Солнечные батареи из аморфного кремния

Солнечные батареи начали изготавливать с 1954 г. Сначала это были фотоэлектрические элементы на основе полупроводникового кремния. Намного позже была разработана технология получения аморфных солнечных батарей. Солнечные батареи целиком не изготавливаются, а собираются из отдельных элементов, преобразующих свет в электричество.

Современная малогабаритная солнечная батарея

Единичный фотоэлектрический полупроводниковый преобразователь изготавливается из металла кремния высочайшей степени очистки. Чаще всего в технологическом процессе очистки получают кристаллический кремний в виде цилиндра диаметром несколько десятков миллиметров.
Из цилиндра нарезают диски, имеющие толщину в доли миллиметра.

Кремниевые диски легируют нанесением на их поверхность различных примесей, как металлических, так и неметаллических. При этом в пластине кремния формируются зоны с разной степенью насыщенности электронами, с n-проводимостью (электронной) и «дырками» с p-проводимостью.

«Дырки» – это металл, из которого дозированными примесями удалили часть электронов и получили p-проводимость, т.е. положительную, а металл с избытком электронов имеет n-проводимость, т.е. отрицательную или электронную.

Структура кремниевого ФЭП

Комбинацией примесей, их составом, очередностью нанесения, толщиной и мн.др. в толще пластины получают p-n переходы или гетеропереходы. В результате этих процессов полупроводниковые пластины получают способность при облучении светом давать электрический ток. Так были созданы фотоэлектрические преобразователи (ФЭП).

К концу первого десятилетия 21-го века КПД кремниевых солнечных батарей промышленного производства, в зависимости от производителя, достиг величины в 28-30%. Эту величину значительно снижает (до 20-22%) нагрев от солнечного освещения, без которого обойтись невозможно.

Некоторые недостатки кремниевых элементов

Металлический кремний полупроводниковой чистоты – материал очень дорогой, т.к. при производстве он проходит множество стадий очистки.

При резке монокристалла значительная часть материала уходит в стружку – толщина пластины около 0,25 – 0,4 мм.

При облучении ФЭП светом, падающая на элемент энергия преобразуется в электричество не полностью:

• часть отражается с поверхности обратно;
• часть проходит «насквозь» без поглощения и преобразования;
• часть вызывает тепловые колебания кристаллической решетки;
• часть расходуется на рекомбинацию (взаимное уничтожение «дырки» и электрона с выделением тепла) фото-пар в поверхностном слое и т.д.

Эти явления уменьшают КПД кремниево-кристаллических ФЭП до 12-15%, иногда до 22-25%.

Производство ФЭП из аморфного кремния

Сырьем для производства являются подложки из различных материалов:

• металла, часто из нержавеющей стали;
• полимерных пленок разного состава;
• керамики специальных марок;
• стекла высокой степени очистки;
• кристаллов искусственного сапфира и т.п.

Сырьем для главного слоя аморфных ФЭП является силан – кремневодород. Его химическая формула SiH4. Кремний обрабатывают водородом и получают соединение типа (a-Si:H) или гидрогенизированный кремний.

Для нанесения аморфного кремния на подложку силан в закрытой камере подвергают воздействию тлеющего электрического разряда. Он испаряется, и пары кремния осаждаются на подложку. Толщина слоя около 1 мкм и менее. Температура осаждения около 250 – 400°С, поэтому для подложек можно выбрать разные материалы невысокой стоимости.

Гибкая солнечная батарея

Производство безотходное, поэтому цена продукции относительно невелика.

Процесс напыления позволяет производить ФЭП значительно большей площади, чем диски из кремния, диаметром в десятки миллиметров. Модули, изготовленные по такой технологии, могут иметь площадь до нескольких квадратных метров.

Гидрогенизация кремния позволяет получить полупроводниковые свойства у очень тонких пленок, толщиной до 1 мкм, чему способствует увеличенное в 15 – 20 раз оптическое поглощение этого материала по отношению к кремнию.

Солнечная батарея с использованием аморфного кремния на стеклянной подложке

Гибкий ФЭП на основе аморфного кремния

Особенности тонкопленочных солнечных батарей

Солнечные батареи, изготовленные из аморфного кремния, для работы не требуют облучения прямым потоком солнечного света. Им достаточно рассеянного света, например, света Солнца, закрытого облаками. В результате этого такие батареи за год вырабатывают на 10 – 15% больше электроэнергии, чем традиционные кремниевые батареи. Они работают при большой запыленности воздуха или при насыщении его аэрозолями.

Элементы малой мощности использоваться начали еще в конце прошлого века в калькуляторах, электронных часах, в карманных радиоприемниках и т.п.

Для создания тонкого слоя полупроводникового материала для солнечной энергетической панели нужно в сотни раз меньше, и это тоже уменьшает конечную цену.

Использование энергетических солнечных батарей большой мощности позволяет уменьшить зависимость от энергетических компаний, а при наличии в государстве законов по альтернативной энергетике – даже зарабатывать, подавая в промышленную сеть избыток энергии.