Розробка нових методів підвищення ефективності кремнієвих фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії

Державний університет “Львівська політехніка”

 

Мельник Ігор Іванович

 

УДК 621. 383

 

 

05.27.01 – твердотільна електроніка

 

 

Львів – 1999

 

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі напівпровідникової електроніки Державного університету “Львівська політехніка”, Міністерство освіти України.

Науковий керівник – доктор фізико-математичних наук, професор Буджак Ярослав Степанович, Державний університет “Львівська політехніка”, професор.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Готра Зенон Юрійович, Державний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри; доктор фізико-математичних наук, професор Дмитрук Микола Леонтійович, Інститут фізики напівпровідників НАН України, завідувач відділу.

Провідна установа – Науково-виробниче об’єднання “Карат”, відділ нових прогресивних технологій, Міністерство промислової політики (м. Львів).

Захист відбудеться 18 червня 1999 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35. 052. 14 при Державному університеті “Львівська політехніка” (290646, Львів-13, вул. С. Бандери, 12).

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Державного університету “Львівська політехніка” (вул. Професорська, 1).

 

 

Актуальність теми. Результатом інтенсивного розвитку фотоелектричних перетворювачів (ФЕП) сонячної енергії за два останні десятиліття стало широке впровадження сонячних елементів (СЕ) для живлення різноманітних малопотужних електронних пристроїв. Однак у зв’язку із виснаженням запасів енергетичної сировини на Землі та безперервним зростанням потреб людства у дешевій екологічно чистій електроенергії постає питання про розвиток високопотужної сонячної енергетики, яка змогла б конкурувати з традиційними методами ґенерації електроенергії. Вимогами до СЕ високопотужної енергетики є наступні критерії: висока ефективність роботи; технологічна простота і низька вартість одержання; достатня деґрадаційна стійкість. На цей час ФЕП відповідають наведеним вимогам не в повній мірі й надалі залишаються низькорентабельними у широкомасштабному використанні.

Для підвищення рентабельності високопотужних геліосистем, як правило, використовують два підходи. Для першого з них характерні заходи з підвищення коефіцієнта корисної дії (ККД) СЕ. Згідно із другим максимальну увагу приділяють спрощенню та здешевленню технології виробництва ФЕП. У відповідності з першим підходом основою високопотужної сонячної енергетики стали кремнієві СЕ з дифузійним p-n- переходом, для яких досягнуто найвищі значення ККД. Однак, незважаючи на високу ефективність, рентабельність цих СЕ є недостатньо високою внаслідок значної технологічної складності їх виготовлення. У той же час ККД отриманих простою технологією ФЕП зі структурою метал/діелектрик/напівпровідник з індукованим інверсним шаром (MIS/IL) залишається низьким через значні омічні втрати на послідовному опорі структури. Розроблені на цей час методи підвищення ефективності MIS/IL СЕ неминуче призводять до ускладнення технології їх виробництва.

Як для ФЕП з дифузійним p-n- переходом, так і для MIS/IL СЕ і надалі залишається актуальною проблема мінімізації оптичних втрат, а також втрат, що зумовлені негативним впливом поверхневої та об’ємної рекомбінацій. Сучасні високоефективні антивідбивні та пасивуючі покриття характеризуються високою складністю технологічної реалізації, а при формуванні їх за спрощеною технологією не володіють необхідними просвітлюючими та пасивуючими властивостями. Все це сповільнює розвиток високопотужної геліоенергетики та робить актуальними дослідження у галузі розробки рентабельних у практичному застосуванні методів підвищення ефективності СЕ з дифузійним та індукованим p-n- переходами.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження виконувались за планом науково-дослідної роботи ДУ “Львівська політехніка” у рамках держбюджетної теми “Розробка фізико – технологічних основ серійно придатних перетворювачів сонячної енергії на основі монокристалічного та аморфного кремнію” (шифр ДКС/65. 1, 1996-1997 рр.) ; у рамках державного контракту “Рентабельні антивідбивні покриття для кремнієвих сонячних елементів (шифр ДК 2М/73-98, 1997-1998 рр.) та в рамках міжнародного наукового проекту “Kostengunstige Antireflexionsbeschichtung fur Silicium-Solarzellen” спільно з Інститутом дослідження сонячної енергії (м. Емертхаль, Німеччина), шифр UKR-017-97, 1997-1999 рр.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи полягала у розробці нових методів підвищення ефективності кремнієвих фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії з дифузійним та індукованим p-n- переходами, які спрощують технологію їх одержання та забезпечують тривалу експлуатацію у складі високопотужних ґенераційних систем.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити наступні задачі:

•на основі аналізу математичної моделі процесу фотовольтаїчного перетворення у структурах кремнієвих СЕ з дифузійним та індукованим p-n- переходами та розрахунку верхньої межі їх теоретичного ККД встановити основні механізми втрат зґенерованої потужності та намітити шляхи їх мінімізації;

•з використанням нетрадиційного для кремнієвої фотовольтаїки ефекту розробити принципово новий метод зменшення послідовного опору структур СЕ з індукованим p-n- переходом, для яких домінуючими є резистивно-рекомбінаційні втрати; обґрунтувати доцільність та напрямки його практичного використання;

•на основі математичної теорії планування експерименту розробити методику оптимізації технології створення рентабельного антивідбивного покриття для кремнієвих СЕ з p-n- переходом.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Уперше для зменшення омічних втрат у СЕ з індукованим p-n- переходом запропоновано використовувати зовнішнє електричне зміщення, досліджено механізм його впливу на структурні параметри, вихідні електричні характеристики та ККД ФЕП.

2. Запропоновано нове технічне рішення будови сонячних модулів, яке передбачає практичне використання зовнішнього зміщення для підвищення ефективності MIS/IL СЕ при їх роботі у складі високопотужних ґенераційних систем.

3. Удосконалено методику оптимізації та здійснено оптимізацію технологічних умов електрохемічного формування шарів пористого кремнію (por-Si) для