Фотоэлектрические преобразователи на квантовых точках

В качестве рабочего перехода для a-Si СЭ могут использоваться барьер Шоттки, МОП-структура, p-i-n-структура. На рис.1.9 показаны различные варианты конструкции таких солнечных элементов.

Аморфные  кремниевые солнечные элементы с p-i-n-структурой сейчас применяются в самых различных областях благодаря возможности их изготовления на металлической фольге, например из нержавеющей стали, и полимерных пленках, снабженных металлическим покрытием. Использование таких подложек совместимо с технологией массового производства гибких солнечных элементов. Поэтому элементы данного типа относятся к наиболее перспективным преобразователям солнечной энергии ближайшего будущего.

Производство a-Si солнечных элементов находится  уже на достаточно высоком технологическом  уровне. В качестве основного технологического процесса используется тонкоплѐночная технология плазменно-поддерживаемого  осаждения химических паров из кремний и германий содержащих смесей (SiH₄, Si₂H₆, GeH₄).

По  состоянию на 2010 год годовое производство a-Si солнечных элементов и модулей  составило более 19 МВт, основная часть  которого приходится на фирмы USSC, BP Solarex, Cannon, Sanyo, Energy PV. При средней эффективности солнечных элементов до 13 % и модулей до 10 %  77-80 . Основные характеристики некоторых солнечных элементов на основе кремния (монокристаллического с-Si, микрокристаллического mс-Si, тонкоплѐночного tf-Si и аморфного a-Si) представлены в таблице 1.6.

В целом a-Si является достаточно перспективным  материалом для солнечных элементов  с относительно высоким КПД, низкой себестоимостью и малым расходом материала за счет значительно меньшей  толщины поглощающего слоя, чем у  остальных солнечных элементов  на основе кремния.

Единственная  и, пожалуй, главная проблема: деградация a-Si в процессе эксплуатации, что  в значительной степени снижает  КПД СЭ и не позволяет применять их при наличии сильных ионизирующих излучений (например, в космосе).

Таблица 1.6. Основные характеристики кремниевых ФЭП

где S – площадь элемента, U_oc – напряжение холостого хода, J_sc – максимальный ток, протекающий через выводы солнечного элемента при их коротком замыкании, ff –фактор заполнения (показывает, какая часть мощности, вырабатываемой солнечным элементом, используется в нагрузке), КПД – эффективность солнечного элемента (показывает, какую часть солнечной энергии падающего на него света он может превратить в электричество).

2. ФЭП А³В⁵

Полупроводниковые соединения А^IIIB^V такие, как GaAs, GaAlAs, GaInAsP, InAs, InSb, InP обладают почти идеальными характеристиками для фотовольтаического преобразования солнечного света. Единственным ограничением для их широкомасштабного применения в качестве поглощающих материалов в солнечных элементах является высокая себестоимость. На основе этого класса материалов формируются как однопереходные, так и многопереходные солнечные элементы (рис.1.10).

Для оптимизации параметров солнечных  элементов используется широкий  спектр А^IIIB^V полупроводниковых соединений в различных комбинациях, но наиболее часто используются GaAs и InP. В нанесенные пленки возможно введение примесей других III-валентных металлов.

Солнечные элементы на основе А^IIIB^V полупроводников имеют толщину до 210 мкм, что существенно увеличивает расход материала по сравнению с тонкопленочными солнечными элементами. Для компенсации повышенной себестоимости стремятся максимально увеличить КПД этих солнечных элементов за счет создания многопереходных устройств, где комбинируются поглотители с большими и малыми значениями ширины запрещенной зоны, и применения концентраторных систем из линз или зеркал. Тем не менее, несмотря на достаточно высокий КПД, А^IIIB^V солнечные элементы не нашли широкого применения в наземных условиях, так как они не выдерживают конкуренции с кристаллическими и аморфными кремниевыми солнечными элементами из-за высокой цены.

Сведения  о некоторых А^IIIB^V солнечных элементах приведены в таблице 1.7.

Рисунок 1.10. Типы конструкций солнечных элементов на основе А^IIIB^V полупроводников: а) с гомогенным p-n-переходом; б) двухпереходный с четырьмя выводами; в) гетерогенный с GaAs/GaInP переходом

В производстве А^IIIB^V солнечных элементов участвуют фирмы PVI, Amonix, Entech, Spectrolat, Sunpower. Их космические солнечные элементы демонстрируют среднюю эффективность в 30 %, а модули до 17 %, что является наилучшим показателем среди всех фотогальванических полупроводниковых преобразователей света. В силу хорошей изученности А^IIIB^V полупроводников и методов их получения вряд ли можно ожидать ощутимого прорыва в технологии производства А^IIIB^V СЭ. Для повышения КПД А^IIIB^V солнечных элементов и, соответственно, понижения себестоимости электрической энергии необходимы изменения в конструкции (введение новых слоѐв), что неизбежно приводит к усложнению технологии производства и повышению производственных затрат.

Таблица 1.7. Основные характеристики ФЭП А^IIIB^V

3. ФЭП А²В⁶

Наиболее  ярким представителем этого класса, использующимся в фотоэлектрических  преобразователях, является теллурид кадмия (CdTe).

Исследование CdTe с позиций его дальнейшего  использования в фотовольтаике  началось с 60-х годов ХХ-го века. Обладая  шириной запрещенной зоны в 1.5 эВ и достаточно высоким коэффициентом  поглощения, CdTe может быть использован  в виде тонких пленок, достаточных  для  интенсивного  поглощения  света. Среди различных типов солнечных элементов на основе CdTe исследовались приборы с гомогенным переходом, барьером Шоттки, а также гетеропереходы в сочетании с Cu₂Te, CdS и ITO (прозрачным проводящим оксидом – смесь оксидов индия и олова). Наилучшими с точки зрения дальнейшего использования и усовершенствования оказались n-CdS/p-CdTe солнечные элементы (рис. 1.11).

CdS и CdTe могут наноситься в ходе  различного рода технологических  процессов, что открывает широкие  возможности для оптимизации  и удешевления солнечных элементов.

Рисунок 1.11. Структура тонкопленочных CdTe солнечных элементов с гетеропереходом CdS/CdTe.

Среди разнообразных методов нанесения CdTe наиболее обещающими являются вакуумная  сублимация (CSS), методы химического осаждения (CD), напыление (sputtering), электроосаждение (ED). CdS может наноситься осаждением в химической ванне (CBD), RF-напылением и вакуумной сублимацией (CSS). Наилучшие характеристики на данный момент времени показывают CdS/CdTe солнечные элементы, изготовленные по CBD/CSS технологии. С целью упорядочения нанесенных тонких пленок и повышения тем самым КПД солнечного элемента, CdS и CdTe тонкие пленки после нанесения подвергаются высокотемпературному отжигу при 400 – 500^оС для образования Cd (S,Te) контактного гетероперехода.

На  настоящий момент времени CdTe СЭ находятся в стадии разработки и создания пилотных линий, производственные мощности которых по состоянию на 2009 год составили более 1.2 МВт при участии фирм Matsushito, First Solar, BP Solarex и прочих. При этом средняя эффективность солнечных элементов на основе CdTe составляет 16 %, а модулей – до 9 % (таблица 1.8).

CdTe СЭ являются достаточно перспективными  с широкими возможностями для  усовершенствования и оптимизации  технологии производства и, следовательно, для снижения себестоимости. Это выгодно отличает их от солнечных элементов на основе a-Si, c-Si и А³B⁵ полупроводников. Однако в производстве CdTe СЭ задействованы Cd и Te, являющиеся редкоземельными элементами с сильными токсичными свойствами, что до некоторой степени задерживает широкое внедрение CdTe солнечных элементов. В недалеком будущем мировое сообщество планирует вообще отказаться от использования Cd в промышленном производстве в силу его высокой токсичности и проблем с утилизацией Cd и его соединений. Поэтому при выборе CdTe в качестве поглощающего материала для фотовольтаического преобразования света сразу возникает проблема дальнейшей утилизации солнечных элементов, отработавших свой срок. Последнее приводит к увеличению себестоимости CdTe солнечных элементов и ограничению их широкого использования для преобразования света.

Таблица 1.8. Основные характеристики ФЭП А²В⁶