Солнечный элемент ФЭП – основа солнечной батареи

Рабочим элементом солнечной батареи (модуля, панели) являются солнечные элементы или как их еще называют ФЭП фотоэлектрические преобразователи.

Солнечный элемент — это диод, характеристики которого оптимизированы для лучшего сбора солнечного света, его поглощения и превращения в электрическую энергию. В журнале Юный техник, выпускавшемся в СССР были приведены руководства как доставая обычный диод из корпуса и коммутируя их вместе получить небольшую солнечную батарею. Но эффективность такой солнечной батареи будет низкой. Какие технологические приемы надо применить чтобы повысить эффективность?

Сначала о материале. В качестве исходной подложки используется кремний. Ширина запрещенной зоны кремния близка к частоте максимума интенсивности солнечного света, достигающего поверхности Земли. Это один из самых распространенных химических элементов на нашей планете. Но прямое его использование в полупроводниковых приборах, скажем из речного песка, невозможно из-за большого количества примесей, которые портят все полупроводниковые свойства кремния. Кремний очищают сложным образом, добиваясь чистоты 99,999999%. Этот сверхчистый кремний используют для дальнейшего роста кристаллов, его расплавляют в кварцевых тиглях. Расплав легируют, добавляя нужное количество примеси для получения нужных свойств конечного полупроводника. Различают:

- монокристаллический кремний. Получают из расплава методом Чохральского осаждая кремний на подложке. монокристалл – это материал обладающей единой кристаллической решеткой.

- поликристаллический или мультикристаллический кремний. Получают из расплава методом вертикального Бриджмена, состоит из крупных монокристаллических блоков.

Полученному кристаллу придают квадратную форму и режут на пластины толщиной 150-200 мкм. Такая толщина выбрана из экономической целесообразности и не имеет корреляции с поглощающей толщиной элементом солнечного света. Готовая кремниевая пластина – это подложка для солнечного элемента. Размер солнечного элемента зависит от оборудования, которое используют при его изготовлении. Все начиналось с круглых солнечных элементов диаметром 50, 76, 100 мм, но низкий коэффициент заполнения солнечной батареи солнечными элементами заставил пересмотреть форму пластин. Пластины стали квадратными и псевдоквадратными размером 100х100, 125х125, 156х156, 200х200 мм. Рост размеров ограничен хрупкостью кремния, а повышение толщины пластины экономически не выгодно.

Условно говоря процесс изготовления солнечной батареи, можно поделить на три стадии

• Металлургический процесс. Рост кремния, его квадратирование и резка на пластины.

• Электронный процесс. Процесс создания солнечного элемента на основе кремниевой пластины.

• Сборочный процесс. Коммутация солнечных элементов, ламинирование солнечной панели.

На рисунке представлены этапы изготовления солнечного элемента

1. Создание текстуры. Способность поглощать свет – один из важнейших параметров солнечного элемента, определяющим его эффективность. Количество поглощаемого света зависит от размера солнечного элемента. Вторым важным параметром является уменьшение коэффициента отражения солнечного света от поверхности солнечного элемента. Для этого поверхность кремниевой платины подвергают химическому травлению: для монокристаллов раствором щелочи с изопропиловым спиртом, для поликристаллических пластин раствором холодной кислоты. Кристалл кремния анизотропен – имеет разное количество атомов по разным кристаллографическим плоскостям. Это означает, что существуют направления в кристалле кремния, по которым скорость травления выше. Так если поверхность кремния ориентирована , то на ней образуются четырехугольные пирамидки, ограненные плоскостями с ориентацией и высотой 1–2 мкм. Эти пирамидки и принято называть текстурой. Текстура играет двоякую роль: снижает оптические потери за счет многократного отражения света от граней пирамидок, что улучшает его поглощение и приближает в среднем область фотогенерации носителей заряда к p-n переходу, что улучшает их собираемость.

2. Создание p-n перехода. В качестве исходной берется кремниевая пластина p-типа и в диффузионной печи из газовой фазы происходит создание на ней n-слоя. P-n переход формируется при диффузии атомов фосфора P из газообразных диффузантов PH3, POCl содержащихся в газе носителе.

3. Травление нижней стороны и краев солнечного элемента. В процессе газовой диффузии происходит образование p-n перехода на лицевой и тыльной стороне солнечного элемента. Те минус со всех сторон. Чтобы убрать слой n типа с краев пластины и задней стороны используют травление в плазмохимической установке. Используется полирующий травитель, что приводит к выглаживанию задней стороны.

4. Нанесение антиотражающего покрытия ARC и пассивационного слоя. В качестве пассивационного слоя используется естественно образующийся в атмосфере кислорода пленки SiO2. Этот слой защищает свободные связи кремния от вредных присей. Далее происходит напыление слоя нитрида кремния Si3N4, что улучшает антиотражающую способность поверхности солнечного элемента.

5. PERC технология задней стороны. На заднюю сторону наносится оксид алюминия и нитрид кремния, что приводит к образованию защитного слоя, в этом слое вскрываются лазером окошки, в которые проводится диффузия Al из пасты, нанесенной на тыльную сторону солнечного элемента. Образующаяся структура не сильно деформирует кристаллическую решетку кремния, лучше отражает ИК лучи солнца обратно в глубь солнечного элемента. Кроме того, создается p-p+ слой который имеет низкий омический контакт с металлическим контактом задней стороны и участвует в создании носителей заряда.

6. Нанесение металлизации на лицевую и тыльную стороны солнечного элемента. Нанесение осуществляется методом сетко трафаретной печати из пасты серебра для лицевой стороны и серебра и алюминия для тыльной стороны. Задача металлизации передней стороны является эффективный сбор носителей заряда при наименьшем затенении. После нанесения паста вжигается при температуре 650С, что приводит к образованию единого контакта.

Технология производства солнечных элементов непрерывно совершенствуется. Широкое распространение солнечные батареи получили вследствие их удешевления. Увеличение эффективности за счет доведения существующей технологии до совершенства.