Введение к работе
Актуальность темы. Ограниченность запасов топливных энергоресурсов, их постепенное истощение и нарстающие трудности решения экологических проблем, связанные с развитием энергетики приводит к необходимости поиска нових, нетрадиционных методов получения энергии, среди которых одним из наиболее перспективных является фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии.
Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых солнечных элементов (СЭ) выгодно отли-.чается от других способов преобразования. Это справедливо как с точки зрения неисчерпаемости солнечной энергии, так и с экологической .
Использование кремниевых СЭ в настоящее время является наиболее обеспеченным в научном и практическом плане. Они широко используются в системах энергопитания космических аппаратов и получает все большее применение в наземних условиях. Нынешний уровень развития технологии изготовления ОЭ и возможности создания солнечных фотоэлектрических станций (СФЭО) на их основе уже сегодня позволяет использовать их для решения задач энергообеспечения разлпч-. них наземных объектов, в особенности находящихся в удаленных и труднодоступных районах, вдали от центгзализованных систем электроснабжения: объектов связи, малоэнергоемкие промышленные и сельскохозяйственные объекты, в "дистанционно управляемых маяках, на релейных телекоммуникационных станциях и другие.
Существенным недостатком солнечного излучения как источника анергии является его низкая плотность. Для выработки заметной электрической мощности необходимо собирать солнечное излучение с больших площадей, покрывая вх дорогими полупроводниковыми.СЭ. Стоимость получаемой таким образом электроэнергии несколько раз превышает стоимотсь электроэнергии, вырабатываемой традиционными методами. _ Это является основной причиной, сдергивающей развитие крупномасштабной солнечной электроэнергетики на основе кремния.
Однім из путей решения данной проблемы - снижение стоимости полупроводниковых материалов и СЭ. Если рассмотреть структуру себестоимости элементов, то стоимость исходного монокристаллического креммия в ней монет составлять до 60 %. Возможны различные пути снижения стоимости СЭ для преобразования солнечного излучения
И Совершенствование технологического процесса изготовления СЭ наземного применения, использоваііие новых технологических приемов, приводящих к повышению эффективности преобразования или объемов производства СЭ;
2) Использование в качестве исходного материала менее дорогих материалов, таких как поликристаллический кремний и кристаллических лент кремния, тонких пленок кремния на различных дешевых подложках, совместимых с технологией изготовления СЭ на основе монокремния, а также использование аморфного кремния.
Другим достаточно перспективным направлением снижения стоимости СЭ при использовании в наземных условиях является применение отходов полупроводникового кремния заводов электронной промышленности в качестве исходного материала. Этот путь 'создает предпосылки к-использованию отбракованных при производстве полупроводниковых пластин монокристалліг:еского кремния для выпуска более дешевых СЭ. Количество таких пластин хотя ограничено, однако, для применения в мелкосерийном опытном производстве вполне достаточно.
Недостаточная изученность возможностей использования производственных отходов полупроводникового кремния для преобразования солнечного излучения, не изученность влияния различных его неодно-родностей на эффективность преобразования и другие выходные элек-трическкз характеристики, практическое отсутствие технологии изготовления на основе современных конструкций структур СЭ, учитывающий влияние специфических факторов таких материалов, отсутствие непосредственно изготовленных солнечных батарей (СБ) и СФЭС работающих в различных условиях обуславливает актуальность исследований в этом направлении.
Целью работы является разработка технологических и технических решений по созданию эффективных СЭ, СБ и СФЭС на основе утилизации отходов монокремния при прямом и концентрированном солнечном излучениях; исследование влияния свойств исходного материала на различные структуры солнечных элементов; исследование технологических возможностей увеличения эффективности преобразования структур; разработка технологии и исследование возможностей применения солнечных батарей и фотоэлектрических станций для нужд потребителей энергш. в условиях республики Узбекистан.
Для достижения основной цели в диссертации решаются следующие зад.чи:
разработка методики селективного >тбора и группирования исходных пластин из отходов монокремния для изготовления СЭ;
разработка технологии форлирования мелкозалегающих р-п переходов методом диффузии бора и фосфора из твердотельных источников в условиях опитного производства солнечных элементов;
исследование возможностей уменьшения оптических потерь путем пассивации и просветления структур СЭ из различных.покрытий и текстурированием;
исследование возможностей уменьяенгч электрических потерь путем изготовления эффективных многослойных токооьемных контактов и оптимизацией топологии рисунка фронтального контакта структур для различных концентраций солнечного излучения;
исследование влияния свойств исходного материала, и в том числе неоднородностей на выходные фотоэлектрические характеристики СЭ, полученных в условиях опытного производства;
комплексное исследование возможности повышения эффективности преобразования СЭ из различных групп отходов монокрзмния применением различных высокоэффективных, в том числе новых конструкций р-п переходов и оптимизацией технологии изготовления СЭ в условиях производства (опытного);
изучить и выявить основные фякторц, влияющие на эффективность преобразовяния концентрированного излучения СЭ с планарной конструкцией р-п перехода. Определить предпочтительных коэффициентов концентрации солнечного излучения при различной топологии рисунка фронтальных контактов и разработать технологию изготовления концентраторных СЭ в условиях опытного производства;
разработать технологию изготовления эффективных кремниевых СЭ различной плошади, СБ и СФЭС различной мощности и назначения;
,- исследовать возможностей применения СБ и СФЭС различных кон-струкций", мощности и назначения в условиях республики Узбекистан и выдать рекомендаций по юс практическому использованию.
Методы исследований. Б процессе выполнения работы применялись экспериментальные метода исследований. Для подтверждения полученных результатов били проведены измерения'паоаметров и испытания в натурных условиях. .
Научная новизна.-
I.Установлены необходимые условия, обеспечивающие возможность изготовления эффективных СЭ в условиях опытного производства ка основе предложенной методики селективного отбора отбракованных пластин кремния, обуславливающие применения современных методов создания бездефектной поверхности, форьгарование р-п перехода методом диЬфузли, изготовления токосьемных контактов, пассивиоующнх и просветляющих покрытий методом вакуумного напыления.
2.Разработана технологій изготовления аффективных СЭ с пленарной конструкцией р-п перехода основанное на использование:
разработанного нового твердотельного источника диффузии фосфора многократного пользования на основе селективно травленного кристаллического кремния и соединения фосфора и технологии формирования диффузионных слоев р - и п-типа проводимости, обеспечивающее изменение толщины и концентрации носителей заряда за счет варьирования параметров технологического процесса.
созданного токосьемного контакта к структурам СЭ из М - Ьг\ (1-5 t AI) - Sr\ , обеспечивающее низкое сопротивление за счет поцлегирования подконтактных слоев алюминием в случае использования исходного материала р-типа проводимости и образование туннельного перехода в случае использования материала п-типа проводимости.
технологии текстурирования пластин кремния и нанесения эффективных просветляющих покрытий на основе SnOz , SiO* и Zn3 , позволяющих уменьшение коэффициента отражения от поверхности ОЭ до минимального значения.
методики исследования влияния неоднородностей исходного кремния на параметры элементов путем создания микро СЭ ка одной пластине и выявленной корреляции фотоэлектрических параметров с параметрами технологического процесса выращивания исходного материала.
разработанной методики одновременной двухсторонной диффузии бора и фосфора из твердотельных источников/ обеспечивающие формирование р-п и п+п - переходов в едином технологическом процессе.
3. Разработана технология изготовления двухсторонно чувствительных СЭ методами одновременной двухсторонней диффузии и яидаофаз-ной зпптаксил и показана возможность изготовления эффективных СЭ для случая сопостовимости толщины и длина диффузии неосновных
носителей заряда материала бази, особенно при эпитакоиальном методе изготовления структур на нпзкоомных подложках.
-
Впервые предложена конструкцій СЭ с эффектом "захвата" излучения с неоднородной границей раздела и установлена возможность реализации её при яидксФазяоіі эпитаксия слоев кремния из ограниченных площадей подложек, позволяющее получения слоев со включениями растворителя на границе раздела, обеспечивающее необходимый коэффициент отражения от лаян oil границы раздела.
-
Впервые предложены и экспериментально реализованы диффузионная методика получения кремния легированного индием из пленкообразующего источника, покритого защитным слоем окиси'кремния и экспресс методика определения концентрации носителей в диффузионных слоях.
-
Разработана технология изготовления концентраторных СЭ на дисках кремния с диаметром 76 км с радиально-кольцевой и прямоугольной топологией фронтальных контактов, рассчитанных на работу в . условиях излучения 10-50, 50-75, 75-100 солнц
-
Развита технология герметизации СБ плоской конструкции на основе поливинкльбутераловой пленки и синтетического каучука. Установлены возможности увеличения срока службы СБ, обусловленное улучшением коэффициента адгезии герметика с защитным стеклом при помощи формирования "буферных" слоев крешийорганического лака заданной голшшш маяду герметикой и защитным стеклом.
-
Разработаны и изготовлены СФЭС и СБ различной мощности, конструкции и назначения для энергообеспечения иузд потребителей:
ОБ для электропитания бытовой радиоаппаратуры;
переносная складная СБ мощностью более 20 Вт;
система электрического освещения от СБ мощностью .30-45 Вт;
переносные, мобильные СФЭС мощностью 100 Вт и более;
- автономный солнечный фотоэлектрический комплекс для применения
'' в удаленных сельскохозяйственных объектах.
'9. Впервые проанализированы возмо;шости использования СБ и СФЭЛ различной конструкции и комплектности в условиях республики Узбекистан в зависимости от хозяйственно-географических и физико-экономических особенностей регионов. Проведена оценка потенциальной возможности потребления СБ и СФЭС, которая составляет более 30 МВт, с годовым обновлением более 3 МВт.
Практическая значимость работы.
Результаты проведенных исследований по разработке ряда новых методик и технологій - по изготовлению твердотельных источников диффузии и формированию ыелкозалегающих р-п переходов методом дуйфузии, изготовлению токосъъемных контактов к СЭ прямого и концентрированного излучений, исследованию влияния неоднороднос-тей на характеристики СЭ, изготовлению элементов современных конструкций (двухсторонно чувствительных СЭ, элемента с эффектом "захвата" излучения СЭ с использованием примесную фотопроводимость, концентраторных СЭ и др.) на неоднородных материалах, герметизацию СБ и другие позволили в целом создать технологию изготовления эффективных СЭ, СБ и СФЭС на основе отходов монокремния в условиях опытного производства. В целом результаты исследования могут' быть применены при разработке приборов для нужд фотоэнергетики, микро- и оптоэлектроники и широкого использования их в реальных условиях республики Узбекистан.
Результаты исследований и разработанной технологии изготовления СЭ внедрены в опытном производстве ФТИ НПО "Физика-Солнце". Разработаны технологические и конструкторские документации по изготовлению СЭ, СБ и СФЭС и может применяться для серийного выпуска в соответствующих предприятиях республики Узбекистан.
По ходу выполнения работы в опытном производстве изготовлены_ более І0000О СЭ, в том числе более 1000 СБ и 15 СфЭС различной чонструкции и мощности для работы в различных условиях, более 2000 концентраторных СЭ на основе арсенида галлия и реализованы предприятиям России, Украины, Кыргызстана и Узбекистана.
Основные положения, выносимые на запиту.
1. Установлены необходимые условия, обеспечивающие возмож
ность изготовления эффективных СЭ при опытном производстве на ос
нове селективного отбора отбракованных пластин кремния, обуслав
ливающие применения современных методов создания бездефектной
фронтальної поверхности, формирование р-п перехода, изготовление токосъемных контактов, пассивирующих и просветляющих покрытий.
2. Твердотельный источник диффузии фосфора многократного
пользования на основе селективно травленного кристаллического
кремния, для улучшения коэффициента адгезии и соединения фосфора
наносимого на травленную поверхность и разработка технологии формирования мелкозалегавдих диффузионных слоев из твердотельных источников диффузии, обеспечивающие оптимальную концентрацию носителей тока и толщины диффузионного слоя за счет изменения расстояния источник, дифйузии-кремний, температуры и времени процесса.
-
Токосьемные контакты к кремниевым Г.Э на основе АІ - 5« ['1-5'% АІ) - 5и и облужение контакта при помощи лучевого нагрева в вакууме в едином процессе нанесеній контакта. Обеспечение низкого сопротивления контакта за счет подлегирования подконтактных слоев алідаинкем в случае использования исходного материала р-типа проводимости и формирование туннельного перехода в случае материала п-типа. '
-
Методика исследования влияния неоднородноетеЯ исходного материала путем формирования микро СЭ на одной атастине из КЭФ-4,5 или п+п-структуры. Исследование их фотоэлектрических характеристик от места расположения и установленная корреляция параметров микро СЭ с технологией иэготоачения исходного материала. Технология изготовления СЭ с КДЛ 15 % и более на неоднородных материалах из отбракованных пластин кремния с площадью 30 см2 и более.
-
Солнечны» элемент о эффектом "Захвата" излучения с неоднородной границей раздела, обуславливающее отражения излучения падающего со стороны р-п перехода и технология реализации её при жидкефазной эпитаксии из ограниченных площадей низкоомной подложки кремния.
-
Методика получения слоев кремния легированного индием из пленкообразующих источников диффузии, покрытого защитным слоем, предотвращающая растворение поверхности в процессе диффузионного отжига и экспресс методика определения концентрации носителей в диффузионных слоях.
7.'Герметизация СБ плоской конструкции с применением синтетического каучука методом заливки с площадью до I м . Увеличение срока службы СБ введением "буферного слоя из кремнийорганических лаков, толщиной не влияющих на пропускание солнечного излучения, между защитным стеклом и герметикой для предотвращения отслоения герметика во времени из-за колебания температуры окружающей среди.
.8. Разработанные СБ и С*ЭС различной мощности и назначения
и выявленные возможности использования в услспиях республш'.и.
Апробация таботы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:'
Во Всесоюзной конференции "Фотоэлектрические явления в полупроводниках" - Ташкент, 1989 г.
У-Всеспозная конференция по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах - Калуга, 1990 г.
Республиканской конференции "Использование нетрадиционных источ--' ников энергии з народном"хозяйстве" - Чимкент, 1990 г.
-. П-Международном научном семинаре "Многослойные варизонные и
периодические полупроводниковые структуры и приборы на их осноас"-
Нукус, 1993 г. ' ," ;
I-Мевдународный научной конференции "Новые'материалы и приборы"-Ташк'ент, I9S4 г. .
Халкаро аняуман "Ярим уткаэгнчлар аа диэлектриклар физшсасииинг хози>гп замон муаммолари" - Тошкент, 1995 й.
П-Всесоюзной конференции "фотоэлектрические явления в полупроводниках" - Ашхабад, 1991 г.
Международном семинар-совещании "Проблемы производства поли- и монокристаллического кремния для микроэлектроники и солнечной энергетики" - Андижан, 1996 г.
Международной конференции "Проблемы теоритическоіі Физики и Физики твердого тела" - Бухара, 1997 г.
1-НациональноЯ конференции "Рост кристаллов" - Ургенч, тдэ? г. -Меадународной конференции по Гелиотехнике - Ташкент, 1997 г.
Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивалась применением современных надеяных технологических оборудований и приборов для исследования электрических, фотоэлектрических и оптических характеристик полученных структур СЭ. Полученные характеристики сравниваются со значениями, полученными другими авторами и яксперименталышми методами, и приводится -их интерпретация в рамках существующих физических моделей, результатами испытаний их в натурных условиях.
Личный вклад автора является основным на всех этапах научного исследования и заключается в постановке проблемы исследований, непосредственным выполнением оснозной части работы по разработке современных конструкций и технологии изготовления СЭ, СБ и С<ьЭ0, разработки методик измерения электрических и Фотоэлектркчес»
- II -
' ких параметров элементов, батарей г фотоэлектрических станцій и другие.
Часть выполненной работы является частью плановых НИР Физико-технического института НПО "Физика-Солнце" АН РУз по теме "Разработка физика-технических основ современной технологии получения эффективных солнечных электростанций мощностью 0,5-1 КВт", зарегистрированный в Государетвенном Фонде научно-технической информации за номером Гос.per. й 0003089 от 1994 г.
Структура п объем работы. Диссертащи состоит из введения, шести'глав, списка цитированное литературы и прилоаенлй. Общий объем работы 295 страниц машинописного текста, включая основной материал 191,страниц, 74 рисунка.'іІІ таблиц. 2 приложения, списка цитированной'литературы из 209 наименований.
