ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКАЯ 3D-ЯЧЕЙКА
PHOTOVOLTAIC 3D-CELL

Изобретение относится к области техники фотоэлектрических систем преобразования световой энергии в электрическую и может быть использовано для изготовления солнечных активных элементов.
Целью заявки является повышение коэффициента полезного действия (КПД) - эффективности преобразования энергии света в определенном спектральном интервале и снижение стоимости преобразователя. Цель достигается тем, что может быть использована подложка из простого дешевого материала со структурой тонкого слоя, получаемого технологически относительно просто и дешево. В тонкослойной структуре точно совмещены области поглощения фотонов и сбора (диффузии) неравновесных носителей заряда и обеспечивается полное поглощение фотонов по всей площади слоя многократным отражением света от слоя с его циркуляцией внутри подложки. При этом значительно ослабляются такие нежелательные явления, как безизлучательная рекомбинация носителей от сильного возбуждения и разогрев структуры.
3
5
2
6
Преобразование энергии в фотоэлектронном преобразователе (ФЭП) основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них света. В системах преобразования световой энергии в принципе могут быть использованы любые созданные и разрабатываемые типы ФЭП различной структуры на базе разнообразных материалов. В литературе отмечаются три поколения фотовольтаических структур [1]: на основе монокремния, занимающих до 90% рынка; тонкопленочные - в основном, на основе аморфного и поликристаллического кремния и, в незначительной степени - полупроводников АВ и АВ; тонкопленочные, на основе новых материалов, в том числе органических, нанотехнологий и совсем новых эффектов, например, в металлоорганических материалах и экситонных структурах.
Основная научно-техническая проблема солнечной фотовольтаики заключена в необходимости повышения коэффициента полезного действия (КПД) элемента, определяемого как отношение получаемой в нем электрической энергии к падающей на него солнечной. Значения КПД промышленных структур на монокремнии достигают 20%, на аморфном кремнии - 10%, в экзотических (особых, лабораторных) случаях - до 45%. На структурах третьего поколения пока достигнутые лучшие результаты не превышают 10%. Теоретическое предельное значение КПД может быть до 90%.
Основные необратимые потери энергии в ФЭП определяются следующими процессами [1, 2]:
- отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,
- пространственным несоответствием областей сбора фотонов (до 100 мкм) и неравновесных носителей заряда (~1 мкм);
- безизлучательной рекомбинацией части неравновесных носителей заряда, возбужденных высокоинтенсивными фотонами;
- прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нем,
- рассеянием на тепловых колебаниях решетки избыточной энергии фотонов,
- падением напряжения на большом внутреннем сопротивлении структуры.
Для уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются и успешно применяются различные мероприятия. К их числу относятся [1, 2]:
- использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещенной зоны;
- направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путем ее оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;
- переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
- оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n-перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);
- применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;
- разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;
- создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещенной зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.
Практически все из перечисленных выше недостатков и достоинств определяются конструкцией фотовольтаической ячейки, структурой слоев и их материалов в ней, технологией изготовления.
Предлагаемое изобретение решает большинство из перечисленных выше проблем и позволит получать элементы солнечных преобразователей с максимальной технико-экономической эффективностью.
В качестве аналогов для предлагаемого в данном описании варианта могут быть использованы любые варианты тонкопленочной структуры, сформированной на прозрачной подложке. Таковыми могут быть, например, варианты с органическими структурами, наиболее активно развиваемые в последние годы благодаря их технологической и стоимостной привлекательности. На самом деле, однако, органические материалы этих структур подвержены существенным пагубным изменениям при взаимодействии с влагой, воздухом, светом. Это резко ограничивает возможности их использования.
Разработаны и применяются варианты фотовольтаических солнечных преобразователей, в состав которых входят прозрачная подложка с последовательно нанесенными на нее электродом, фоточувствительным элементом на основе p-i-n перехода из аморфного кремния, второго электрода и рефлектора [3]. Недостатками солнечного элемента на основе такой структуры являются низкий КПД, обусловленный малым коэффициентом поглощения света в активном слое, большими потерями света (до 50%) в электродах и стеклянной подложке.
Эти недостатки частично преодолеваются в варианте интерферометрической фотовольтаической ячейки [4], включающей оптический резонатор, активную область, рефлектор и электроды к активной области, причем оптический резонатор размещен между активной областью и рефлектором, а электродами являются проводящие прозрачные слои индий-оловянного окисла (ITO) или ZnO. Вся структура размещается на стеклянной подложке. Коэффициент поглощения света в активной области такого устройства может достигать в отдельных примерах исполнения значение 0,8-0,9. Недостатком такой интерферометрической фотовольтаической ячейки является недостаточно высокий КПД, что обусловлено поглощением света в слоях металлического рефлектора, а также высокая технологическая стоимость, обусловленная сложностью конструкции и управления.
Известен вариант в виде полезной модели [5], в котором решается задача усовершенствования фотовольтаической ячейки путем повышения в ней величины коэффициента поглощения света в активном слое, благодаря созданию более эффективного оптического резонатора. Задача решается тем, что фотовольтаическая ячейка, содержащая активную область, оптический резонатор из N пар оптически прозрачных чередующихся четвертьволновых диэлектрических слоев с низким и высоким показателями преломления, размещенный на подложке под активной областью, дополнительно содержит второй оптический резонатор из N пар оптически прозрачных чередующихся четвертьволновых диэлектрических слоев с высоким и низким показателями преломления, размещенный над активной областью, причем оптическая толщина активной области равна половине длины волны света, а между активным слоем и оптическими резонаторами размещены электроды. В спектре падающего света оптического диапазона существует излучение с длиной волны, которая является резонансной для данного оптического резонатора. Оптический резонатор для этой длины волны обеспечивает локализацию света, проходящего сквозь структуры, в активном слое, благодаря многократной многолучевой конструктивной интерференции - отражению света от нижней и верхней частей резонатора, в результате чего весь свет с определенной длиной волны поглощается активным слоем. Существенными недостатками варианта являются то, что интероферометрический резонатор работает в узкой резонансной спектральной полосе, являющейся незначительной частью всего спектрального диапазона; структура резонатора чрезвычайно сложна технологически, что приведет к значительному удорожанию изделия.
Указанные выше недостатки в значительной мере преодолеваются в варианте прототипа предлагаемому в данном изобретении [6].
Задача в прототипе решается тем, что в предлагаемой конструкции ячейки свет многократно отражается без спектральной селекции и весь поглощается в активном слое за счет того, что ячейка выполняется в виде полого цилиндра, на внутренней поверхности которого сформирована тонкопленочная структура преобразователя. Лучи света, проникая в цилиндр, распространяются в нем, многократно последовательно отражаясь от границ слоистой пленочной структуры, пока полностью ею не поглотятся. При этом благодаря тому, что пленочная структура может быть максимально тонкослойной (то есть состоять, как бы, только из активного слоя), практически весь свет будет поглощен активным слоем. При этом области сбора фотонов и носителей заряда совпадают. Благодаря распределенному по большой поверхности излучению удельная интенсивность света резко уменьшается, что устраняет нежелательные эффекты безизлучательной рекомбинации неравновесных носителей при возбуждении высокоинтенсивными фотонами. Все это приводит к повышению КПД преобразования благодаря тому, что:
- нет отражения солнечного излучения от поверхности преобразователя,
- нет пространственного несоответствия областей сбора фотонов и неравновесных носителей заряда;
- нет возбуждения высокоинтенсивными фотонами неравновесных носителей и, соответственно, их безизлучательной рекомбинации;
- нет прохождения части излучения через ФЭП без поглощения в нем,
- невелика удельная тепловая энергия за счет рассеяния на тепловых колебаниях решетки избыточной энергии фотонов,
- нет потерь на внутреннем сопротивлении тонкопленочной структуры.
Недостатком прототипа является технологическая сложность исполнения тонкослойной структуры в ячейке, что может снизить ожидаемый эффект. Выбранная объемная структура ячейки в виде полого цилиндра не позволяет использовать традиционные технологии газотранспортных реакций, а нетрадиционные (например, химическое и нанопорошковое осаждение) не имеют технологической отработанности в расчете на получение активной структуры с прецизионными свойствами - многослойной субмикронной полупроводниковой структуры с высокой степенью совершенства.
Преодоление этой проблемы предлагается в данном изобретении путем выполнения геометрически обращенной (перевернутой) структуры, что позволит наносить слоистую структуру на подложки-ячейки предварительно, а затем из них собирать (например, склеивать) элементы преобразователя.
Структурная схема ячейки изображена на фиг. 1, где отображено:
1 - подложка-цилиндр,
2 - первый электрод,
3 - активный слой,
4 - второй электрод.
Подложка-цилиндр 1 является трехмерной (3D) фигурой в виде цилиндра с длиной образующей L и плоским сечением в виде выпуклой геометрической фигуры с размером D. Она может быть выполнена из разных материалов. Самым простым технологически материалом является, например, стекло. Оно имеет хорошую оптическую прозрачность, малое поглощение в спектре солнечного излучения, высокую технологическую отработанность и распространенность.
2
3
2
Первый электрод 2 - прозрачный слой с показателем преломления, немногим большим, чем у подложки, но меньшим, чем у активного слоя. Это обеспечит необходимое проникновение света в структуру активного слоя при хорошем его отражении внутрь подложки. Предполагаемые для этого окислы - InO, ZnO, SnO и CdO [7] - хорошо подходят. Кроме того, они при определенных условиях являются широкозонными полупроводниками, что позволит иметь гетеропереход с активным слоем и, соответственно, источник фото-ЭДС.
Активный слой 3 толщиной состоит из сплошной пленки или наночастиц моно-, поликристаллического или аморфного полупроводника, или смеси полупроводников проводимости. Источником фото-ЭДС является сформированный в нем p-n-переход или гетеропереход на границе с первым электродом.
Второй электрод 4 - пленка металла. Кроме роли электрического проводника, она выполняет функцию отражателя света.
Лучи света, проникая в ячейку под всеми возможными углами (фиг. 1), засвечивают слоистую структуру на поверхности цилиндрической подложки, многократно и последовательно отражаясь от активного слоя 3 и электрода 4. Для обеспечения каналирования света и наибольшей равномерности его интенсивности в подложке-цилиндре необходимо выполнение, по крайней мере, следующих двух условий: определенного отношения длины образующей цилиндра к ширине фигуры его сечения - L>>D; определенного соотношения показателей преломления - у подложки менее, чем у отражающего слоя.
Частично поглощаемый при каждом акте взаимодействия в активном слое 3 свет вызывает генерацию неравновесных носителей в зоне p-n-перехода или гетероперехода, за счет чего создается фотовольтаический эффект преобразования световой энергии в электрическую. Между электродами 2 и 4 возникает разность потенциалов ЭДС элемента батареи. При подключении между электродами 2 и 4 (с внешней стороны) сопротивления нагрузки в нем течет ток.
Принципиальным для ячейки является максимально равномерная засветка ее поверхности. Это возможно, если поглощение в активном слое минимально, а число последовательных отражений лучей от поверхности максимально. В значительной мере это решается оптимальным выбором материалов слоистой структуры и отношения длины образующей цилиндра L к ширине фигуры его сечения D (фиг. 1). Проведем оценку этого отношения.
-1
-1
m
m
Пусть луч света попадает на поверхность активного слоя структуры под углом α и отражается от поверхностей на оптическом пути, равном длине L, N раз. Пусть поглощающий слой имеет толщину d и коэффициент поглощения света, зависящий от длины волны, K. Тогда в каждой зоне поглощения в слое доля поглощенного света будет Kd, а в N зонах на двух противоположных сторонах отражения луча - 2NKd. Поглощение в самой подложке на пути луча не учитывается ввиду его малости. Число N равно: L(Dtgα). Проведя интегрирование по углу от минимального угла вхождения луча (для случая подложки из стекла) π/4 до максимального угла π/2, получим для доли поглощенного света ~ 0.5KdL/D. Для определения всего поглощенного света (в относительных единицах равного 1) необходимо провести интегрирование по длине волны зависимости от нее коэффициента. Для случаев полупроводников эта зависимость примерно представляется как экспонента. Интегрирование приводит к его медианной величине K в спектральном интервале этой зависимости. Тогда расчет дает: L/D ~ 2(Kd).
ПРИМЕРЫ ИСПОЛНЕНИЯ
Как пример исполнения может быть выбрана ячейка со следующими материалами и параметрами структуры.
m
-1
Подложка 1 - стекло оконное плоское, перетянутое на толщину D ~ 1 мм. В данном случае подложка-цилиндр будет прямоугольным параллелепипедом с наименьшим размером (толщиной) D ~ 1 мм, шириной (высотой) L и длиной, много большей ширины, за счет чего величина ее размера не имеет значения. Размер находится из соотношения L/D ~ 2(Kd).
2
2
3
Первый электрод 2 может состоять из окислов ZnO, SnO, InO, CdO. Предпочтительным является оксид цинка - наиболее изученный и распространенный как полупроводник и прозрачный электрод одновременно.
Активным слоем 3 может быть один или несколько из группы полупроводников, поликристаллические или аморфные, структурированные в виде одного, двух или более слоев: кремний p-Si или α-Si, германий Ge, арсенид галлия GaAs, фосфид индия InP. В последние годы сформировались понятия нанополупроводников и полупроводниковых нанотехнологий, в частности нанокремния [8].
Вторым электродом 4 может быть выбран один из многих вариантов металлов с учетом его технологической отработанности и применяемости.
Для оценок условий и величин максимальной эффективности ячейки приведены взятые из интернета известные данные по спектральным зависимостям коэффициента поглощения (фиг. 2) для наиболее распространенных полупроводников и спектральные зависимости интенсивности излучения черного тела и солнечного на земле (фиг. 3). Для оценок принята толщина активного слоя d~1 мкм.
Результаты оценок приведены в таблице 1.
Из таблицы следует, что, например, аморфный кремний наименее перспективен по величине КПД, но наиболее адекватен по свойствам стоимости материалов и технологических процессов. По современному состоянию он - единственный из промышленных вариантов хорошо отработан под технологии и использованию дешевых (не полупроводниковых) подложек (стекло и полимеры).
Интересным и перспективным для реализации денного изобретения является вариант нанокремния [8].
Использованные источники информации
1. В.А. Миличко, А.С. Шалин, И.С. Мухин, А.Э. Ковров. А.А. Красилин. А.В. Виноградов, П.А. Белов, К.Р. Симовский. Солнечная фотовольтаика: современное состояние и тенденции развития // УФН. - 2016. - Т. 186. - С. 801-852. - DOI:10.3367/UFNr.2016.02.037703.
2. Фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии. http://www.gigavat. com/ses_preobrazovateli_l.php.
3. Thin film solar cells: fabrication, characterization and applications / Edited by J. Poortman, V. Atchipov. Wiley, 2006. P. 205.
4. Патент US 20090078316 A.
5. Фотовольтаическая ячейка. Полезная модель 150125. Авторы модели: Прокопов А.P. (RU) Каравайников А.В. (RU) Шапошников А.Н. (RU). Владельцы модели: Крымский национальный университет им. В.И. Вернадского (RU).
6. Патент РФ 2642935, 15.07.2016. Фотовольтаическая ячейка и способ ее изготовления. Приоритет - 15.07.2016. Авторы - Жуков Н.Д., Абаньшин Н.П., Мосияш Д.С., Хазанов А.А. Патентообладатель - Жуков Н.Д.
7. Кондрашин В.И. и др. Прозрачные проводящие покрытия на основе оксидов металлов. Технологии получения, свойства и области применения. «Молодой ученый». №13 (93). Июль, 2015 г. https://moluch.ru/archive/93/20562/.
8. 3ахаров В.Н. Синтез и свойства нанокремния, стабилизированного лигандами: дис. к. хим. н. 02.00.01: защищена 18.12.2015 г. МГУ. - М. 2015.