Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/Archiv/Elc1984/M19840405Elc043.shtml

Аморфный кремний завоевывает себе место под солнцем

УДК 621.383

Уэсли Р. Иверсен (Wesley R. Iversen)
Управляющий чикагским бюро Electronics

Wesley R. Iversen. Amorphous silicon wins place in the sun, pp.94,96.

Солнечные батареи на основе аморфного кремния, являясь предметом интенсивных НИОКР, нацеленных на повышение их эффективности, судя по всему, готовы завоевать значительную часть рынка фотоэлектрических устройств. Специалисты считают, что в этой области пока впереди японцы, но американские фирмы уже их нагоняют.

Прошло всего 10 лет с тех пор, как исследователи фирмы RCA Corp. успешно продемонстрировали свои первые солнечные батареи на основе тонкопленочного аморфного кремния, и вот уже новая технология все больше завоевывает себе место под солнцем. Хотя существующие фотоэлементы из аморфного кремния все еще имеют более низкие коэффициенты преобразования, чем традиционные кристаллические элементы, специалисты указывают, что за сравнительно короткий период времени достигнут значительный прогресс.

Конечно, одновременно развиваются и другие технологии изготовления элементов солнечных батарей, включающие применение кремниевых лент, арсенида галлия, а также таких толстопленочных поликристаллических соединений, как теллурид кадмия и диселенид меди — индия. Но все растущее число ученых и технологов считает, что потенциально низкая стоимость аморфного кремния могла бы к концу этого десятилетия привести к созданию из него основного элемента фотоэлектрических устройств, пригодных для широкого круга применений.

Специалисты еще не пришли к согласию относительно того, насколько быстро и широко аморфный кремний завоюет рынок. На одном полюсе находятся убежденные сторонники новой технологии, такие, как Золтан Киш, президент фирмы Chronar Corp. (Принстон, шт.Нью-Йорк). Он считает, что батареи на аморфном кремнии займут половину всего рынка фотоэлектрических устройств к 1986г. и 80% к 1990г., когда их суммарная мощность достигнет 1 ГВт, а общая стоимость составит 3 млрд. долл.

Более консервативную оценку выдвигает Пол Д. Мэйкок, глава консультационной фирмы Fotovoltaic Energy Systems Inc. (Александрия, шт.Виргиния), бывший директор отделения фотоэлектричества министерства энергетики США. Согласно его прогнозу, суммарная мощность продаваемых фотоэлектрических устройств возрастет с 21,7 МВт в 1983г. до 500 МВт в 1990г., причем доля устройств на аморфном кремнии увеличится за этот период с 12 до 25%.

В Японии. Фотоэлементы на аморфном кремнии уже сейчас составляют более 70% всего рынка фотоэлектрических устройств Японии, где в этой области лидирует фирма Sanyo Electric Co., выпускающая серийную продукцию с 1980г. К числу других фирм — изготовителей устройств на аморфном кремнии относятся Fuji Electric Co. и совместное предприятие, образованное фирмой Sharp Corp. и двумя американскими фирмами — Energy Conversion Devices Inc. (Трои, шт.Мичиган) и Standard Oil Со. (Кливленд, шт.Огайо). Более того, одно из учреждений при министерстве внешней торговли и промышленности Японии создало в 1983г. отдельрую организацию, задача которой -- способствовать ускорению разработок устройств на аморфном кремнии (см. ниже «МВТП борется за снижение стоимости солнечных батарей»).

«Откровенно говоря, японцы задают нам жару», — жалуется представитель Института по исследованиям солнечной энергии (ИИСЭ) при министерстве энергетики США, расположенного в Голдене, шт.Колорадо. Недавно это учреждение разработало свою собственную программу содействия организации серийного производства солнечных батарей на базе аморфного кремния. Все большее числе американских фирм вкладывает значительные суммы в финансирование исследований в области этой новой технологии, а некоторые фирмы собираются открыть опытное производство уже в 1984г.

Большая доля средств на частное финансирование разработок поступает в США от нефтяных компаний. Так, например, компания Sohio уже вложила более 35 млн. долл. в совместные работы с фирмой ECD, в результате чего намечено начать производство элементов и модулей солнечных батарей осенью 1984г. По словам 3. Джека Финна, исполнительного вице-президента компании Sohio Chemical and Inrustrial Products Co., его компания тратит на разработки в области новой технологии от 25 млн. до 30 млн. долл. в год и намерена поддержать этот уровень капиталовложений в течение следующих нескольких лет. Финн является председателем совместной с ECD компании Sovonics Solar Systems (Трои, шт.Мичиган).

Фирма Solarex Corp. (Роквилл, шт.Мэриленд), приобретенная в 1983г. компанией Standard Oil Co. со штаб квартирой в Чикаго (шт.Индиана), объявила в марте 1984г., что она же приступила к поставкам фотоэлектрических модулей на базе аморфного кремния. Эти модули созданы по технологии, лицензию на которую она приобрела у фирмы RCA, прекратившей вести работы в данной области. Новое отделение фирмы Solarex, специализирующееся на тонких пленках и расположенное в Ньютауне (шт.Пенсильвания), было организовано частично для того, чтобы «сфокусировать усилия на организации серийного производства новых элементов», как говорит Дэйвид Карлсон, директор исследовательского отдела новой организации и сам в прошлом исследователь фирмы RCA, заявляющий, что им был получен патент на первую солнечную батарею из аморфного кремния.

Другим основным поставщиком может стать фирма Arco Solar Inc. (Вудленд-Хиллс, шт.Калифорния), являющаяся отделением фирмы Atlantic Richfield и одновременно самым крупным в мире изготовителем монокристаллических модулей для солнечных батарей. Но львиную долю средств на проведение НИОКР фирма вкладывает в фотоэлектрические устройства на тонкопленочном кремнии как аморфном, так и поликристаллическом. «Мы намерены стать одними из первых изготовителей тонкопленочных модулей, предназначенных для производства электроэнергии», — заявляет Чарлз Ф. Гей, вице-президент фирмы по НИОКР.

Еще один поставщик. Активность в этой области проявляет и фирма Chronar Corp., существующая уже семь лет и планирующая в IV квартале 1984г. начать производство элементов для солнечных батарей по новой технологии на своих полностью идентичных заводах в Кингспорте (шт.Теннесси) и Порт-Джервисе (шт.Нью-Йорк). Производительность каждого из заводов будет 1 МВт в год. Каждый из них будет совместным предприятием фирмы Chronar с другой фирмой, кроме того, Chronar намерена войти в соглашение в другими партнерами как в США, так и за их; пределами.

Весь интерес к производству солнечных батарей из аморфного кремния зиждется на потенциальной возможности снижения себестоимости этих устройств. Монокристаллы, на базе которых выполняются существующие фотоэлементы, режутся из слитков, и поэтому их толщина составляет от 200 до 350 мкм. Элементы же солнечных батарей из аморфного кремния получаются нанесением на подложку тонкопленочного слоя толщиной от 0,5 до 1 мкм, что предполагает значительное снижение затрат на сырье. Более того, технология осаждения тонких пленок сама по себе приводит к снижению себестоимости изделий при массовом производстве.

Сейчас фирма Arco Solar осуществляет крупносерийное производство обычных монокристаллических кремниевых фотоэлектрических модулей (суммарной мощностью порядка 1 МВт и более) стоимостью около 5 долл. на 1 Вт пиковой установленной мощности. Однако в 1983г. средняя продажная цена была приблизительно 7 долл. для модулей, имеющих коэффициент преобразования 11%. И хотя фирма Агсо активно финансирует развитие высокоавтоматизированных производств по выпуску солнечных батарей на кристаллических элементах, некоторые специалисты считают, что монокристаллические модули, вероятно, достигли предела снижения себестоимости. Мало кто верит, что технология, основывающаяся на монокристаллах, позволит снизить себестоимость элементов до уровня от 0,5 до 1 долл. на 1 Вт пиковой мощности, а именно такая себестоимость повсеместно считается необходимой для того, чтобы фотоэлементы стали конкурентоспособны в качестве источников энергии для крупных систем.

И все же солнечные батареи на аморфном кремнии, вероятно, способны выйти на этот уровень, но при условии, что коэффициент преобразования энергии этих элементов при их серийном производстве удастся увеличить с 4 (существующий уровень) до 7%. Фирма Sanyo, назначающая сейчас за свои солнечные батареи из аморфного кремния цену в 7,60 долл. на 1 Вт пиковой мощности, собирается к 1990г. достичь уровня от 0,90 до 1,80 долл. для квадратных элементов батарей (со стороной 100 мм), имеющих коэффициент преобразования от 8 до 10%.

По сравнению с обычными фотоэлектрическими элементами, применяемыми уже в течение 30 лет, солнечные батареи на аморфном кремнии — явление сравнительно новое. Тем не менее у них уже богатая история, отражающая стремление повысить их эффективность. Как отмечает Эдвард С. Сабиоки, руководитель проекта исследований аморфного кремния, который был разработан в ИИСЭ при министерстве энергетики США, за последние семь лет коэффициент преобразования этих батарей удалось поднять в лабораторных условиях с 2 до 11%. Для сравнения укажем, что недавно проведенные лабораторные испытания кристаллических батарей дали максимальное значение этого коэффициента — около 19%.

К рынку. С целью содействия серийному выпуску фотоэлектрических устройств на базе аморфного кремния ИИСЭ начал осенью 1983г. осуществлять трехгодичную исследовательскую программу, одна из целей которой — повышение эффективности крупных элементов солнечных батарей. Стоимость программы приблизительно 18,8 млн. долл., из которых около 30% будут выделены четырьмя фирмами-исследователями:

Chronar, Solarex, 3M Co. (Сент-Пол, шт.Миннесота) и Spire Corp. (Бедфорд, шт.Массачусетс). Цель программы — повышение коэффициента преобразования до 8% для однопере-ходных фотоэлектрических субмодулей на аморфном кремнии площадью не менее 1000 см2 и до 12% для элементов площадью 1 см2.

Новая технология разрабатывается в рамках программы ИИСЭ фирмой 3M Co., планирующей изготовление батарей на гибкой пластмассовой подложке в целях создания эффективного поточного технологического процесса с перемоткой ленты с одного вала на другой. Хотя в настоящее время фирмы Savonics и Sharp производят свои изделия на таком оборудовании фирмы ECD с использованием подложек из нержавеющей стали, все же более обычными являются подложки из стекла.

Три из четырех контрактов, выполняемых под эгидой ИИСЭ, имеют краткосрочный характер и, в частности, предполагают создание солнечных батарей на аморфном кремнии с одним переходом. В рамках четвертого контракта фирма Spire Corp. разработает более совершенные многопереходные элементы батарей, из которых два или три, имеющие разную ширину запрещенной зоны и поэтому разные значения чувствительности, будут располагаться один над другим для повышения коэффициента преобразования. Цель состоит в том, чтобы создать элемент площадью 1 см2 со стабильным коэффициентом преобразования 16%.

Дочерние статьи:

МВТП борется за снижение стоимости солнечных батарей

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 57, No.07 (688), 1984г - пер. с англ. М.: Мир, 1984, стр.94

Electronics Vol.57 No.07 April 5, 1984 A McGraw-Hill Publication

Wesley R. Iversen. Amorphous silicon wins place in the sun, pp.94,96.

Раздел: СООБЩЕНИЕ

Тема:     Фотоэлектрические устройства





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:55 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/Archiv/Elc1984/M19840405Elc043.shtml