СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Полезная модель относится к области электроники и может быть использована при изготовлении солнечных элементов, используемых в энергетике, космической технике и других отраслях промышленности.
Фотоэлектрическое преобразователи солнечной энергии в настоящее время признаны самыми перспективными среди возобновляемых источников энергии. Одной из проблем при разработке солнечных элементов (СЭ) является организация эффективного токосъема с их фронтальных и тыльных электродов. В последние годы конструируют СЭ в виде гибридных полупроводниковых фотопреборазующих структур на основе монокристаллического кремния и слоев аморфного кремния (heterojunction with intrinsic thin-layer solar cell). Эффективность таких СЭ достигает 24%.
Известен солнечный элемент (Патент RU 2571444, МПК H01L 31/04, опубликован 20.12.2015), содержащий подложку на основе кристаллического кремния одного типа проводимости, имеющую светопринимающую поверхность, эмиттерный слой, образованный со стороны светопринимающей поверхности подложки, и имеющую легирующую примесь противоположного типа проводимости, добавляемую к ней, пассивирующую пленку, образованную на поверхности подложки, токособирающие электроды и коллекторные электроды, находящийся в контакте, по меньшей мере, с частью токособирающего электрода. Токособирающие электроды выполнены из отожженной проводящей пасты, содержащей легирующую примесь, для придания проводимости кремнию. Токособирающий электрод сформирован таким образом, чтобы элементы, содержащиеся в нем, проникали сквозь пассивирующий слой, создавая электрический контакт между эмиттером и токособирающим электродом, а коллекторный электрод обладает более высокой проводимостью, чем токособирающие электроды.
К недостаткам предлагаемого солнечного элемента можно отнести большую разность коэффициентов термического расширения отожженной проводящей пасты и кремниевых слоев, что приводит к механическим напряжениям на границе кремний - электрод и отслаиванию электрода от кремниевой подложки. Вследствие того, что в предлагаемом солнечном элементе отсутствует слой прозрачного проводящего оксида для эффективного токосъема, необходимо увеличивать площадь электродов, резко уменьшая при этом площадь светопринимающей поверхности.
Известен солнечный элемент (Патент RU 2571167, МПК МПК H01L 31/04, опубликован 20.12.2015), содержащий кристаллическую кремниевую подложку, имеющую, по меньшей мере, р-n переход, пассивирующую пленку, сформированную на ней, и токособирающие и коллекторные электроды, сформированные на фронтальной стороне путем трафаретной печати и термообработки проводящей пасты. На тыльной стороне солнечного элемента сформирован сплошной тыльный электрод. Токособирающие электроды сформированы таким образом, чтобы могли контактировать с кремниевой подложкой для вытягивания фотогенерированных носителей из кремниевой подложки. Коллекторные электроды контактируют с токособирающими электродами для накопления носителей, вытянутых токособирающими электродами. Коллекторные электроды и кремниевая подложка контактируют только частично или вообще нигде, по меньшей мере, вне точки контакта между токособирающими и коллекторными электродами. Токособирающие электроды образованы из проводящей пасты, содержащей B, Al, Ga, P, As, In или Sb в свободном состоянии или их соединения, а область, обладающая высокой концентрацией элемента, диффундированного в ней, включена в кремниевую подложку под токособирающим электродом.
Недостатком известного солнечного элемента является необходимость высокотемпературного отжига, так как при температуре ~900°C начинается заметная диффузия примесей в кремний, при этом может повреждаться основной р-n-переход, который должен находиться вблизи светопринимающей фронтальной поверхности. Кроме того, после отжига электроды практически представляют собой металл, коэффициент термического расширения которого сильно отличается от кремния, и поэтому возможно отслаивание электродов. Поскольку в солнечном элементе отсутствует прозрачный проводящий электрод, для эффективного токосъема необходимо увеличивать площадь, покрытую электродами, что резко уменьшает площадь светопринимающей поверхности.
++
++
Известен солнечный элемент (заявка EP 2264779, МПК H01L 31/0224, H01L 31/04, H01L 31/042, опубликована 22.12.2010), включающий фотопреобразующую структуру, содержащую кремниевую подложку р-типа, на фронтальной стороне которой сформирован слой кремния n-типа, а на тыльной стороне подложки сформирован слой кремния p-типа. На фронтальной поверхности фотопреборазующей структуры нанесены токособирающие электроды и электрически соединенные с ними коллекторные электроды, расположенные ортогонально токособирающим электродам. Токособирающие электроды и коллекторные электроды могут быть выполнены из серебра. На свободной от электродов фронтальной поверхности сформирован антиотражающий слой.
К недостаткам предлагаемого солнечного фотопреобразователя можно отнести плохое согласование коэффициентов термического расширения кремниевой пластины и серебряных электродов (более чем три раза), что ведет к отслаиванию электродов при пайке и в процессе эксплуатации из-за суточных колебаний температуры. К недостатку конструкции можно отнести необходимость использования масок при осаждении антиотражающего покрытия и высокую степень заполнения светопринимающей поверхности электродами из-за отсутствия прозрачного проводящего покрытия.
Известен солнечный элемент (заявка PCT WO 2012147378, МПК H01L 31/04, H01L 31/042, опубликована 01.11.2012), включающий полупроводниковую фотопреобразующую структуру на основе кристаллического кремния, содержащую фронтальный текстурированный слой кремния n-типа и тыльный слой р-типа. На фронтальной поверхности фотопреобразующей структуры сформированы токособирающие электроды и электрически соединенные с ними коллекторные электроды, расположенные ортогонально токособирающим электродам, а на тыльной поверхности сформирован металлический отражающий электрод. Токособирающие электроды и коллекторные электроды выполнены из токопроводящей отожженной проводящей пасты, содержащей высокодисперсные порошки металлов, выбранные из группы Ag, Au, Al, Cu.
К недостаткам известного солнечного элемента относится необходимость применения высокотемпературного отжига, отрицательно влияющего на характеристики полупроводниковой структуры, а также присутствие в составе токопроводящей пасты стеклянной фритты и оксидов металлов, затрудняющих присоединение к токособирающим электродам коллекторных электродов (шин).
Известен солнечный элемент (патент CN 104037265, МПК H01L 31/0224, H01L 31/18, опубликован 15.06.2016), содержащий фотопреборазующую структуру, включающую кремниевую подложку n-типа, на фронтальную поверхность которой нанесены i-слой аморфного кремния и p-слой аморфного кремния, а тыльную поверхность нанесены i-слой аморфного кремния и n-слой аморфного кремния. На p-слой и n-слой нанесены прозрачные проводящие оксидные слои, на которых сформированы токособирающие электроды и коллекторные электроды, выполненные в виде композитной полимерной проводящей ленты, включающей нанесенный на полимерную пленку набор тонких проволок из легкоплавких сплавов (Sn-In-Bi) или меди, покрытой этими сплавами.
Проводимость материалов на основе Sn-In-Bi намного ниже, чем у серебра или алюминия, поэтому для получения низкоомной системы электродов, полностью состоящих из этих материалов, необходимо увеличивать заполнение ими поверхности солнечного элемента, что приводит к уменьшению потока света, участвующего в фотопреобразовании. Между металлическими электродами и прозрачными проводящими оксидными слоями неизбежно остаются изолирующие полимерные частицы, что резко ухудшает качество пайки и токосъем. Большие сложности возникают при создании такой системы электродов на текстурированных поверхностях, так как при пайке возможны многочисленные разрывы электродов. В то же время известно, что для эффективного поглощения света необходимо текстурировать поверхность полупроводниковой пластины.
Известен солнечный элемент (заявка KR 20130016848, МПК H01L 31/0216, H01L 31/04, опубликована 19.02.2013), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Солнечный элемент содержит фотопреобразующую структуру, включающую пластину кремния n-типа, на фронтальную поверхность которой последовательно нанесены слой нелегированного аморфного кремния i-типа, легированный слой аморфного кремния p-типа, прозрачный проводящий комбинированный слой, состоящий из последовательно нанесенных субслоя цинка-олова, субслоя оксида индия-вольфрама и субслоя оксида индия-олова. На тыльной поверхности пластины кремния n-типа последовательно нанесены слой нелегированного аморфного кремния i-типа, легированный слой аморфного кремния n-типа. На поверхности субслоя прозрачного проводящего оксида индия-олова сформированы токособирающие электроды на основе серебра и коллекторные металлические электроды в виде шин. На тыльной поверхности фотопреобразующей структуры нанесен сплошной тыльный алюминиевый электрод.
Недостатком известного солнечного элемента-прототипа является наблюдаемое отслаивание коллекторных металлических электродов от слоя прозрачного проводящего оксида при перепадах температуры, что обусловлено значительным различием их коэффициентов термического расширения, приводящее к сокращению срока службы солнечного элемента.
Задачей настоящего технического решения является разработка такого солнечного элемента, у которого бы была уменьшена вероятность отслаивания коллекторных металлических электродов от слоя прозрачного проводящего оксида, особенно в случае текстурированной поверхности солнечного элемента, и тем самым увеличена продолжительность его срока службы.
Поставленная задача решается тем, что солнечный элемент содержит фотопреобразующую структуру, включающую пластину кремния n-типа, на фронтальную поверхность которой последовательно нанесены слой нелегированного аморфного кремния i-типа, легированный слой аморфного кремния p-типа, слой прозрачного проводящего оксида, а на тыльную поверхность последовательно нанесены слой нелегированного аморфного кремния i-типа, легированный слой аморфного кремния n-типа. На поверхности слоя прозрачного проводящего оксида сформированы токособирающие электроды на основе серебра и коллекторные металлические электроды в виде шин. На тыльной поверхности фотопреобразующей структуры нанесен сплошной тыльный металлический электрод. Новым в полезной модели является то, что коллекторные электроды содержат субслой железоникелевого сплава толщиной не менее 0,5 мкм, шириной 1,0-1,5 мм с составом, обеспечивающим согласование коэффициента термического расширения слоя прозрачного проводящего оксида и субслоя, к которому легкоплавким припоем прикреплена шина коллекторного электрода из облуженной меди или из железоникелевого сплава.
Толщина субслоя железоникелевого сплава должна быть не менее 0,5 мкм потому, что при толщине менее 0,5 мкм при пайке шины происходит диффузия материала припоя в слой прозрачного проводящего оксида взаимного растворения материала припоя и прозрачного проводящего оксида.
При ширине субслоя железоникелевого сплава менее 1,0 мм происходит усложнение процесса пайки. Изготавливать субслой железоникелевого сплава шириной 1,5 мм нежелательно, так как начинает заметно уменьшаться площадь светопринимающей поверхности.
Фронтальная и тыльная поверхности пластины кремния могут быть выполнены в виде текстурированных слоев. Назначение текстурированных слоев состоит в увеличении поглощения излучения в активных кремниевых слоях (p-n-переходах) за счет многократных отражений от стенок текстуры.
В солнечном элементе слой прозрачного проводящего оксида может быть выполнен в виде оксида индия-олова, а субслой может быть выполнен из железоникелевого сплава при соотношении компонентов (мас.%):
железо
52-58
никель
42-48
В солнечном элементе слой прозрачного проводящего оксида может быть выполнен в виде оксида индия-олова, а субслой может быть выполнен из железоникелевого сплава при соотношении компонентов (мас.%):
железо
69-75
никель
25-31
В солнечном элементе слой прозрачного проводящего оксида может быть выполнен в виде оксида цинка-алюминия, а субслой может быть выполнен из железоникелевого сплава при соотношении компонентов (мас.%):
железо
55-61
никель
38-44
В солнечном элементе слой прозрачного проводящего оксида может быть выполнен в виде оксида цинка-алюминия, а субслой может быть выполнен из железоникелевого сплава при соотношении компонентов (мас.%):
железо
68-72
никель
28-32
-6
Особенность железоникелевых сплавов состоит в том, что в зависимости от соотношения в них железа и никеля коэффициент термического расширения (КТР) этих сплавов может изменяться в пределах (2-20)⋅10 1/град. Этот диапазон перекрывает КТР всех материалов, обычно используемых в солнечных элементах. Зависимость КТР железоникелевых сплавов от их состава имеет сложный характер, поэтому одному и тому же значению КТР могут соответствовать два состава (Арзамасов В.Б., Волчков А.Н. и др. - Материаловедение и технология конструкционных материалов. – М., Издательский центр Академия, 538 с., 2007). Так как парциальные давления паров железа и никеля при температурах их испарения очень близки, то возможно получение стехиометрических пленок этих сплавов различными способами термического вакуумного испарения. Возможно также осаждение слоев железоникелевых сплавов химическим осаждением из газовой фазы и лазерной абляцией. Кроме того, эти сплавы хорошо повергаются пайке.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 показан настоящий солнечный элемент, вид сверху;
на фиг. 2 изображен настоящий солнечный элемент в поперечном разрезе по А-А;
на фиг. 1 приведена зависимость КТР железоникелевого сплава от соотношения в нем железа и никеля.
Настоящий солнечный элемент 1 содержит (см. фиг. 1, 2) фотопреобразующую структуру 2, включающую пластину 3 кремния n-типа, на фронтальную поверхность которой последовательно нанесены слой 4 нелегированного аморфного кремния i-типа, легированный слой 5 аморфного кремния p-типа, слой 6 прозрачного проводящего оксида. На тыльную поверхность пластины 3 последовательно нанесены слой 7 нелегированного аморфного кремния i-типа, легированный слой 8 аморфного кремния n-типа. На поверхности слоя 6 прозрачного проводящего оксида сформированы токособирающие электроды 9 на основе серебра и коллекторные металлические электроды 10 в виде шин. На тыльную поверхность фотопреобразующей структуры 2 нанесен сплошной тыльный металлический электрод 11, коллекторные электроды 10 содержат субслой 12 железоникелевого сплава толщиной не менее 0,5 мкм, шириной 1,0-1,5 мм с составом, обеспечивающим согласование коэффициента термического расширения слоя 6 прозрачного проводящего оксида и субслоя 12, к которому легкоплавким припоем прикреплена шина 13 коллекторного электрода 10 из облуженной меди или из железоникелевого сплава. В качестве легкоплавкого припоя могут использоваться известные в технике, например, сплав Вуда, сплав Розе и другие.
3
-1
-1
Железоникелевый субслой 12 и низкоомная шина 13 коллекторного электрода 10 оказываются включенными параллельно. Поскольку слой 6 прозрачного проводящего оксида обладает достаточно высокой электронной проводимостью (больше 10 Омсм), то отсутствуют высокоомные выпрямляющие слои на границе слой 6 прозрачного проводящего оксида - токособирающий серебряный электрод. Поскольку серебряные токособирающие электроды частично перекрывают железоникелевый подслой, то такая электродная система обеспечивает эффективный токосъем с фронтальной поверхности солнечного элемента. За счет того, что используют узкие токособирающие электроды 9 из высокопроводящей серебряной пасты и два-три высокопроводящих коллекторных электрода 10, заполнение фронтальной поверхности солнечного элемента электродами 9, 10 оказывается небольшим. Наибольший ток течет по коллекторным электродам, нагревая их, но так как коэффициенты термического расширения железоникелевого субслоя и прозрачного проводящего оксида согласованы, то резко снижается вероятность взаимного отслаивания этих слоев.
2
-6
Пример 1. На фронтальную текстурированную поверхности солнечного элемента, содержащую фотопреобразующую структуру, как на фиг. 1, 2, был нанесен прозрачный проводящий оксид индия-олова толщиной 2 мкм. Площадь кремниевой пластины составляла 15,6×15,6 см. КТР оксида индия-олова в интервале температур (25-100°C) находится в пределах 6,3-5,9⋅10 1/град.
На графике зависимости КТР железоникелевого сплава от соотношения в нем железа и никеля (фиг. 3) был выбран состав, содержащий 45 мас.% Ni и 55 мас.% Fe, КТР которого согласован с КТР оксида индия-олова. Нанесение слоя железоникелевого сплава осуществляли методом термического вакуумного испарения через металлическую маску с двумя прорезями шириной 2 мм и длиной 100 мм, сформировав две полосы субслоя железоникелевого сплава с указанным составом и соответствующими размерами толщиной ~0,7 мкм. Далее методом трафаретной печати наносили узкие токособирающие электроды из высокопроводящей серебряной пасты, частично перекрывающие полосы субслоя железоникелевого сплава. Для получения прочных и хорошо проводящих серебряных токособирающих электродов проводили их тепловую обработку при 180°C в течение 25 минут. К полосам субслоя железоникелевого сплава припоем с температурой плавления не более 185°C припаивали шины коллекторного электрода из железоникелевого сплава.
Пример 2. Формировали токособирающие и коллекторные электроды на фронтальной поверхности солнечного элемента, как в примере 1, но на графике зависимости КТР железоникелевого сплава от соотношения в нем железа и никеля (фиг. 3) был выбран состав, содержащий 28 мас.% Ni, 72 мас.% Fe, КТР которого согласован с КТР оксида индия-олова.
Пример 3. Формировали токособирающие и коллекторные электроды на фронтальной поверхности солнечного элемента, как в примере 1, но солнечный элемент содержал прозрачный проводящий слой оксида цинка-алюминия. На графике зависимости КТР железоникелевого сплава от соотношения в нем железа и никеля (фиг. 3) был выбран состав, содержащий 42 мас.% Ni, 58 мас.% Fe, КТР которого согласован с КТР оксида цинка-алюминия.
Пример 3. Формировали токособирающие и коллекторные электроды на фронтальной поверхности солнечного элемента, как в примере 1, но солнечный элемент содержал прозрачный проводящий слой оксида цинка-алюминия. На графике зависимости КТР железоникелевого сплава от соотношения в нем железа и никеля (фиг. 3) был выбран состав, содержащий 30 мас.% Ni, 70 мас.% Fe, КТР которого согласован с КТР оксида цинка-алюминия.
В условиях эксплуатации солнечных фотопреобразователей суточные колебания температур (с учетом собственного нагрева фотопреобразователя) достигают 50 и более градусов. С учетом КТР это приводит к периодическому изменению геометрических размеров прозрачного проводящего покрытия на 0.03% и на 0.06% у известных металлических коллекторных электродов. Таким образом, у известных металлических электродов температурное изменение размеров ~ в два раза больше, чем у прозрачного проводящего покрытия. При согласовании КТР прозрачного проводящего покрытия с железоникелевым субслоем расхождение в изменении размеров резко уменьшается. Согласно техническим требованиям на надежность электродов в течение 20 лет это дает резкое уменьшение вероятности деградации (отказов) по механизму отслаивания электродов.