Гетероструктурные солнечные элементы на

Гетероструктурные солнечные элементы на кремнии,как
перспектива развития солнечной энергетики и как тема для
международного сотрудничества
Е.И. Теруков, А.В.Бобыль, Д.Л.Орехов
Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе РАН
Научно-технический центр тонкопленочных
технологий в энергетике при ФТИ им.А.Ф.Иоффе
Eug.Terukov@mail.ioffe.ru
Содержание:
1.
2.
3.
4.
5.
Введение
Классика на кремнии
Технология «Micromorph»
Технология HIT
Заключение
Распределение технологий на рынке
Солнечные модули на основе кристаллического
кремния доминируют
Наблюдается рост рынка тонкопленочных технологий
Тенденции повышения эффективности: КПД 25%
Первая ячейка с КПД 20%
Маршрутная карта производства
кремниевых кристаллических ФЭП
Возможность снижения стоимости
Изготовление кремниевого кристалла
30%
24%
Изготовление кремниевой пластины
Сборка модуля
35%
11%
Изготовление ячейки
Ограничение возможности снижения цены связаны с высокой стоимостью
кристаллического кремния и пластин.
Незначительное снижение цены возможно за счет усовершенствования
технологии.
ФЭП на основе кристаллического кремния останутся важными для
развития рынка, но их доля будет снижаться с увеличением доли
тонкопленочных ФЭП.
Структура ячейки микроморфного модуля и назначение отдельных слоев
Солнечный
свет
Лицевое стекло –подложка для
нанесения тонких пленок
Лицевой слой ZnO – оптическое окно и
лицевой контакт
Переход на a-Si:H – поглощение коротковолновой
части спектра
Переход на µс-Si:H – поглощение длинноволновой части
спектра
Тыльный слой ZnO – контакт, отражатель, монолитное
соединение ячеек
Тыльный отражатель – отражение света с низким
поглощением
Тыльное стекло – герметизация модуля
Тандем a-Si/µc-Si с КПД свыше 15%
Теоретическая эффективность тандема a-Si/µc-Si при использовании ZnO в
качестве окна может составлять 15.8 %
(при условии оптимизации всех компонентов СЭ)
Jsc=15.3 мА/см2, Uoc=1.45 В,
FF=0.71 => η=15.8 %
В настоящее время
эффективность
промышленных a-Si/µc-Si
тандемов ~ 10 %
Пути повышения эффективности микроморфного модуля
1.
2.
3.
Научный подход
Менеджмент захвата
света
Улучшение свойств слоев
и интерфейсов
Антиотражающие
покрытия
1.
2.
3.
Инженерный подход
Улучшение дизайна
модуля
Снижение
производственных потерь
Использование новых
подложек
Достаточно сложно разделить научный и инженерный подход.
Поэтому они обычно рассматриваются в совокупности.
Трехкаскадный СЭ на основе a-Si:H/a-SiGe:H/µc-Si:Н
Основные проблемы:
• осаждение
высококачественного aSiGe:Н, устойчивого к
фотоиндуцированной
деградации
• ТСО с низким поглощением
в ИК области
Теоретическая эффективность свыше 17 %
Снижение цены на поликремний с 2006 по 2013 гг.
Ближайшее будущие солнечной энергетики
СРАВНЕНИЕ a-Si, c-Si и HIT СОЛНЕЧНЫХ ЯЧЕЕК
Классическая конструкция
на основе c-Si
КПД 18-20 %
Контактная сетка (Ag)
На основе
гетероперехода
a-Si:H/c-Si (HIT)
КПД до 24.7 %
Тонкопленочные
на основе a-Si:H/µc-Si:H
КПД 9-11 %
Контактная сетка (Ag)
ТСО (ZnO:B)
ARC
(n) c-Si
(p) c-Si
Eg= 1.12 эВ
(p+) s-Si BSF
Al тыльный контакт
ТСО (ITO)
p-a-Si:H
i-a--Si:H
(n) c-Si
Eg= 1.12 эВ
i-a--Si:H
n-a-Si:H
Ag тыльный контакт
n-µc-Si:H
i--µc-Si:H
p-µc-Si:H
n-a-Si:H
i-a-Si:H
p-a-SiC:H
ТСО (ZnO:B)
Стекло
HIT: c-Si подложки + тонкопленочная технология →
высокая эффективность + низкий температурный коэффициент
СРАВНЕНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЯЧЕЕК
Классическая c-Si ячейка
10 технологических шагов
Односторонняя (IBC) c-Si ячейка
18 технологических шагов
a-Si/c-Si (HIT) ячейка
10 технологических шагов
24%
23%
18.5%
В 2014 продемонстрированы
лабораторные HIT ячейки с КПД > 25%.
Подход ИМЕК*: использование стеклянной подложки
Исходный материал - стекло
На стекле размещают
пластины
кристаллического
кремния
Сборка
полномасштабног
о модуля
* ИМЕК - IMEC (Interuniversity Microelectronics Centre) микро- и наноэлектронный научный центр в Лёвене, Бельгия
От стекла к кремнию на стекле
Формирование
пористого
кремния
Отжиг в
атмосфере
водорода
Эпитаксия методом
термохимического
осаждения
Формирование фронтальной
поверхности
Кремний может
быть
использован
повторно
Отсоединение
Приклеивание тонкой
фольги к стеклу
Лазерный отжиг в технологии солнечных элементов
Тонкие и гибкие подложки кристаллического кремния
Структура тонкого эпитаксиального слоя c-Si
Возможности плазмохимической технологии
Не только слои,
но и квантовые
волокна
На любой подложке?
Тонкие пленки кремния: выводы и перспективы
Материалы
Процессы
Структура ячеек
● Низкие температуры ● PIN
a-Si:H
● Тандем
Плазмохимическое
● pm-Si:H
● Многопереходные
осаждение
● µc-Si:H
Переход от радикалов
● Эпитаксиальные
к нанокристаллам
пленки
открывает новые возможности
● Сверхрешетки
● Квантовые точки
● Кремниевые
нановолокна
● Ge, C,…
48
3-каскад
Si нанокристаллы,
сверхрешетки
Дорожная карта
III-V
Эффективность
36
c-Si
4T
Pm-Si & c-Si
24
Тонкопленочные СЭ
12
8
4
0
1975
1985
1995
2005
2015
2025
Заключение
1.
2.
3.
4.
5.
Улучшение двухкаскадного модуля
Разработка трехкаскадного модуля
НIT-технология на кремнии
НIT-технология на стекле
Низкотемпературная плазмохимическая
эпитаксия
О Проекте
27
Отечественное высокотехнологичное производство
тонкопленочных солнечных модулей на оборудовании
и по технологии фирмы Орликон Солар (ТЭЛ Солар)
Отечественное высокотехнологичное производство
тонкопленочных солнечных модулей на оборудовании
и по технологии фирмы Орликон Солар (ТЭЛ Солар)
Micromorph®
PV modules –
Микроморфные солнечные
модули
Номинальная
пиковая
мощность
125 Вт
(Pmpp)*
Низковольтные солнечные модули
Площадь
1300х1100 мм2
Толщина
6,8
Вес
26 кг
0,4 мм
КПД
8,9 %
КПД в 2015 году
11,0%
 Хорошо сочетаются с промышленными инверторами
 Электрические характеристики близки к кристаллическим солнечным модулям, на сегодняшний
день преобладающим на рынке – 80%.
 Хорошее согласование со стандартами рынка
 Снижение стоимости при коммутации
30





Основан в декабре 2010 года
Дочерняя компания ООО «Хевел»
Пилотная линия 5-го поколения фирмы Oerlikon
Резидент Сколково
Начало полномасштабной работы в области
исследований и разработок – начало 2012 г.
 Находится на территории ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН
Концепция НТЦ
ФТИ им. А.Ф. Иоффе является одним из крупнейших научных Hevel: about 100 MWp PV modules production facility
(Gen 5, Oerlikon Solar).
центров России (более 1000 исследователей, 2 лауреата
Нобелевской премии)
Идеи
НТЦ
Решения
Пилотная линия
(Oerlikon Solar)
Вопросы
Задачи
Использование высокотехнологичного оборудования аналогичного оборудованию на производстве позволит
произвести высокоэффективный трансфер разработок НТЦ на промышленную линию
Март 2011
Январь 2012
Февраль 2012
Оборудование НТЦ
1. Оборудование для нанесения и обработки слоев ФЭМ
•
•
•
KAI 1200 – плазмохимическое осаждение a-Si и uc-Si слоев
TCO 1200 – химическое осаждение оксида ZnO
LSS 1200 – лазерное скрайбирование (применяется для разбиения модуля на ячейки)
2. Оборудование для сборки модуля
•
•
•
•
•
Высококачественная мойка стекла
Установка лазерного удаления краев
Установка для автоматического нанесения контактных шин
Оборудование для укладки ламинирующей фольги и тыльного стекла
Ламинатор
3. Метрологическое оборудование для исследования площадей 1,43 м2
•
•
•
•
•
•
•
Автоматическая установка оптического контроля качества стекла
Система измерения толщины, рассеивания и сопротивления
Импульсный имитатор солнца
Элипсометр
Мультиконтактный стол (сопротивление между ячейками и фото ЭДС ячеек)
ИК камера
Климатическая камера
4. Оборудование для тестирования модулей и ячеек (10х10 см2)
•
•
•
Имитатор солнечного излучения
Установка для измерения квантового выхода
Установка тестирования деградационных свойств
Процесс изготовления модулей
Лабораторное оборудование (грант Сколково)
1. Технологическое оборудование: кластерная система (PECVD, CVD and ALD камеры),
реактивное ионное травление, магнетронное распыление
2. Оптические методы: микроскопия, ИК-Фурье спектроскопия, сперктрофотометрия,
элипсометрия, спектроскопия комбинационного рассеиния, фотолюминисценция
3. Электрические методы: измерения темновой проводимости и фотопроводимости в
зависимости от температуры, измерение эффекта Холла
4. Метрологическое оборудование: актинометрическая станция, спектрорадиометр,
импульсный солнечный имитатор
5. Профилометр
… доступ к многочисленному оборудованию
для комплексных исследований в ФТИ им. А.Ф. Иоффе
Возможности ФТИ им. А.Ф. Иоффе
Электронная микроскопия(РЭМ, ТЭМ)
AFM
SEM
Атомно-солвая микроскопия
XRD
Элементный анализ (ВИМС, XRD, Auger)
Оптическая спектроскопия
FTIR
Raman
SIMS
И многое другое!
Основные направления деятельности НТЦ
1. Разработки и исследования в области токнопленочной кремниевой фотовольтаики:
Усовершенствование микроморфной технологии;
Разработка технологии трехкаскадных солнечных модулей;
Улучшение оптического дизайна модулей;
Применение альтернативных материалов в технологии
2. Внедрение результатов исследований на производственной линии ООО «Хевел»;
3. Сотрудничество с исследовательскими центрами, заинтересованными в разработках
в области тонкопленочной фотовольтаике и в возможности внедрения разработок на
производстве;
4. Квалификация материалов (в том числе от отечественных производителей) для
производства солнечных модулей по микроморфной технологии;
5. Разработка систем автономного энергоснабжения с применением солнечных
модулей.