Солнечная энергетика


Солнечная энергетика - это одно из наиболее динамично развивающихся направлений электроэнергетики в мире. По данным Европейской ассоциации фотоэлектрической промышленности, в прошлом году суммарная мощность действующих гелиоэнергетических установок выросла на 31 ГВт, превысив рубеж в 100 ГВт. Суммарно солнечные электростанции производят столько же энергии, сколько способны генерировать 16 крупных АЭС.

Фотоэлектрические преобразователи — кремниевые полупроводниковые устройства, преобразующие солнечную энергию в постоянный электрический ток. Это основные элементы устройства, которое мы называем солнечными батареями.

Выращивание монокристаллов кремния методом вытягивания, производство солнечных батарей, ламинирование солнечных модулей - все эти производственные процессы невозможны без вакуума.

Самой важной и дорогой счастью любого солнечного элемента является кремниевая пластина. На этапе выращивания монокристаллов кремния требуется вакуум 30 мм рт. ст.

Ключевым элементом конструкции кристаллических кремниевых ФЭП является p-n переход. Обычно в производстве солнечных элементов используются исходные пластины с проводимостью p-типа. Для этого кремний еще на этапе выращивания слитков легируют соответствующими примесями, например, бором. Поэтому для создания в нем n-слоя необходимо в одну из поверхностей элемента внедрить другую примесь, которая скомпенсирует действие бора и насытит полупроводник носителями заряда n-типа.

Это можно сделать, введя в кремний фосфор или другую подходящую примесь из соответствующей части таблицы Менделеева.

Одним из наиболее традиционных и экономически обоснованным способом насыщения кремния фосфором является диффузия, т.е. процесс при котором фосфор под действием высоких температур проникает в полупроводник. Традиционно диффузию фосфора проводят в трубчатых или конвейерных печах при температурах около 800 оС в условиях низкого вакуума. В первом случае пластины помещают в кварцевые кассеты, а трубу печи заполняют парами вещества, содержащего фосфор.

Конструкция солнечного элемента предполагает наличие p-n перехода вблизи от одной из его поверхностей, которая называется лицевой или рабочей стороной. Другая же поверхность называется тыльной. Обычно на лицевой поверхности располагается токосъемная решетка, а на тыльной – сплошной контакт. Так как n-слой, сформированный при помощи диффузии, сильно насыщен примесями, то он хорошо проводит электрический ток. Во время диффузии этот слой образуется не только на лицевой стороне пластины, но и на ее торцах и даже по периметру тыльной поверхности. При этом имеет место электрическое замыкание между лицевым и тыльным токосъемными контактами. Обычно данную проблему решают методом ПХТ (плазмохимическое травление), который представляет собой обработку в плазме стопки плотно прижатых друг к другу кремниевых пластин под вакуумом.

При помощи текстуры отражение от поверхности пластины снижается в среднем с 35% до 11%. Это означает, что десятая часть излучения, падающего на поверхность солнечного элемента, все еще будет отражаться обратно и не сможет участвовать в процессе генерации электрического тока. С целью еще большего уменьшения этих потерь, классифицируемых как оптические, на следующей технологической операции на рабочую поверхность солнечных элементов наносится так называемое антиотражающее покрытие (АОП). Нитрид кремния обычно наносится методом PECVD, т.е. путем ускоренного плазмой химического напыления из газовой фазы, в специальных трубчатых печах в условиях определенного вакуума.

Лицевая поверхность служит в первую очередь для максимального поглощения излучения, падающего на нее, чем и определяются технические требования к контактной металлизации. Именно по этой причине контакт, расположенный на рабочей стороне солнечного элемента, выполняется в виде решетки, обычно состоящей из 2-3 широких контактных площадок и нескольких десятков тонких токособирающих линий, расположенных перпендикулярно к широким. Данный процесс идет в условиях высокого вакуума.

В отличие от лицевой металлизации, выполняющей только функцию контакта, тыльная металлизация решает еще одну задачу. Обычно на тыльной поверхности солнечного элемента наносится не один, а целых два типа металла. Один из них представляет собой сплошной слой алюминия, покрывающего практически всю площадь за исключением нескольких отверстий. А уже в этих отверстиях сформирована знакомая нам серебряная металлизация, выполняющая функцию контакта.

Очевидно, что любое промышленное изделие перед отправкой потребителю необходимо тщательно проверить и измерить его параметры. Не избежать этой процедуры и при производстве солнечных элементов.