Конструкция тонкопленочного солнечного модуля и способ ее изготовления
CONSTRUCTION OF THIN-FILM SOLAR MODULE AND METHOD OF ITS MANUFACTURE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к структуре двухкаскадного тонкопленочного солнечного модуля (фотопреобразователя) на основе аморфного и микрокристаллического кремния.
Уровень техники
Классические источники энергии, такие как нефть, газ и уголь, выделяют в атмосферу большое количество углекислого и других парниковых газов, сажи и прочих загрязняющих окружающую среду веществ. В связи с эти перспективными сегментами рынка становятся альтернативные источники энергии.
Среди возобновляемых источников энергии фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии в настоящее время признано самым перспективным. Дальнейшее развитие солнечной энергетики требует постоянного совершенствования характеристик фотопреобразовательных устройств (солнечных элементов). В связи с активным развитием отрасли альтернативной энергетики технологии, связанные с этим направлением, становятся особенно актуальны. Это определяется в первую очередь экологичностью данного вида энергии и возможностью электрификации удаленных труднодоступных районов, что немаловажно в условиях России (65% страны имеет децентрализованное энергоснабжение). В связи с этим активно развивается солнечная энергетика, растет эффективность фотопреобразователей и снижается стоимость получаемой от них энергии.
В последнее время большой прогресс достигнут в разработке двухкаскадных тонкопленочных солнечных модулей на основе аморфного и микрокристаллического кремния. Системы, базирующиеся на данных модулях, являются одними из наиболее рентабельных по стоимости энергии, что связано с низкой стоимостью их изготовления. Одной из проблем двухкаскадных тонкопленочных солнечных фотопреобразователей на основе кремния является фотодеградация широкозонного аморфного каскада. Процесс деградации связан с эффектом Стеблера-Вронского и большой толщиной собственного слоя данного каскада. Под воздействием солнечного света происходит увеличение рекомбинационных центров, что в условиях слабого встроенного поля приводит к тому, что часть носителей не доходит до легированных слоев. Такие носители не дают вклад в генерируемый фототок, в результате чего эффективность фотопреобразователя снижается.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ плазменного осаждения слоя микрокристаллического полупроводникового материала на подложку и солнечный элемент, полученный данным способом (см. [1] международную заявку WO 2012027857, МПК С23С 16/24, опубл. 08.03.2012), включающий осаждение на подложку прозрачного проводящего оксида, далее при помощи плазменного напыления наносят верхний и нижний проводящие слои с p-i-n переходами и покрывают их проводящим оксидом и задним отражателем. Верхний слой состоит из легированного кремниевого слоя р-типа, поглощающего слоя аморфного кремния i-типа и легированного кремниевого слоя n-типа; нижний слой состоит из легированного кремниевого слоя р-типа, поглощающего слоя микрокристаллического кремния i-типа и легированного кремниевого слоя n-типа. В нижнем слое с двух сторон от поглощающего слоя микрокристаллического кремния i-типа выполнен разделительный слой.
Недостатком прототипа является сильная фотоиндуцированная деградация аморфного каскада, связанная с эффектом Стеблера-Вронского.
Сущность изобретения
Задачей заявленного изобретения является борьба с эффектом Стеблера-Вронского, снижение толщины аморфного каскада при увеличении эффективности двухкаскадного тонкопленочного солнечного модуля на основе аморфного и микрокристаллического кремния, за счет применения в структуре промежуточного отражателя и широкозонного входного окна на основе nc-Si/SiOx:H.
Техническим результатом является снижение фотодеградации при снижении толщины собственного слоя аморфного кремния, повышение стабилизированной эффективности, повышение квантовой эффективности за счет снижения потерь от поглощения.
Применение в структуре солнечного модуля входного широкозонного окна и промежуточного отражателя на основе слоев SiOx с наночастицами кремния позволяет уменьшить толщину собственного слоя аморфного каскада без снижения его эффективности, что позволяет уменьшить влияние эффекта Стеблера-Вронского.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного результата предлагается тонкопленочный солнечный модуль, состоящий из последовательно расположенных: фронтальной стеклянной подложки; фронтального контактного слоя из прозрачного проводящего оксида; подслоя из нестехиометрического карбида кремния р-типа; аморфного и микрокристаллического каскадов, соединенных последовательно, при этом аморфный каскад состоит из р-слоя на основе слоя наночастиц кремния в матрице гидрогенизированного нестехиометрического оксида кремния, легированного бором (nc-Si/SiOx:H), являющегося широкозонным окном, собственного слоя на основе аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H) и n-слоя на основе слоя наночастиц кремния в матрице гидрогенизированного нестехиометрического оксида кремния, легированного фосфором (nc-Si/SiOx:H), являющегося промежуточным отражателем, а микрокристаллический каскад состоит из pin структуры на основе микрокристаллического кремния (uc-Si:H), тыльного контактного слоя из прозрачного проводящего оксида, продольных и поперечных электрических контактных шин, тыльного отражателя, выполняющего герметизирующую функцию, установленного вместе с тыльным стеклом, и коммутационной коробки.
В частном случае реализации конструкции фронтальный контактный слой и тыльный контактный слой выполнены из оксида цинка или оксида олова.
x
x
Поставленная задача и технический результат достигается также за счет способа изготовления тонкопленочного солнечного модуля, включающего нанесение на фронтальную стеклянную подложку слоя прозрачного проводящего оксида; нанесение подслоя из нестехиометрического карбида кремния методом плазмохимического осаждения из газовой фазы в силан-водородной плазме; на подслой методом плазмохимического осаждения из газовой фазы наносят аморфный каскад, состоящий из р-слоя на основе слоя наночастиц кремния в матрице гидрогенизированного нестехиометрического оксида кремния р-типа, легированного бором (nc-Si/SiO:H), являющегося широкозонным окном, собственного слоя на основе аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H) и n-слоя на основе слоя наночастиц кремния в матрице гидрогенизированного нестехиометрического оксида кремния n-типа, легированного фосфором (nс-Si/SiO:H), являющегося промежуточным отражателем; на слой аморфного каскада наносят слой микрокристаллического каскада, состоящего из pin структуры на основе микрокристаллического кремния (uc-Si:H), затем наносят тыльный контактный слой из прозрачного проводящего оксида, после чего наносят продольные и поперечные электрические шины, поверх которых наносят тыльный отражатель, выполняющий герметизирующую функцию, на который устанавливают тыльное стекло и коммутационную коробку.
В частном случае реализации способа в состав силановой плазмы при плазмохимическом осаждении, при нанесении слоя р-типа введен углекислый газ в соотношении к силану 1 к 1, водород в соотношении к силану 1 к 300 и триметилбор в соотношении к силану 6 к 1000.
В частном случае реализации способа в состав силан-водородной плазмы при плазмохимическом осаждении при нанесении подслоя из нестехиометрического карбида кремния вводят метан.
В частном случае реализации способа фронтальный контактный слой и тыльный контактный слой выполнены из оксида цинка или оксида олова.
В частном случае реализации способа после нанесения слоя прозрачного проводящего оксида, слоя микрокристаллического каскада и тыльного контактного слоя выполняют скрайбирование слоев на отдельные элементы и изоляцию по периметру.
Краткое описание чертежей
Фигура 1 - Структура солнечного модуля.
На фигуре обозначены следующие позиции:
x
x
1 - фронтальное стекло; 2 - фронтальный контактный слой; 3 - первый каскад (широкозонный каскад на основе аморфного кремния); 4 - второй каскад (узкозонный каскад на основе микрокристаллического кремния); 5 - тыльный контактный слой; 6 - тыльный отражатель; 7 - тыльное стекло; 8 - входное широкозонное окно на основе nc-Si/SiO:H р-типа; 9 - промежуточный отражатель на основе nc-Si/SiO:H n-типа.
Осуществление изобретения
Поставленная задача решается путем изменения оптического дизайна структуры фотопреобразователя и снижения толщины собственного слоя аморфного каскада. Для этого в структуре можно применить входное широкозонное окно и промежуточный отражатель. Данные слои могут быть изготовлены на основе наноструктурированных материалов, например nс-Si/SiOx:H.
Конструкция тонкопленочного солнечного модуля на основе кремния состоит из:
- фронтального стекла (1), выполняющего в процессе производства тонкопленочного солнечного модуля роль подложки. В качестве фронтального стекла используется специализированное стекло с пониженным содержанием железа, что обеспечивает более широкий спектр оптического пропускания;
- фронтального контактного слоя из прозрачного проводящего оксида (2), полученного методом осаждения из газовой фазы при пониженном давления и толщиной порядка 1700 нм. Чаще всего в качестве прозрачного проводящего оксида используется оксид цинка или оксид олова. Данный слой выполняет роль электрода (необходимого для токосъема со структуры). При этом он должен быть прозрачен для оптического излучения;
- подслоя нестехиометрического карбида кремния р-типа;
x
x
- аморфного каскада (3) состоящего из р-слоя (8) на основе слоя наночастиц кремния в матрице гидрогенизированного нестехиометрического оксида кремния, легированного бором (nc-Si/SiO:H), собственного слоя на основе аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H) и n-слоя (9) на основе слоя наночастиц кремния в матрице гидрогенизированного нестехиометрического оксида кремния, легированного фосфором (nc-Si/SiO:H);
- микрокристаллического каскада (4), состоящего из pin структуры на основе микрокристаллического кремния (uc-Si:H);
- тыльного контактного слоя (5) прозрачного проводящего оксида так же выполняет функцию электрода и, как правило, изготавливается по той же технологии, что и фронтальный контактный слой, но его оптические качества менее важны;
- для снижения электрических потерь дополнительно применяются продольные и поперечные электрические шины. Это связано с большой площадью солнечного модуля (нет на схеме);
- тыльного отражателя (6), выступающего так же в роли герметика и устанавливаемого вместе с тыльным стеклом (7) в процессе ламинирования (инкапсуляции модуля);
- коммутационная коробка используется для последующей коммутации солнечных модулей в электрических системах. Как правило, содержит в себе шунтирующий диод или диоды (нет на схеме).
При этом нанесение слоев идет в изложенном порядке, а рабочей стороной модуля является сторона подложки.
Одной из причин снижения эффективности двухкаскадного тонкопленочного солнечного модуля на основе аморфного и микрокристаллического кремния является фотодеградация аморфного каскада. Под воздействием оптического излучения в собственном слое аморфного каскада генерируются неравновесные носители заряда. Часть сгенерированных носителей не разделяется встроенным полем и рекомбинируют. Выделяющаяся в результате рекомбинация энергия может разрушать слабые связи кремния и водорода. Образовавшиеся оборванные связи выступают при этом в качестве рекомбинационных центров, что уменьшает время жизни неравновесных носителей заряда и повышает их скорость рекомбинации в собственном слое. Количество носителей заряда, не дошедших до легированных слоев каскада (рекомбинировавших), увеличивается. Неравновесные носители, рекомбинировавшие в пределах собственного слоя, не дают вклад в генерируемую каскадом ЭДС.
Снижение фотодеградации возможно за счет уменьшения толщины собственного слоя аморфного каскада. Однако в связи с тем что в структуре двухкаскадного тонкопленочного солнечного модуля аморфный и микрокристаллический каскады соединены последовательно (вследствие чего величины токов каскадов взаимосвязаны), а величина тока аморфного каскада зависит от толщины его собственного слоя, нельзя внести данную модификацию без изменения оптического дизайна солнечного модуля.
Для внесения данной коррекции возможно применение промежуточного отражателя и входного широкозонного окна. Промежуточный отражатель представляет из себя слой полупроводникового материала n-типа с коэффициентом преломления, отличным от коэффициента преломления собственного слоя аморфного каскада (в данном случае, приблизительно в 1.7-2 раза, но в общем случае это не принципиально, отражение будет при любом отличие, но чем больше разница, тем больше отражение) и располагается вместо n-слоя аморфного каскада. Входное широкозонное окно представляет из себя слой полупроводникового материала р-типа, с шириной запрещенной зоны больше, чем ширина р-слоя аморфного каскада. В качестве этих материалов может быть использованы слои наночастиц кремния в матрице нестехиометрического оксида кремния (nc-Si/SiOx:H), легированные соответствующим типом примеси.
Применение этих слоев на основе nc-Si/SiOx:H в структуре двухкаскадного тонкопленочного солнечного модуля на основе кремния позволяют снизить толщину собственного слоя аморфного каскада до 50%, что в значительной мере снижает деградацию (до 50%).
x
x
2
При изготовлении/производстве тонкопленочного солнечного модуля наносят на фронтальную стеклянную подложку слой прозрачного проводящего оксида, поверх которого наносят подслой нестехиометрического карбида кремния методом плазмохимического осаждения из газовой фазы с добавлением в состав силан-водородной плазмы метана. На подслой методом плазмохимического осаждения из газовой фазы наносят аморфный каскад, при этом сначала наносят слой наночастиц кремния в матрице гидрогенизированного нестехиометрического оксида кремния р-типа, легированного бором (nc-Si/SiO:H), выполняющего роль входного широкозонного окна, затем наносят слой на основе аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H) и далее слой наночастиц кремния в матрице гидрогенизированного нестехиометрического оксида кремния n-типа, легированного фосфором (nc-Si/SiO:H), выполняющего роль промежуточного отражателя. На слой аморфного каскада наносят слой микрокристаллического каскада. Толщина собственного слоя подбирается из расчета согласования токов аморфного и микрокристаллического каскадов. Затем наносят тыльный контактный слой, после чего наносят продольные и поперечные электрические шины, поверх которых наносят тыльный отражатель, выполняющий герметизирующую функцию, на который установлено тыльное стекло и коммутационная коробка. В состав силановой плазмы при плазмохимическом осаждении, при нанесении слоя р-типа, введен углекислый газ в соотношении к силану 1 к 1, водород в соотношении к силану 1 к 300 и триметилбор в соотношении к силану 6 к 1000. При этом ширина запрещенной зоны получаемого слоя составляет более 2 эВ. Введение CO в состав газовой смеси, содержащей силан и водород, в процессе плазмохимического осаждения слоев кремния из газовой фазы приводит к формированию нестехиометрического оксида кремния и изменению механизма формирования наночастиц. Фронтальный контактный слой из прозрачного проводящего оксида и тыльный контактный слой выполнены из оксида цинка или оксида олова. После нанесения слоя прозрачного проводящего оксида, слоя микрокристаллического каскада и тыльного контактного слоя выполняют скрайбирование слоев на отдельные элементы и изоляцию по периметру.
Применение промежуточного отражателя на основе nc-Si/SiOx:H в структуре двухкаскадного тонкопленочного фотопреобразователя на основе аморфного и микрокристаллического кремния позволяет снизить толщину аморфного каскада, что снижает его деградацию и повышает стабилизированную эффективность.
Применение слоя nc-Si/SiOx:H в качестве входного широкозонного р-окна верхнего каскада позволяет повысить квантовую эффективность аморфного каскада двухкаскадного тонкопленочного фотопреобразователя на основе аморфного и микрокристаллического кремния, за счет снижения потерь от поглощения.
Уменьшение влияния эффекта Стеблера-Вронского происходит за счет уменьшения толщины собственного слоя. Уменьшение влияния данного эффекта повышает стабилизированную мощность двухкаскадного тонкопленочного солнечного модуля. Компенсация падения тока аморфного каскада производится за счет использования широкозонного материала р-слоя аморфного каскада (входного широкозонного р-окна) и промежуточного отражателя, переотражающего часть излучения обратно в аморфный каскад. Уменьшение количества излучения, проходящего в микрокристаллический каскад после введения промежуточного отражателя, компенсируется при уменьшении толщины аморфного каскада. В совокупности происходит уменьшение толщины аморфного каскада с сохранением токов аморфного и микрокристаллического каскадов, вследствие чего исходная мощность сохраняется, а стабилизированная мощность повышается.