ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ КРЕМНИЕВЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
THIN-FILM PHOTOVOLTAIC SILICON CONVERTER

Изобретение относится к устройствам для генерирования электрической энергии из светового излучения Солнца, в частности к конструкции фотоэлектрических преобразователей (ФЭП).
Технический результат изобретения заключается в максимизации КПД и срока службы тонкопленочных ФЭП путем подбора материала токопроводящей металлической подложки.
Известна конструкция тонкопленочного электрического элемента, выполненного с применением токопроводящей пленки из благородного металла [1]. В силу высокой стоимости материала такая конструкция может применяться в качестве не силового прибора - генератора энергии, а лишь маломощного прибора (датчика). Именно такой способ применения предусматривают авторы данного изобретения.
Для изготовления силовых тонкопленочных ФЭП на основе аморфного кремния применяют токопроводящие подложки из хрома, титана, ванадия, ниобия, тантала и молибдена [2]. Они пригодны для напыления на них кремния при температуре до 400°C, при более высокой температуре диффузия этих металлов в кремний становится недопустимо интенсивной. Подложки из алюминия и железа можно применять при температуре до 300°C по этой же причине. Применение медных подложек нецелесообразно из-за сильной взаимной диффузии меди и кремния даже при комнатной температуре. Использование же алюминиевых подложек затруднено из-за наличия на их поверхности плотной окисной пленки, удаление которой весьма затруднительно.
Поэтому на основании приведенных в [2] данных можно сделать однозначный вывод о том, что для низкотемпературного (ниже 300°C) напыления кремния целесообразно применение наиболее дешевой железной подложки, а тонкопленочный ФЭП на железной подложке следует считать ближайшим аналогом предлагаемого изобретения.
Однако вследствие высокой цены применение химически чистого железа для изготовления подложек ФЭП нецелесообразно - железо должно быть применено в виде стали той или иной марки. Но источник [2] не дает информации для выбора марки стали, используемой в подложке ФЭП.
Исходя из приведенных в [2] данных можно ограничить поле выбора, исключив из рассмотрения стали, легированные медью (вследствие интенсивной взаимной диффузии меди и кремния). Высоколегированные марки стали применять в качестве материала электропроводных подложек нецелесообразно вследствие их высокого удельного сопротивления [3]. Низко- и микролегированные, а также высокоуглеродистые стали характеризуются высокими механическими свойствами, резка их затруднена, поэтому их применение для электропроводных подложек неоправданно. Из рассмотрения должны быть также исключены низкоуглеродистые стали для глубокой вытяжки, раскисленные алюминием. Поскольку подобные стали содержат большое количество частиц оксида алюминия, это приводит к неконтролируемому росту контактного сопротивления на границе «подложка-полупроводник».
Изложенные выше соображения позволяют сформулировать сущность предлагаемого изобретения - в тонкопленочном кремниевом ФЭП слой аморфного кремния должен быть нанесен на электропроводную подложку из низкоуглеродистой нелегированной стали следующего химического состава: C менее 0,22%, Al менее 0,02%, Cu менее 0,3%, Cr менее 0,2%, Ni менее 0,3%.
Предлагаемый тонкопленочный ФЭП (фиг.1) состоит из токопроводящей подложки 1, изготовленной из низкоуглеродистой нелегированной стали, не содержащей алюминия. На подложку нанесены слои аморфного кремния 2, покрытые контактной сеткой 3.
Устройство работает следующим образом. При попадании солнечных лучей на поверхность ФЭП между контактной сеткой и токопроводящей подложкой возникает разность потенциалов, а при подключении к выводам ФЭП полезной нагрузки через нее протекает электрический ток.
Особенности работы предлагаемого изобретения с токопроводящими подложками из сталей различного химического состава показаны в следующих примерах.
Пример 1
в
В тонкопленочном ФЭП кремний напылен на подложку толщиной 0,3 мм из высоколегированной стали 08Х18Н10Т следующего химического состава: C 0,07%, Cr 18%, Ni 10%, Cu 0,25%, Аl - следы. Временное сопротивление разрыву σ=510 МПа.
КПД ФЭП при стандартных условиях испытания - 5,5%, время работы ФЭП до снижения КПД на 10% (относительных) - 43800 ч.
Пример 2
в
ФЭП с подложкой той же толщины из раскисленной алюминием низкоуглеродистой стали 08Ю следующего химического состава: C 0,09%, Cr 0,03%, Ni 0,06%, Cu 0,06%, Al 0,05%. Временное сопротивление разрыву σ=270 МПа.
КПД ФЭП при стандартных условиях испытания - 5,8%, время работы ФЭП до снижения КПД на 10% (относительных) - 44000 ч.
Пример 3
в
ФЭП с подложкой той же толщины из низколегированной (в т.ч. медью) стали 10ХСНД следующего химического состава: C 0,1%, Cr 0,8%, Ni 0,7%, Cu 0,6%, Al - следы. Временное сопротивление разрыву σ=530 МПа.
КПД ФЭП при стандартных условиях испытания - 7,1%, время работы ФЭП до снижения КПД на 10% (относительных) - 21100 ч.
Пример 4
в
ФЭП с подложкой той же толщины из низкоуглеродистой стали 08кп следующего химического состава: C 0,21%, Cr 0,25%, Ni 0,2%, Cu 0,25%, Al 0,01%. Временное сопротивление разрыву σ=320 МПа.
КПД ФЭП при стандартных условиях испытания - 7,1%, время работы ФЭП до снижения КПД на 10% (относительных) - 44000 ч.
Пример 5
в
ФЭП с подложкой той же толщины из высокоуглеродистой стали 65 следующего химического состава: C 0,67%, Cr 0,22%, Ni 0,19%, Cu 0,18%, Al - следы. Временное сопротивление разрыву σ=810 МПа.
КПД ФЭП при стандартных условиях испытания - 7,0%, время работы ФЭП до снижения КПД на 10% (относительных) - 44500 ч.
Из приведенных примеров следует, что наличие в стали таких легирующих элементов, как хром и никель, сверх допустимых концентраций ведет к снижению КПД ФЭП вследствие увеличения удельного сопротивления стали и усиления выделения джоулева тепла в толще подложки. Повышенная концентрация алюминия также ведет к повышению потерь энергии, но уже не в толще подложки, а на границе «сталь-кремний», что объясняется влиянием частиц окиси алюминия, содержащихся в стали. Примесь меди сверх допустимых концентраций ведет к быстрой деградации ФЭП вследствие взаимной диффузии меди и кремния, что вызывает сокращение срока службы устройства.
Подложки из сталей, не содержащих перечисленные примеси в недопустимых высоких концентрациях (ст.65 и 08кп), одинаково успешно обеспечивают высокий КПД и длительный срок службы ФЭП. Из этих двух марок наиболее целесообразно применение в качестве материала подложки стали 08кп, легко обрабатываемой вследствие высокой пластичности, обусловленной низким содержанием углерода.
Источники информации
1. RU 2049365 C1 Тонкопленочный электрический элемент и способ его изготовления. Заявка 4894779/25 от 12.02.91 г., патентообладатель «Эли Лилли энд Компани», США.
2. Чопра К., Дас С. Тонкопленочные солнечные элементы: пер. с английского с сокращениями. - М.: Мир, 1986. - 435 с., с ил.
3. Марочник сталей и сплавов. Под общ. ред. В.Г.Сорокина. - М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.