. Делавэр) и являющаяся филиалом компании Shell Oil, уже сообщала об ограниченном производстве элементов из CdS/Cu2S с к.п.д. 6,5 % на предприятии, которое еще не закончено строительством и которое со временем должно производить элементы на общую мощность 1 МВт ежегодно.

Другой фирмой, создающей опытное предприятие по производству CdS-элементов, является Photon Power Inc. (Эль-Пасо, шт.Техас). Фирма Photon Power сотрудничает также с фирмой Libbey-Owens-Ford в разработке методов непосредственной подачи продукции стекольного цеха в технологическую линию по производству подложек для CdS-элементов, для того чтобы снизить цены до 5—15 цент/Вт. Их главная задача — повысить скорость производства элементов с нынешних 2 см/мин до 20 см/мин, как на линии производства стекла.

Штутгартский университет также создал небольшую производственную линию и сейчас выпускает элементы из CdS/Cu2S размером 7*7 см с к.п.д. 6,7%. Элементы изготовляются путем напыления пленки на стеклянную подложку, после чего пленка погружается на несколько секунд в раствор хлористой меди, а затем элемент герметизируется между стеклянными пластинками. (В противоположность этому Институт преобразования энергии получает переходы на металлической подложке в результате реакции напыленной CuCl с CdS.) Западногерманские ученые сейчас исследуют применение метода реактивного распыления для улучшения контроля за нанесением слоев CdS и Cu2S. Такими же работами занимаются в Исследовательских лабораториях фирмы Lockheed (Пало-Альто, шт.Калифорния) и в Ливерморской лаборатории им. Лоуренса.

Еще один перспективный элемент на основе CdS — это элемент с гетеропереходом из сульфида кадмия и смешанного селенида меди-индия. Отделение военных систем фирмы Sperry Univac (Сент-Пол, шт.Миннесота) и фирма Boeing Aerospace Corp. (Сиэтл, шт.Вашингтон) пытаются при финансовой поддержке Института исследований солнечной энергии создать элемент из CdS/CuInSe2 площадью по меньшей мере 4 см2 и с минимальным к.п.д. преобразования 8%.

Для выпуска на рынок любых элементов на базе CdS потребуется тщательное внимание к их обработке и герметизации, поскольку кадмий токсичен и может вызывать загрязнение окружающей среды и наносить вред людям. Однако эта трудность преодолима, равно как и то обстоятельство, что кадмия в природе не столь много, как кремния. Добычи кадмия в США достаточно для обеспечения ежегодного производства свыше нескольких тысяч мегаватт до конца нынешнего столетия, однако развертывание производства выше этого уровня может вызвать нехватки.

Внимание к арсениду галлия

Другой перспективный тип солнечных элементов строится на арсениде галлия. Элементы на GaAs более дороги в производстве, чем элементы из монокристаллического кремния, и они также содержат токсичное вещество (мышьяк), но зато поглощают свет еще лучше. Элементы из монокристаллического GaAs держат рекорд по фотоэлектрическому к.п.д., он составляет 26%- Монокристаллический кремний находится на втором месте — 22%.

Непрерывный процесс производства элементов из сульфида кадмия. Экспериментальный технологический процесс производства солнечных элементов из CdS/Cu<su
Рис.8. Непрерывный процесс производства элементов из сульфида кадмия. Экспериментальный технологический процесс производства солнечных элементов из CdS/Cu2S делится на пять основных этапов, формирующих структуру элемента снизу вверх. Анализ показывает, что непрерывное производство элементов с к.п.д. 10% дешевле, чем производство методом групповой обработки, когда суммарный годовой выпуск превысит 20 МВт.

Один из способов компенсации высокой стоимости арсенида галлия состоит в том, чтобы использовать элементы небольшого размера и концентрировать на них солнечный свет при помощи линз и зеркал. В отличие от кремниевых элементов, к.п.д. которых быстро падает при повышении температуры в результате концентрации энергии, теоретический максимум к.п.д. преобразования для элементов из арсенида галлия остается при повышении температуры практически постоянным: при температуре 100°С он все еще равен 20%. Это свойство арсенида галлия ставит его в фокусе исследовательских работ по использованию систем преобразования с концентрированием солнечного света (см. ч.4) на центральных электростанциях, которые будут лучше оборудованы для работы с такими элементами, чем это iv ожет быть доступно для обычных покупателей.

Другой способ сделать элементы из GaAs достаточно эффективными и дешевыми состоит в использовании прямого солнечного света. Практически все исследования в этом направлении проводят ся с элементами из тонкопленочного поликристаллического GaAs, которые, несмотря на толщину всего 1—2 мкм, имеют теоретический к.п.д. преобразования 16%. В настоящее время разрабатываются три типа таких элементов: GaAs металл — изолятор — полупроводник (МИП), или элементы с барьером Шоттки; GaAs-гомопереходы, закрытые окном из арсенида галлия-алюминия и из GaAs с неглубокой структурой гомопереходов. Все эти конструкции имеют одну и ту же цель: поднять к.п.д. преобразования путем снижения сильных потерь носителей зарядов, генерирующих свет, что обусловлено рекомбинацией свободных ковалентных связей в тонком молекулярном слое наверху элемента, где происходит поглощение фотонов.

Исследования по GaAs МИП-элементам проводятся в Лаборатории реактивного движения, в Южном методистском университете (Даллас, шт.Техас) и в Научном исследовательском центре фирмы Rockwell International Corp. (Таузенд-Окс, шт.Калифорния). Лаборатория реактивного движения, которая стремится к достижению цели 15% и 70 цент/Вт, выращивает тонкие пленки GaAs р-типа эпитаксиальным способом на подложках, изготовленных путем газового осаждения слоев германия на сталь с соответствующим покрытием и последующей рекристаллизацией этих слоев под действием лазерного луча. В Южном методистском университете тонкие пленки GaAs большой площади (9 см2), напыленные на дешевые графитовые подложки, показали к.п.д. преобразования 6,7%. Фирма Rockwell сосредоточивает свои усилия на разработке метода эпи-таксиального выращивания тонких пленок GaAs при помощи молекулярного пучка из жидкой фазы, причем также на дешевых подложках. Финансирование работ этой фирмы осуществляется главным образом в рамках заказа министерства энергетики, оформленного год назад на сумму 1 млн. долл., что позволило фирме выдать субподряды на часть своих лабораторных работ четырем университетам1{Электроника, 1978, №10, с.11}.

Обуздание фотонов. Этот элемент с неглубоким гомопереходом, обладающий к.п.д. 20%, состоит из трех слоев GaAs, которые легируются до различного процен
Рис.9. Обуздание фотонов. Этот элемент с неглубоким гомопереходом, обладающий к.п.д. 20%, состоит из трех слоев GaAs, которые легируются до различного процента примеси. Фотоны проходят верхний тонкий слой настолько быстро, что почти не теряются; поглощаются они в более толстом слое, расположенном ниже.

Фирма Rockwell занимается также гетеропереходами в GaAs, покрытом тонким слоем арсенида галлия-алюминия р-типа (GaAlAs). Прозрачный практически во всем солнечном спектре слой GaAlAs имеет кристаллическую решетку, по структуре близкую к решетке GaAs, что снижает потери рекомбинации. Хотя монокристаллические элементы такого типа показывали к.п.д. вплоть до 22%, малая толщина поликристаллической структуры способствует тому, что примеси диффундируют через элемент настолько быстро, что они вскоре закорачивают его. Поэтому как в Исследовательском центре фирмы Rockwell, так и в ее штаб-квартире (Анахайм, шт. Калифорния) продолжаются поиски примесей, имеющих меньшую скорость диффузии, других структур элемента и новых способов осаждения.

Предметом разработок в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института (Лексингтон) являются неглубокие гомопе-реходы в GaAs. Здесь исследователи легируют три слоя GaAs до достижения различного уровня концентрации примесей (рис. 9). На такой структуре был получен к.п.д. до 20%. Она имеет малые потери, поскольку фотоны проходят многие центры рекомбинации в неглубоком (толщиной 0,1 мкм) верхнем слое п+ и поглощаются в слое р-типа под ним.

Эта неглубокая структура с гомопереходом имеет прозрачный верхний слой из окиси индия-олова, который снижает как сопротивление, так и потери на отражение. Одной из организаций, занимающейся усовершенствованием технологии выращивания окиси индия-олова, является инженерный центр Ренселлеровского политехнического института (Трои, шт.Нью-Йорк). Исследователи этого института сейчас сравнивают два способа выращивания слоев окиси индия-олова: химическое осаждение из газовой фазы и распыление в ВЧ-поле. Предполагается, что над созданием элементов из GaAs работают также исследователи в Советском Союзе.

Расширение границ гелиотехнологии

Одним из условий прогресса в области фотоэлектричества, с которым: согласны все специалисты, является необходимось широкого фронта работ. Хотя в гонке за достижением близких целей на первое место можно поставить сейчас усовершенствованные элементы на монокристаллическом, поликристаллическом и аморфном кремнии, сульфиде кадмия и арсениде галлия, при долгосрочном планировании специалисты подчеркивают жизненную необходимость одновременного исследования еще нетронутых технических возможностей с тем, чтобы выявить альтернативные пути на случай, если непредвиденные препятствия затормозят прогресс в считающихся пока перспективными направлениях технологии.

Для американского подхода в этом вопросе показательно резкое увеличение ассигнований на перспективную программу НИОКР в бюджете Института исследования солнечной энергии. Эти ассигнования выросли с 6—7 млн. долл. в 1978 финансовом году до 13,5 млн. долл. в 1979г., а на 1980 финансовый год запрашивается 47 млн. долл. Кроме того, в мае 1978г. президент Картер выделил еще 22 млн. долл. на перспективные НИОКР в 1979 финансовом году. По словам Дональда Фойхта, который возглавляет ведущий центр министерства энергетики по перспективным НИОКР в Институте исследований солнечной энергии, большая часть суммы 22 млн. долл. направляется на финансирование дополнительных проектов по аморфному кремнию и новым материалам для солнечных элементов, которые он называет проектами, связанными с большим риском, такими, которые могут и не развиться в эффективную и экономически жизнеспособную технологию. Как показывает приведенный ниже краткий обзор перспективных НИОКР в США и других странах, ученые за рубежом тоже интенсивно занимаются новыми элементами:

Элементы со структурой металл — изолятор — полупроводник (МИП) на базе кремния. Солнечные МИП-элементы, или элементы с барьером Шоттки, имеют теоретически очень высокий к.п.д. преобразования, поскольку у них нет поверхностного слоя с очень большим процентом примесей, где могут происходить рекомбинационные потери. Кроме того, их обработку можнопроизводить при температурах ниже 500°С, что повышает их долговременную стабильность. Все эти характеристики обеспечивают МИП-элементам, как из монокристаллического, так и из поликристаллического кремния, потенциально низкую стоимость производства.

Исследователи электротехнической школы австралийского университета Нового Южного Уэльса (Кенсингтон) недавно сообщили о достижении к.п.д. преобразования 17,6% на элементе из поликристаллического кремния площадью 3 см2 со структурой, показанной на рис. 10. Здесь следует этметить инверсионный слой n+-типа, индуцированный покрытием из окиси кремния и повышающий эффективность собирания носителей. Примечательным также является напряжение разомкнутой цепи этого элемента, составляющее 655 мВ, — самое высокое напряжение, полученное на кремниевом элементе до настоящего времени. Мартин Грин, представитель этого университета, предполагает достичь к.п.д. преобразования 20% уже к концу 1979г.

Двумя другими университетами, работающими над кремниевыми МИП-элементами, являются университет Ратжерса (Пискатауэй, шт.Нью-Джерси), где работа проводится на факультете электротехники, и университет Констанца в ФРГ. Университет Ратжерса сообщает о создании монокристаллических кремниевых элементов размером 2*2 см с к.п.д. 12,5%, а также элементов, основанных на использовании поликристаллического кремниевого материала «Силсо», разработанного фирмой Wacker-Chemitronic. Последние имеют к.п.д. 8,8%. В университете Констанца сейчас проводятся испытания поликристаллических кремниевых элементов n- и p-типов со структурой МИП, изготовленных на различных металлических подложках.

Гетеропереходы окись олова/кремний. В лабораториях государственных исследованийфирмы Exxon Corps Research and Engineering Co. (Линден, шт.Нью-Джерси) для изготовления дешевых и высокоэффективных гетероструктур и окиси олова (SnO), окиси индия и олова с кремнием (ITO) и кремния используется метод электронно-лучевого напыления. Эта группа, которая, по ее данным, достигла к.п.д. 12,24 % для элементов на 8пО2/монокристаллический кремний и 10 % для элементов на ITO/монокристаллический кремний и SnО2/поликристаллический кремний, надеется приблизиться к теоретическому к.п.д. 20 % и снизить стоимость производства до уровня требований и графика министерства энергетики. Солнечные элементы ITO/Si, а также со структурой окисел — полупроводник на кремнии, изучают также на факультете электротехники университета шт.Колорадо (Форт-Коллинс).

Структура, увеличивающая к.п.д. Для изготовления этого солнечного МИП-элемента с к.п.д. 17% австралийские исследователи сначала напыляют алюминиевый к
Рис.10. Структура, увеличивающая к.п.д. Для изготовления этого солнечного МИП-элемента с к.п.д. 17% австралийские исследователи сначала напыляют алюминиевый контакт на заднюю сторону поликремниевой пластинки р-типа, после чего производится спекание в атмосфере азота. В результате на поверхности пластинки получается тонкий оксидный слой. Заключительные операции — напыление верхнего контакта и просветляющего покрытия. На последнем этапе создается показанный на рисунке инверсионный слой n+-типа.

Теллурид кадмия. Среди тех, кто изучает технологию осаждения солнечных элементов из CdTe, фирма Monosolar Inc. (Санта-Моника, шт.Калифорния) и институт им. Баттеля во Франкфурте (ФРГ). Фирма Monosolar изготовила элементы размером 3*3 см с к.п.д. 4% путем электрохимического осаждения пленок CdTe толщиной от 0,1 до 0,2 мкм на стеклянную подложку, покрытую ITO; эта фирма ставит себе задачу создать элементы площадью 3*3 дм с к.п.д. 10% по цене менее 20 цент/Вт. Институт им.Баттеля, который работает над созданием элементов для концентраторов, напыляет слои теллурида цинка и сульфида кадмия на пластинки из кристаллического CdTe и исследует возможности использования других материалов.

Окись меди. Солнечные элементы из Cu2O могут быть очень дешевы в производстве,поскольку их можно изготавливать путем окисления меди, достаточно дешевого и распространенного металла. Такие элементы имеют максимальный теоретический к.п.д. 13%. В настоящее время несколько исследовательских групп работает над тем, чтобы глубже понять основной механизм преобразования энергии в окиси меди. Например, Ларри Олсон из объединенного исследовательского центра университета им. Вашингтона в Сиэтле, получил элементы Cu/Cu2O с барьером Шоттки, работавшие с к.п.д. 1%, в то же время организация Kernfor-schungsanlage Julich (ФРГ) сообщила о получении подобных же показателей от тонкопленочных Сu2О-элементов, изготовленных путем частичного оксидирования медной фольги. Кроме того, с Си2О работает группа исследователей вштатном университете Уэйна (Детройт, шт.Мичиган).

Селенид кадмия. Институт им. Баттеляво Франкфурте надеется удвоить к.п.д. своих МИП-элементов из CdSe, доведя его до 10%,и, кроме того, изучает возможности использования других изолирующих слоев вместо ZnSe.

ITO/фосфид индия и ITO/GaAs. Исследователи фирмы Bell Laboratories (Марри-Хилл, шт.Нью-Джерси) изготовили солнечные элементы с к.п.д. 14,4 и 12% путем напыленияаморфных и поликристаллических пленок ITO на подложки из монокристаллического InP и GaAs соответственно. В число исследуемых методов входят ионно-лучевое, высокочастотное имагнетронное напыление. Хотя такие элементывсе еще имеют недостаточный к.п.д., их разработчики заявляют, что они просты в производстве и поэтому потенциально дешевы.

Фосфид цинка. Институт преобразованияэнергии при университете шт. Делавэр (Нью-арк) изготовил монокристаллические и тонкопленочные элементы из Zn3P2 р-типа методомвакуумного напыления. Сейчас этот институтизучает пути повышения к.п.д. своих приборовиз Zn3P2 с барьером Шоттки на основе магния,который пока составляет 6%.

Электрохимические элементы. В некоторых из десятка фирм, которые ведут сейчас переговоры с Институтом исследований солнечнойэнергии, вскоре начнутся разработки электрохимических элементов по программе этого института. Электрохимические элементы с электродамииз монокристаллического кремния, погруженными в электролит, уже показали к.п.д. преобразования от 8 до 10%. В ходе дальнейших работпредполагается исследовать возможности использования и стабильность дешевых электродов из поликристаллического и аморфногокремния.

Одна из таких систем сейчас разрабатывается фирмой Texas Instruments Inc. Рассчитывая на ассигнования министерства энергетики в сумме 14 млн. долл. в течение последующих четырех лет, эта далласская фирма надеется продемонстрировать коммерческую целесообразность производства фотоэлектрических топливных элементов. Ключом системы, над которой она сейчас работает, является использование недорогих кремниевых таблеток, которые погружаются в электролит. Когда солнечный свет падает на эти таблетки, они генерируют ток, и из электролита выделяется водород; этот водород накапливается и используется для зарядки топливных элементов, вырабатывающих электричество по мере необходимости.

Родительская статья:

Перспективы гелиоэнергетики (Обзор)

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 52, No.15 (567), 1979г - пер. с англ. М.: Мир, 1979, стр.37

Electronics Vol.52 No.15 July 19, 1979 A McGraw-Hill Publication

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Гелиоэнергетика




<<< Пред. Оглавление
Начало раздела
След. >>>

Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/Archiv/Elc1979/D19790719Elc045.shtml