СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
SOLAR ENERGY
Статья поступила в редакцию 12.03.11. Ред. рег. № 957 The article has entered in publishing office 12.03.11. Ed. reg. No. 957
УДК 66.048.6-542.41
ОКСИДНЫЕ ЗАЩИТНЫЕ ПЛЕНКИ ДЛЯ КРЕМНИЕВЫХ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ
Т.Н. Патрушева1, Г.Н. Шелованова1, Н.Ю. Снежко1,
1 2 А.В. Полюшкевич , А.И. Холькин
1Сибирский федеральный университет 660041 Красноярск, пр. Свободный, д. 79 E-mail: pat55@mail.ru 2Институт общей и неорганической химии РАН 117901 Москва, Ленинский пр., д. 31
Заключение совета рецензентов: 25.03.11 Заключение совета экспертов: 10.04.11 Принято к публикации: 15.04.11
В статье рассмотрены материалы для защиты кремниевых солнечных батарей от воздействия УФ излучения. Антиот-ражающие покрытия повышают адсорбцию света и, следовательно, конверсионную эффективность солнечных батарей. Представлены результаты исследований по влиянию защитной пленки оксида титана-цинка на значения фототока пористого кремния, выбранного в качестве модельного образца с ускоренной деградацией. Полученные по растворной технологии экстракционно-пиролитическим методом нанокристаллические тонкие пленки Ti2ZnO5 обеспечили защиту кремния от УФ света и антиотражающие свойства поверхности, что привело к повышению фототока короткого замыкания.
Ключевые слова: тонкие пленки, оксид титана, оксид титана-цинка, пористый кремний, экстракционно-пиролитический метод, солнечные ячейки.
PROTECTIVE OXIDE FILMS FOR SILICON SOLAR BATTERIES T.N. Patrusheva1, G.N. Shelovanova1, N.Yu. Snezhko1, A.V. Polyushkevich1, A.I. Khol'kin2
'Siberian Federal University 79 Svobodny ave., Krasnoyarsk, 660041, Russia E-mail: pat55@mail.ru 2Institute of General and Inorganic Chemistry 31 Leninsky ave., Moscow, 117901, Russia
Referred: 25.03.11 Expertise: 10.04.11 Accepted: 15.04.11
The article deals with materials for protection of silicon solar cells from UV radiation. Antireflection coatings increase the adsorption of light and, therefore, a conversion efficiency of solar cells. Results of investigation of Ti2ZnO5 thin films on the porous Si chosen as a model sample are presented. Obtained by the solution-extraction-pyrolysis method nanocrystalline thin films Ti2ZnO5 with thickness 50-100 nm provided the protection of Si from UV light and antireflection properties of the surface, which led to an increase in short-circuit photocurrent.
Keywords: thin films, titanium oxide, titanium-zinc oxide, porous silicon, extraction-pyrolysis technique, solar cells.
Введение
Одной из проблем полупроводниковой солнечной энергетики является проблема деградации кремния. Как было установлено [1], за последние 10 лет более чем у 71% искусственных спутников Земли (ИСЗ) неполадки произошли на геостационарной орбите.
Одним из основных факторов деградации космических солнечных элементов (СЭ) является солнечное УФ облучение, которое вызывает снижение концентрации носителей базовой области 81, в дополнение к уменьшению времени жизни неосновных носителей заряда [1]. Необходимо найти метод по защите от воздействия УФ излучения на солнечные элементы.
Кремниевые солнечные батареи, работающие на поверхности Земли, подвергаются воздействию пыли, влаги и ветра, которые вызывают деградацию их поверхности. Поэтому целесообразно использование защитных пленок и покрытий, не снижающих эффективности преобразования солнечной энергии.
Материалы защитных покрытий солнечных батарей
Космические СЭ длительного действия защищают покровным стеклом или защитными пленками. Толщина покровного стекла обычно около нескольких сотен микрометров. Однако очень важно снижение веса СЭ, поэтому относительно тонкие защитные пленки предпочтительнее для использования. В настоящее время проходят испытания солнечных батарей с системой линейных преломляющих линз Френеля (Stretched-Lens Photovoltaic Concentrator Array-SLA) [2], которые изготовлены из тонкого (140 мкм) гибкого силиконового материала (ДС-93-500). Оксидные тонкие пленки представляют интерес для использования в качестве защитных покрытий кремниевых солнечных батарей благодаря их высокой химической и механической прочности и поглощению УФ излучения.
Просветляющие и антиотражающие свет видимой области спектра покрытия наносили на защитные стекла или непосредственно на фронтальную поверхность солнечных элементов [3-5]. В качестве материалов с низким показателем преломления использовали пленку SiO2, полученную в различных условиях [3]. На подложки из флоат-стекла, покрывающего кремниевые пластины со сформированным /»-^-переходом и контактами, были нанесены покрытия из 10%-го раствора тетраэтоксисилана (ТЭОС) с использованием соляной кислоты в качестве катализатора. Затем они подверглись термообработке при температуре 350 °С. Для образцов, полученных из 10%-го раствора ТЭОС, значение показателя преломления составило 1,44. С целью дальнейшего снижения коэффициента отражения пленкообразующий раствор был приготовлен с использованием ТЭОС, абсолютного спирта и 25%-го водного раствора аммиака. Для более полного завершения физико-химических процессов на поверхности образца и для повышения механической прочности образец с покрытием подвергается инерционной термообработке. Были получены образцы покрытий из растворов с различным временем созревания. С увеличением срока созревания раствора происходит увеличение его вязкости, что увеличивает толщину получаемых из него пленок. Увеличение температуры обработки увеличивает плотность пленок, что ведет к уменьшению их толщины. Показатель преломления покрытия достиг 2,25, но высокая пористость слоя по-прежнему препятствовала увеличению механической прочности. Однако SiO2 пленка не является оптимальной для антиотражения, поскольку
имеет недостаточно высокий показатель преломления и является прозрачной для ультрафиолетового излучения с энергией до 10 эВ, а также имеет недостаточную твердость к действию абразивной пыли.
Значительные усилия были предприняты в направлении сокращения отражения через сочетание геометрической текстурированности поверхности кремния и просветления покрытием нитрида кремния (БШ*) [4]. При плазменном воздействии с использованием малой мощности процесс текстурирования преобладает над химическим травлением. В результате поверхность пластины показывает низкое отражение (< 10% в диапазоне длин волн 350-800 нм) и низкую плотность дефектов, что приводит к повышению времени жизни неосновных носителей заряда. БМ пленки имеют показатель преломления, близкий к оптимальному, и используются для антиотражения и пассивации кремниевых СЭ. Но такие пленки имеют достаточно высокое поглощение в диапазоне фоточувствительности СЭ, особенно в коротковолновом спектральном диапазоне. Например, на длине волны 440-450 нм БМ пленки толщиной 61 нм поглощают до 5% падающего света. Для обеспечения оптимального антиотражения на рабочую поверхность СЭ до осаждения Б1М пленки дополнительно должна быть нанесена М£р2 пленка. Такие осложнения в технологии приводят к увеличению стоимости СЭ.
Поликристаллические тонкие пленки нитрида бора (ВМД нанесенные при низких температурах (< 200 °С), являются хорошим антибликовым покрытием для солнечных элементов из-за их спектральной стабильности, прочного керамического характера и достаточно широкой запрещенной зоны (6,2 эВ) [5]. Анализ оптических свойств выявил почти постоянное значение показателя преломления (~2,8) и незначительные потери при передаче наиболее полезного диапазона солнечного спектра. Испытания изготовленного двойного слоя MgF2/BN антибликового покрытия на ваАБ и Б1 показали минимальные потери отражения (< 5%) в широком окне солнечного излучения (1,1-3 эВ).
Ранее было показано [6], что ТЮ2 пленка может быть использована в качестве защитного материала для проводящего слоя 1пБпО при изготовлении Б1 тонкопленочных солнечных элементов методом СУО с горячей нитью.
Нами проведено исследование возможности применения тонких пленок Т122пО4 в качестве защитного и антиотражательного материала в Б1 тонкопленочных солнечных элементах. Введение цинка в состав пленок диоксида титана должно способствовать повышению прозрачности в наиболее эффективной для солнечного элемента зеленой области спектра.
Методика эксперимента
Кремниевые СЭ имеют достаточно низкое сопротивление излучению. В качестве модельного образца был выбран пористый кремний, который особенно
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (95) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Т.Н. Патрушева, Г.Н. Шелованова, Н.Ю. Снежко и др. Оксидные защитные пленки для кремниевых солнечных батарей
подвержен окислению и деградации свойств. Многие исследователи отмечают склонность к деградации образцов пористого кремния, которая возрастает с увеличением пористости. Об этом свидетельствует снижение эффекта люминесценции по мере выдерживания на воздухе образцов пористого кремния. Пористый кремний был получен электрохимическим методом. Его очевидные достоинства в простоте, малозатратности, проведении процесса при комнатной температуре.
Тонкие пленки нанокристаллов получаются в процессе, известном как «спин-покрытие». Он включает размещение квантовых ячеек в виде раствора на плоском субстрате, который затем вращается с большой скоростью. Раствор распределяется равномерно, а субстрат вращается до тех пор, пока не будет достигнута требуемая толщина слоя. Для осуществления этих процессов нами разработан экстрак-ционно-пиролитический метод, использующий органические растворы с высокой степенью смачивания. Формирование наноразмерных слоев и нано-материалов требует использования высокочистых исходных веществ, которые имеют высокую стоимость. Экстракционно-пиролитический метод обеспечивает очистку прекурсоров от примесей в процессе их приготовления посредством экстракции и позволяет использовать исходные вещества невысокой степени чистоты, включая вторичные растворы различных производств.
Экстракционно-пиролитический метод [7] заключается в экстракции металлов из неорганических растворов, нанесении экстрактов на подложку и последующем пиролизе смачивающих пленок с формировани
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.