îOTOùflEKTPà4ECKàE ПPEOБPfiЗOBfiTEnИ ùHEPÉàà: yCèEXà ПPOMЫШПEHHOГO ПPOИЗBOflCTBfl
I
Ф Ф
Ф Ф
I j _^)_Cyan process 15.0° 120.0 LPI
Ф
Ф
Доктор технических наук С. М. КАРАБАНОВ, Т. А. ШУШКАНОВА, (ОАО "Рязанский завод металлокерамических приборов")
Ф
Введение
Фотоэлектричество в современном мире -это реальный, развивающийся быстрыми темпами сектор энергетического рынка, рост которого с 1996 г. составляет 30-40% в год. Предполагается, например, что к 2020 г. использование фотоэлектрических домашних систем превысит 6 ГВт. Стандартная фотоэлектрическая система состоит из сол-
Рис. 1.
Типы ФЭП для солнечных модулей.
нечных модулей, накопителя энергии и инвертора. Основой солнечного модуля, определяющей его эффективность и стоимость, является фотоэлектрический преобразователь (ФЭП). Типы ФЭП, используемые в настоящее время в солнечных модулях, представлены на рис. 1.
Обзор рынка, проведенный в 2002 г., свидетельствует, что 3б% всех продаж приходится на долю солнечных модулей на основе монокристаллического кремния, 52% - на модули из поликристаллического кремния, полученного резкой кремниевых слитков. Еще 5% - модули, изготовленные
Ф
Ф
© С. М. Карабанов, Т. А. Шушканова
Ф
2
Ф
Ф
a)
Металл Текстура
Просветляющий слой Эмиттер р-Бп
р+- поле на тыльной стороне
Металл
Рис. 2.
Структура элементов, полученных методом
(а) трафаретной печати,
(б) скрытого контакта.
Ф
Ф
из элементов на поликристаллических кремниевых лентах и кремниевых листах, произведенных по специально разработанным для фотоэлектричества технологиям. Суммарно солнечные модули на основе кристаллического кремния составляют 93% ежегодного фотоэлектрического производства. Большая часть остального производства - это тонкопленочные аморфные кремниевые ФЭП, включая сложные каскадные; менее 1% общего производства - солнечные модули с тонкопленочными фотоэлектрическими преобразователями, не содержащими кремния, такие как поликристаллические тонкопленочные элементы на основе CdTe и CuInSe2 (CIS) [M.A. Green. Crystalline and thin-film silicon solar cells: state of the art and future potential. Solar Energy 74 (2003)].
Можно утверждать, что солнечные модули различных производителей, выполненные из ФЭП на кремниевых пластинках, ленте и листе, имеют высокие показатели надежности и долговечности: их аналоги были установлены в системах более 20 лет назад и продолжают надежно работать до настоящего времени. Модули на основе кремния имеют эффективность преобразования энергии (отношение электрической мощности к мощности солнечной радиации, поступающей на общую поверхность модуля) в диапазоне 10-15%. Эффективность солнечных модулей, изготовленных из монокрис-таллических ФЭП, близка к 15%, модулей из ФЭП на основе поликристаллического кремния - 11-12%, а модулей с ФЭП на кремниевой ленте и листе - около 10%.
В настоящей статье обсуждается современное состояние промышленных технологий производства ФЭП на основе кристаллического кремния, представлен анализ
Контакт, расположенный в скрай-
основных направлении совершенствования технологических процессов изготовления ФЭП и показателей их эффективности.
Технологии производства ФЭП на основе с-Э1
Все исследования в области производства ФЭП проводятся с целью снижения стоимости фотоэлектричества за счет увеличения эффективности ФЭП и удешевления материалов (подложки, паст и т.д.) и технологии производства. В свою очередь уменьшение стоимости подложки достигается при переходе от монокристаллического кремния к поликристаллическому и ленточному кремнию без значительных потерь эффективности ФЭП. В настоящее время доля фотоэлектрических преобразователей из поликристаллического кремния составляет около 52%, ФЭП на ленте и листе - 5%. Уровень цен на мировом рынке на ФЭП колеблется от 1.8 до 2.5 долл./Вт.
В производстве ФЭП из кристаллического кремния используются три промышленные технологии: технология трафарет-
Ф
Ф
Ф
^ Black process 45.0° 120.0 LPI
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
ной печати, технология скрытого контакта, получаемого лазерным скрайбированием канавок в подложке кремния, и технология HIT-элементов (с гетеропереходом с внутренним тонким слоем). Самой распространенной является технология трафаретной печати; по технологии скрытого контакта с лазерным скрайбированием канавок изготавливается 10% от общего объема промышленно производимых ФЭП, причем положительные результаты достигаются только на монокристаллическом кремнии. На рис. 2 представлена структура элементов, полученных методами трафаретной печати (а) и скрытого контакта (б), а в табл. 1 описана схема основных технологических этапов производства ФЭП этими методами. Эффективность ФЭП, изготовленных из монокристаллического кремния по технологии трафаретной печати, составляет 13-15%, по технологии скрытого контакта - 16.5%, а полученных из поликристаллического кремния по технологии трафаретной печати - 12.5-13.5% [J.F. Nijs, J. Szlufcik, J. Poortmans et al. Crystalline silicon solar cell technology for today and tomorrow. 16th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 1-5 May 2000, Glasgow, UK].
Совершенствование технологии трафаретной печати
Преимущество технологии трафаретной печати состоит в простоте обработке элементов и наличии развитой производственной базы, заимствованной из толстопленочной микроэлектроники (принтеры, печи для сушки и спекания контактов). Несмотря на связанное с печатью относительно широких контактных линий снижение эффективности в сравнении с другими технологиями, трафаретная печать остается одной из основных технологий в производстве ФЭП, и проводится много исследований по ее совершенствованию. Основные направления повышения эффективности ФЭП, изготовленных трафаретной печатью: повышение поглощающей способности поверхности ФЭП и снижение электрических потерь на границе Si-проводник. Повышение поглощающей способности достигается путем текстури-рования поверхности ФЭП и нанесения просветляющих покрытий, а снижение электрических потерь - за счет селективного легирования.
4
Таблица 1
Схема технологического процесса производства ФЭП методами трафаретной печати и скрытого контакта
Метод трафаретной Метод скрытого
печати контакта
Текстурирование Текстурирование
Диффузия примеси Эмиттерная диффузия
Химическое травление Оксидирование
оксидов
Плазменное травление Скрайбирование
оксидов канавок
Печать контактной Травление канавок
сетки
Спекание контактной Диффузия фосфора
сетки в канавки
Напыление Напыление А1
просветляющего через маску
покрытия
Тестирование ФЭП Отжиг 800-900°С Напыление А1 для тыльного контакта Металлизация Тестирование ФЭП
В промышленности в настоящее время исследованы различные способы текстури-рования поверхности: механическое образование V-образных канавок, химическое травление, ионное реактивное травление. Механическое скрайбирование было тщательно изучено рядом Европейских институтов в рамках проекта "HEXSI" (высокоэффективные кристаллические кремниевые солнечные элементы) [G. Hahn, C. Gerhards, M. Spiegel et al. Overview and results of the ec HEXSI project]. Разработаны и испытаны различные резцы для нанесения на пластинках кремния V-образных канавок, изучена геометрия полученной текс-турированной поверхности. Стандартная промышленная технология трафаретной печати была адаптирована к пластинам с V-образными канавками. Эффективность ФЭП из поликристаллического кремния площадью 100 мм2 с текстурированной механическим способом поверхностью, изготовленных в лабораторных условиях, составила 16%. Несмотря на то, что на подложках с V-образной текстурой достигнуты самые высокие значения токов короткого замыкания для поликристаллического кремния, проблема воспроизводимости результатов, появляющаяся в связи с металлизацией
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
фронтальной поверхности методом трафаретной печати, остается нерешенной.
При текстурировании поверхности методом химического или ионного травления подложки в плазме хлора трудностей с контактами не возникает. Под действием травильного раствора или сухой плазмы хлора как на монокристаллических, так и на поликристаллических кремниевых подложках образуются микроскопические пирамидальные структуры (независимо от кристаллографической ориентации и неровности поверхности). Применение, наряду с просветляющим покрытием, кислотного травления для текстурирования поверхности позволяет получить ФЭП площадью 100 х 100 мм2 из поликристаллического кремния с эффективностью на уровне 16.2-16.5%. Данная технология вполне пригодна и для элементов большего размера: были изготовлены ФЭП с эффективностью 15.7% из поликристаллического кремния размером 125 х 125 мм2. Реактивное ионное травление - процесс бесконтактного сухого травления - прекрасно подходит для текстурирования поверхности хрупких солнечных элементов большой площади (125 х 125 мм2 и более).
Другим направлением совершенствования технологии трафаретной печати в производстве ФЭП является селективное легирование. Необходимость такого легирования вызвано тем, что элементы с выполненными трафаретной печатью относительно широкими линиями контактной сетки содержат - для уменьшения сопротивления контакта и больших потерь от затенения - высокие концентрации примеси в поверхностной области элемента, что увеличивает поглощение в этой области коротковолновой части солнечного излучения. В результате снижается (в сравнении с более совершенными технологиями) эффективность элемента. Селективное легирование решает эту проблему путем создания на фронтальной поверхности зон с различной концентрацией легирующей примеси. Методик получения селективного эмиттера разработано много, однако, как правило, они оказываются слишком сложными или чрезмерно дорогими. Наибольший интерес вызывает способ одноэтапной селективной диффузии из фосфорсодержащей пасты. Этот процесс включает в себя нанесение фосфорсодержащей пасты на подложку через трафарет, аналогичный предназначенному для металлизации кон-
тактов, и проведение диффузии в конвейерной печи. При этом участки, на которые непосредственно наносится паста, получаются глубоко легированными, а в област
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.