Вирощування кристалів кремнію

Вступ

Сонячний елемент (фотоелемент) - це напівпровідниковий прилад, який служить для перетворення світлової енергії в електричну. В основі цього перетворення лежить явище фотоефекту, відкрите в 1887 році Генріхом Герцем.

Принцип роботи сучасних фотоелементів грунтується на напівпровідниковому p-n переході. При проникненні фотони в область, що прилягає до p-n переходу, створюється пара носіїв заряду: електрон і дірка. Одна з цих частинок є неосновним зарядом і з великою вірогідністю проникає через перехід. В результаті, виникли за рахунок поглинання енергії фотона зарядів, розділяються в просторі і не можуть рекомбінувати. Як наслідок порушується рівновага щільності зарядів. При підключенні елемента до зовнішнього навантаження в ланцюзі починає рухати електричний струм.

Напруга холостого ходу (Vхх) - максимальна напруга - це та ЕРС, яку може генерувати елемент. А струм короткого замикання (Iкз), - це максимальний струм (коли зовнішнє навантаження рівна нулю), - який може генерувати елемент. В робочому режимі напруга і струм менші, і при певних значеннях (V max та I max) елемент має максимальну потужність (P max).

Основні втрати енергії в фотоелементах пов'язані з низькою ефективністю перетворення фотона в електронно-діркову пару.

Сонячні елементи служать для електропостачання в віддалених від ЛЕП районах або на орбітальних станціях, де неможливо використовувати лінії електропередач, а також для живлення калькуляторів, радіотелефонів, зарядних пристроїв, насосів і т. д.

В серпні 2009 року вчені Університету Нового Північного Уэльса досягли рекордної ефективності сонячних елементів - 43%. Однак новий рекорд був встановлений тільки в лабораторних умовах. Так, світло перед попаданням на батареї було фокусовано спеціальними лінзами. Крім того, вартість всього обладнання далека від значень, які дозволять її виготовляти на промислових масштабах. Рекорд для однієї промислово випущеної сонячної батареї в реальних умовах складає близько 25%.

Монокристалічні фотоелементи - найбільш складні та дорогі, тому що для їх виготовлення потрібний кристалічний кремній, які мають найбільшу ефективність (14% -20% перетворення світла в електричну енергію).

Тонко плівкові фотоелементи - використовують тонкі плівки, виготовлені з розплавленого кремнію. Такі фотоелементи найменш ефективні.

В космічних апаратах використовуються також багато перехідні сонячні елементи або гетеро фотоелементи. Такий елемент складається з декількох p-n-переходів (AlGaAs-GaAs), кожен з яких захоплює світло певного спектра. Такі сонячні елементи досягають найвищої ефективності - 35% - 50%. Велика складність виготовлення таких пристроїв робить їх менш розповсюдженими. Для підвищення ефективності трансформації світла також використовують концентруючу оптику. На даний момент ведуться дослідження з створення гнучких плівкових сонячних елементів, а також напівпровідникових фарб, використання органічних напівпровідників.

 

 

 

 

                    Розділ 1. Сонячні елементи на основі кремнію

Кремній - другий за поширеністю (після кисню) елемент земної кори. У верхніх осадових шарах він міститься у вигляді глин, кварцу та інших з'єднань і становить 27,6% складу земної кори. У вільному стані в природі проста речовина Силіцію, кремній, не зустрічається, проте його в значних кількостях отримують штучно для потреб промисловості. Найпоширенішими сполуками силіцію є діоксид силіцію SiO₂ (силікатний ангідрид або кремнезем) і солі силікатної кислоти — силікати, що є основою всіх гірських порід. У невеликих кількостях сполуки силіцію входять також до складу організмів рослин. Близько 12 % літосфери складає кварц SiO₂ і його різновиди, а 75 % складають різні силікати і алюмосилікати (польові шпати, слюди, амфіболи).

Кремній є непрямозонним напівпровідником з шириною забороненої зони 1,12 еВ. Електричного струму чистий кремній майже зовсім не проводить. Електрична провідність кремнію сильно залежить від присутності домішок, які поділяють на два види: донори й акцептори. При переважанні донорів основними носіями заряду в кремнії є електрони провідності, при переважанні акцепторів — дірки. Такий кремній є напівпровідником n-типу й p-типу, відповідно.

Аморфний кремній можна одержати нагріванням діоксиду силіцію з магнієм:

Чистий кремній добувають звичайно так: суміш діоксиду силіцію і коксу при дуже високій температурі обробляють хлором і одержують тетрахлорид силіцію SiCl₄ (рідина з температурою кипіння 57,6°С). Останній старанно очищають перегонкою, а потім відновлюють парами дуже чистого цинку при 950°С. Хімічні реакції, що відбуваються при цьому, можна зобразити такими рівняннями:

На сучасному етапі розвитку фотоелектричного перетворення енергії найкраще застосовувати для сонячної батареї елементи з монокристалічного кремнію з p – n переходом, текстурованою поверхнею та оптимізованою формою фронтального та тилового контактів. При використанні перевірених способів монтажу термін експлуатації батареї складає 20 і більше років.

Кристалічний кремній. Монокристалічні кремнієві сонячні елементи  (c-Si СЕ) виготовляють з кремнієвих пластин 0.3 мм (300 мкм) товщини шляхом легування їх відповідно донорними й акцепторними домішками, створення омічних контактів. Існують кілька типів конструкції монокристалічних сонячних елементів, що відрізняються способом формування, структурою й розташуванням контактів (рис. 1).

Рис. 1. Різні типи сонячних елементів на основі монокристалічного кремнію: а) простий p-n-перехід; б) метал-ізолятор-n-p-структура (MINP).

 

Основний недолік монокристалічних кремнієвих сонячних елементів – велика витрата порівняно дорогого високочистого кремнію, більша частина якого відіграє роль пасивної підкладки. Слід зазначити, що технологія виробництва сонячних елементів на кристалічному кремнії перебуває в майже ідеальному стані й досить складно знайти шляхи покращення вже існуючих технологічних процесів, відпрацьованих у протягом багатьох років у рамках виробництва мікроелектронних обладнань. Крім того, досить добре розроблена теорія фотогальванічних перетворень у монокристалі й на її основі створені комп'ютерні програми оптимізації параметрів монокристалічних сонячних елементів на основі кремнію. Єдиний шлях оптимізації с-Si СМ – це здешевлення вихідної сировини. Для зменшення собівартості кремнієвих сонячних елементів досліджується можливість використання як поглинача полі і мультикристалічного кремнію.

На самій межі дотику цих пластин є зона замикаючого шару. Цей шар протидіє переходу надлишкових електронів з шару «n» у шар «p», де даних електронів не вистачає (місця з відсутніми електронами називають дірками). Якщо підключити до подібного напівпровідника зовнішнє джерело живлення («+» до «p» і «-» до «n»), то зовнішнє електричне поле змусить електрони подолати замикаючу зону і через провідник потече струм.

Щось подібне відбувається і при дії сонячного випромінювання на сонячний елемент. Коли фотон світла влітає в шари «n» і «p», він передає свою енергію електронам (що знаходяться на зовнішній оболонці атомів), котрі вивільняються, а на їх місці з’являється дірка. Електрони з отриманою енергією вільно долають замикаючий шар напівпровідника і переходять з шару «p» в шар «n», а дірки, навпаки, переходять з шару «n» у шар «p».

Цьому переходу електронів їх області «p» в область «n» і дірок з області «n» у область «p», також сприяють електричні поля позитивних зарядів, що знаходиться в зоні «n» провідника і негативних - в зоні «p », які ніби втягують в себе, одні - електрони, інші - дірки. У підсумку, шар «n» набуває додаткового негативного заряду, а «p» - позитивного. Результатом цього явища буде поява в напівпровіднику різниці потенціалів (напруги) між двома пластинами близької до 0.5 В.

Сила електричного струму, який може генерувати сонячний елемент, змінюється пропорційно кількості захоплених поверхнею фотоелемента фотонів. Цей показник, у свою чергу, також залежить від безлічі додаткових чинників: інтенсивності світлового випромінювання, площі, що має фотоелемент, часу експлуатації, ККД пристрою, що залежить від температури (при її підвищенні, провідність фотоелемента значно падає).

Ось чому потрібно пам’ятати про наступне: сонячні елементи (фотоелементи, батареї) не здатні бути дуже потужними, вони не можуть працювати в безперервному режимі (через природну зміну дня і ночі), для стабілізації основних параметрів - сили струму і напруги - з'являється необхідність у використанні додаткових пристроїв (стабілізатори, акумулятори тощо).

 

На зображенні, показаному вище, можна бачити, що верхній шар p-n переходу, який має надлишок електронів, з'єднаний з металевими пластинами, які виконують роль позитивного електрода, пропускаючи світло і додаючи елементу додаткову жорсткість. Нижній шар в конструкції сонячної батареї має нестачу електронів, до нього приклеєна суцільна металева пластина, що виконує функцію негативного електрода.

Вважається, що в ідеалі сонячна батарея має близький до 20% ККД. Однак на практиці і за даними фахівців сайту він приблизно дорівнює всього 10%, при тому, що для деяких сонячних батарей він більший, для деяких менший. В основному це залежить від технології, за якою виконаний p-n перехід. Найбільш вживаними та такими, що мають найбільший відсоток ККД, продовжують бути сонячні батареї, виготовлені на основі монокристалу або полікристалу кремнію. Причому другі через відносну дешевизну стають дедалі поширенішими.

До якого типу конструкції сонячна батарея відноситься можна визначити неозброєним оком. Монокристалічні мають виключно чорно-сірий колір, а моделі на основі полікристалу кремнію виділяє синя поверхню. Полікристалічні сонячні батареї, що виготовляються методом лиття, виявилися дешевшими у виробництві. Проте і в полі, і в монокристалічних пластин є один недолік - конструкції сонячних батарей на їх основі не мають гнучкості, яка в деяких випадках не завадить.

Ситуація змінилась з появою в 1975 році сонячної батареї на основі аморфного кремнію, активний елемент якої має товщину від 0,5 до 1 мкм, забезпечуючи їй гнучкість. Товщина звичайних кремнієвих елементів досягає 300 мкм. Однак, незважаючи на властивість аморфного кремнію поглинати світло, яка приблизно в 20 разів вище, ніж у звичайного, ефективність сонячних батарей такого типу не перевищує 12%. Для моно- і полікристалічних варіантів він може досягати 17% і 15% відповідно.

Матеріал, з якого виготовлені пластини, впливає на характеристики сонячних батарей.

Чистий кремній у виробництві пластин для сонячних елементів практично не використовується. Найчастіше в якості домішок для виготовлення пластини, що виробляє позитивний заряд, використовується бор, а для негативно заряджених пластин миш'як. Крім них при виробництві сонячних елементів все частіше використовуються такі компоненти, як арсенід, галій, мідь, кадмій, телурид, селен та інші. Завдяки ним сонячні елементи стають менш чутливими до перепадів оточуючих температур.

Більшість сонячних батарей можуть накопичувати енергію, представляючи собою так звані системи. Враховуючи, що фотоелектричні елементи виробляють електричний струм тільки при прямому впливі сонячних променів або світла, вночі або в похмурий день вони стають практично непотрібними. З системами на сонячних батареях все по-іншому. Вони обладнані акумулятором, здатним накопичувати електричний струм вдень, коли сонячна батарея його виробляє, а вночі накопичений заряд може віддаватись споживачам.

 

Заряд Li-ion акумуляторів

 

Li-ion акумулятори заряджаються в комбінованому режимі: спочатку при постійному струмі (в діапазоні від 0,2 до 1 С) до напруги 4,1-4,2 (в залежності від рекомендацій виробника), далі при постійній напрузі. Перша стадія заряду може тривати близько 40 хв, друга стадія довше. Більш швидкий заряд може бути досягнутий при імпульсному режимі.

В початковий період, коли тільки з’явилися Li-ion акумуляторні батареї, що використовують графітову систему, потрібно було обмеження напруги заряду з розрахунку 4,1 на елемент. Хоча використання більш високої напруги дозволяє підвищити енергетичну щільність, окислювальні реакції, що відбувалися в елементах такого типу при напругах, що перевищують поріг 4,1, приводили до скорочення їх терміну служби. З часом цей недолік ліквідували за рахунок застосування хімічних добавок, і в даний час Li-ion елементи можна заряджати до напруги 4,20 Ст. Допустиме відхилення напруги становить лише близько ±0,05 В на елемент.

Li-ion акумуляторні батареї промислового та військового призначення повинні мати більший термін служби, ніж батареї для комерційного використання. Тому для них порогове напруга кінця заряду становить 3,90 В на елемент. Хоча енергетична щільність (квтг/кг) у таких батарей нижче, підвищений термін служби при невеликих розмірах, малій вазі і більш висока у порівнянні з батареями інших типів енергетична щільність ставлять Li-ion батареї поза конкуренцією.

При заряді Li-ion акумуляторних батарей струмом 1С час заряду становить 2-3 ч. Li-ion батарея досягає стану повного заряду, коли напруга на ній стає рівним напрузі відсічення, а струм при цьому значно зменшується і становить приблизно 3% від початкового струму заряду (рис. 4).

Рис.4. Залежність напруги і струму від часу при заряді літій-іонного (Li-ion) акумулятор

Якщо на рис. 4 зображено типовий графік заряду одного з типів Li-ion акумуляторів, то на рис. 5 процес заряду показаний більш наочно. При підвищенні струму заряду Li-ion батареї час заряду скільки-небудь значуще не скорочується. Хоча при більш високому струмі заряду напруга на батареї наростає швидше, етап підзарядки після завершення першого етапу циклу заряду триває довше.

Етап струменевої підзарядки для Li-ion акумуляторів непридатний через те, що вони не можуть поглинати енергію при перезарядці. Більш того, струмова підзарядка може викликати металізацію літію, яка робить роботу акумулятора нестабільною. Навпаки, коротка підзарядка постійним струмом здатна компенсувати невелике саморозряд Li-ion батареї і компенсувати втрати енергії, викликані роботою її пристрою захисту. В залежності від типу зарядного пристрою і ступеня саморозряду Li-ion батареї така підзарядка може виконуватися через кожні 500 год., або 20 днів. Зазвичай її слід здійснювати при зниженні напруги холостого ходу до 4,05 В/елемент і припиняти, коли воно досягне 4,20 В/елемент.

Отже, Li-ion акумулятори мають низьку стійкість до перезаряду. На негативному електроді на поверхні вуглецевої матриці при значному перезаряд стає можливим осадження металевого літію (у вигляді дрібно роздробленого мшистого осаду), що володіє великою реакційною здатністю до електроліту, а на катоді починається активне виділення кисню. Виникає загроза теплового розгону, підвищення тиску і розгерметизації. Тому заряд Li-ion акумуляторів можна вести тільки до напруги, рекомендованого виробником. При збільшеному зарядній напрузі ресурс акумуляторів знижується.

Безпечній роботі Li-ion акумуляторних батарей повинна приділятися серйозна увага. В Li-ion батареї комерційного призначення є спеціальні пристрої захисту, що запобігають перевищення напруги заряду вище певного порогового значення. Додатковий елемент захисту забезпечує завершення заряду, якщо температура батареї досягне 90 °С. Найбільш досконалі по конструкції батареї мають ще один елемент захисту — механічний вимикач, який спрацьовує при збільшенні внутрикорпусного тиску батареї. Вбудована система контролю напруги налаштована на два напруги відсічки — верхнє і нижнє .

Є й винятки — Li-ion акумуляторні батареї, в яких пристрою захисту взагалі відсутні. Це акумуляторні батареї, до складу яких входить марганець. Завдяки його наявності, при перезаряді реакції металізації анода і виділення кисню на катоді відбуваються настільки повільно, що стало можливим відмовитися від застосування пристроїв захисту.

Збереження Li-ion акумуляторів. Всі літієві акумулятори характеризуються досить гарною схоронністю. Втрата ємності за рахунок саморозряду 5-10 % на рік.

Наведені показники слід розглядати як деякі номінальні орієнтири. Для кожного конкретного акумулятора, наприклад, розрядне напруга залежить від струму розряду, рівня розрядженості, температури; ресурс залежить від режимів (струмів) розряду і заряду, температури, глибини розряду; діапазон робочих температур залежить від рівня виробітку ресурсу, допустимих робочих напруг і т. д.

До недоліків Li-ion акумуляторів слід віднести чутливість до перезарядам і переразрядам, через це вони повинні мати обмежувачі заряду і розряду.

Типовий вид розрядних характеристик Li-ion акумуляторів зображено на рис. 6 і 7. З малюнків видно, що із зростанням струму розряду розрядна ємність акумулятора знижується незначно, але зменшується робоча напруга. Такий же ефект з’являється при розряді при температурі нижче 10 °С. Крім цього, при низьких температурах має місце початкова просадка напруги.

Рис.6. Розрядні характеристики Li-ion акумулятора при різних струмах

Рис.7. Розрядні характеристики Li-ion акумулятора при різній температурі

Що стосується експлуатації Li-ion акумуляторів взагалі, то, враховуючи всі конструктивні та хімічні способи захисту акумуляторів від перегріву і вже усталене уявлення про потреби зовнішньої електронної захисту акумуляторів від перезаряду і перерозряду, можна вважати проблему безпеки експлуатації Li-ion акумуляторів вирішеною. А нові катодні матеріали часто забезпечують ще більшу термічну стабільність Li-ion акумуляторів.

Безпека Li-ion акумуляторів. При розробці літієвих і літій-іонних акумуляторів, як і при розробці первинних літієвих елементів, питань безпеки зберігання та використання приділялася особлива увага. Всі акумулятори мають захист від внутрішніх коротких замикань (а в окремих випадках — і від зовнішніх коротких замикань). Ефективним способом такого захисту є застосування двошарового сепаратора, один з шарів якого не виготовляється з поліпропілену, а з матеріалу, аналогічного поліетилену. У випадку короткого замикання (наприклад, через проростання дендритів літію до позитивного електрода) за рахунок локального розігріву цей шар сепаратора подплавляется і стає непроникним, запобігаючи, таким чином, подальше проростання дендритів.

Висновки

При звичайному світловому потоці, який відповідає умовам АМ 1,5 (за яких вказані параметри фотоперетворювача) сонячна батарея із 18 з’єднаних сонячних елементів у формі сегмента зарядить повністю розряжений літій-іонний акумулятор ємністю 2,6 А∙год та номінальною напругою 7,2 В за      1 годину 44 хвилини.

У конструкції сонячної батареї для зручності монтажу і запобігання короткого замикання між елементами передбачено використовувати віддаль між фотоперетворювачами 5 мм. Віддаль від країв сонячної батареї до карнизу, який розташований по периметру батареї становить 5 мм. Ця віддаль забезпечує попадання променів на елементи при значних відхиленнях світлового потоку від нормального падіння. При цьому уникається зниження робочого струму батареї через часткове затінення крайніх сонячних елементів. Ширина карнизу по периметру сонячного елементу становить 6 мм і вибрана з умов збереження малої неактивної площі сонячної батареї.

 

Список літератури

Фурсов С.П. Как зарядить аккумулятор.- Кишенев: Штиинца, 1984. – 176с.

Васильев А.М., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобра-зователи. – М.: Сов. Радио, 1971. – 246с.

Колтун М.М. Солнечные элементы. – М.: Наука, 1987. – 191с.

Фаренбрух А. Л., Бьюб Р.Х. Солнечные элементы: теория и экспе-римент. – М.: Энергоиздат, 1987. – 277с.

Раушенбах Г. Справочник по по проэктированию солнечных батарей. – М.: Энергоиздат, 1983. – 360с.

 

 

Вступ

Сонячний елемент (фотоелемент) - це напівпровідниковий прилад, який служить для перетворення світлової енергії в електричну. В основі цього перетворення лежить явище фотоефекту, відкрите в 1887 році Генріхом Герцем.

Принцип роботи сучасних фотоелементів грунтується на напівпровідниковому p-n переході. При проникненні фотони в область, що прилягає до p-n переходу, створюється пара носіїв заряду: електрон і дірка. Одна з цих частинок є неосновним зарядом і з великою вірогідністю проникає через перехід. В результаті, виникли за рахунок поглинання енергії фотона зарядів, розділяються в просторі і не можуть рекомбінувати. Як наслідок порушується рівновага щільності зарядів. При підключенні елемента до зовнішнього навантаження в ланцюзі починає рухати електричний струм.

Напруга холостого ходу (Vхх) - максимальна напруга - це та ЕРС, яку може генерувати елемент. А струм короткого замикання (Iкз), - це максимальний струм (коли зовнішнє навантаження рівна нулю), - який може генерувати елемент. В робочому режимі напруга і струм менші, і при певних значеннях (V max та I max) елемент має максимальну потужність (P max).

Основні втрати енергії в фотоелементах пов'язані з низькою ефективністю перетворення фотона в електронно-діркову пару.

Сонячні елементи служать для електропостачання в віддалених від ЛЕП районах або на орбітальних станціях, де неможливо використовувати лінії електропередач, а також для живлення калькуляторів, радіотелефонів, зарядних пристроїв, насосів і т. д.

В серпні 2009 року вчені Університету Нового Північного Уэльса досягли рекордної ефективності сонячних елементів - 43%. Однак новий рекорд був встановлений тільки в лабораторних умовах. Так, світло перед попаданням на батареї було фокусовано спеціальними лінзами. Крім того, вартість всього обладнання далека від значень, які дозволять її виготовляти на промислових масштабах. Рекорд для однієї промислово випущеної сонячної батареї в реальних умовах складає близько 25%.

Монокристалічні фотоелементи - найбільш складні та дорогі, тому що для їх виготовлення потрібний кристалічний кремній, які мають найбільшу ефективність (14% -20% перетворення світла в електричну енергію).

Тонко плівкові фотоелементи - використовують тонкі плівки, виготовлені з розплавленого кремнію. Такі фотоелементи найменш ефективні.

В космічних апаратах використовуються також багато перехідні сонячні елементи або гетеро фотоелементи. Такий елемент складається з декількох p-n-переходів (AlGaAs-GaAs), кожен з яких захоплює світло певного спектра. Такі сонячні елементи досягають найвищої ефективності - 35% - 50%. Велика складність виготовлення таких пристроїв робить їх менш розповсюдженими. Для підвищення ефективності трансформації світла також використовують концентруючу оптику. На даний момент ведуться дослідження з створення гнучких плівкових сонячних елементів, а також напівпровідникових фарб, використання органічних напівпровідників.

 

 

 

 

                    Розділ 1. Сонячні елементи на основі кремнію

Кремній - другий за поширеністю (після кисню) елемент земної кори. У верхніх осадових шарах він міститься у вигляді глин, кварцу та інших з'єднань і становить 27,6% складу земної кори. У вільному стані в природі проста речовина Силіцію, кремній, не зустрічається, проте його в значних кількостях отримують штучно для потреб промисловості. Найпоширенішими сполуками силіцію є діоксид силіцію SiO₂ (силікатний ангідрид або кремнезем) і солі силікатної кислоти — силікати, що є основою всіх гірських порід. У невеликих кількостях сполуки силіцію входять також до складу організмів рослин. Близько 12 % літосфери складає кварц SiO₂ і його різновиди, а 75 % складають різні силікати і алюмосилікати (польові шпати, слюди, амфіболи).

Кремній є непрямозонним напівпровідником з шириною забороненої зони 1,12 еВ. Електричного струму чистий кремній майже зовсім не проводить. Електрична провідність кремнію сильно залежить від присутності домішок, які поділяють на два види: донори й акцептори. При переважанні донорів основними носіями заряду в кремнії є електрони провідності, при переважанні акцепторів — дірки. Такий кремній є напівпровідником n-типу й p-типу, відповідно.

Аморфний кремній можна одержати нагріванням діоксиду силіцію з магнієм:

Чистий кремній добувають звичайно так: суміш діоксиду силіцію і коксу при дуже високій температурі обробляють хлором і одержують тетрахлорид силіцію SiCl₄ (рідина з температурою кипіння 57,6°С). Останній старанно очищають перегонкою, а потім відновлюють парами дуже чистого цинку при 950°С. Хімічні реакції, що відбуваються при цьому, можна зобразити такими рівняннями:

На сучасному етапі розвитку фотоелектричного перетворення енергії найкраще застосовувати для сонячної батареї елементи з монокристалічного кремнію з p – n переходом, текстурованою поверхнею та оптимізованою формою фронтального та тилового контактів. При використанні перевірених способів монтажу термін експлуатації батареї складає 20 і більше років.

Кристалічний кремній. Монокристалічні кремнієві сонячні елементи  (c-Si СЕ) виготовляють з кремнієвих пластин 0.3 мм (300 мкм) товщини шляхом легування їх відповідно донорними й акцепторними домішками, створення омічних контактів. Існують кілька типів конструкції монокристалічних сонячних елементів, що відрізняються способом формування, структурою й розташуванням контактів (рис. 1).

Рис. 1. Різні типи сонячних елементів на основі монокристалічного кремнію: а) простий p-n-перехід; б) метал-ізолятор-n-p-структура (MINP).

 

Основний недолік монокристалічних кремнієвих сонячних елементів – велика витрата порівняно дорогого високочистого кремнію, більша частина якого відіграє роль пасивної підкладки. Слід зазначити, що технологія виробництва сонячних елементів на кристалічному кремнії перебуває в майже ідеальному стані й досить складно знайти шляхи покращення вже існуючих технологічних процесів, відпрацьованих у протягом багатьох років у рамках виробництва мікроелектронних обладнань. Крім того, досить добре розроблена теорія фотогальванічних перетворень у монокристалі й на її основі створені комп'ютерні програми оптимізації параметрів монокристалічних сонячних елементів на основі кремнію. Єдиний шлях оптимізації с-Si СМ – це здешевлення вихідної сировини. Для зменшення собівартості кремнієвих сонячних елементів досліджується можливість використання як поглинача полі і мультикристалічного кремнію.

На самій межі дотику цих пластин є зона замикаючого шару. Цей шар протидіє переходу надлишкових електронів з шару «n» у шар «p», де даних електронів не вистачає (місця з відсутніми електронами називають дірками). Якщо підключити до подібного напівпровідника зовнішнє джерело живлення («+» до «p» і «-» до «n»), то зовнішнє електричне поле змусить електрони подолати замикаючу зону і через провідник потече струм.

Щось подібне відбувається і при дії сонячного випромінювання на сонячний елемент. Коли фотон світла влітає в шари «n» і «p», він передає свою енергію електронам (що знаходяться на зовнішній оболонці атомів), котрі вивільняються, а на їх місці з’являється дірка. Електрони з отриманою енергією вільно долають замикаючий шар напівпровідника і переходять з шару «p» в шар «n», а дірки, навпаки, переходять з шару «n» у шар «p».

Цьому переходу електронів їх області «p» в область «n» і дірок з області «n» у область «p», також сприяють електричні поля позитивних зарядів, що знаходиться в зоні «n» провідника і негативних - в зоні «p », які ніби втягують в себе, одні - електрони, інші - дірки. У підсумку, шар «n» набуває додаткового негативного заряду, а «p» - позитивного. Результатом цього явища буде поява в напівпровіднику різниці потенціалів (напруги) між двома пластинами близької до 0.5 В.

Сила електричного струму, який може генерувати сонячний елемент, змінюється пропорційно кількості захоплених поверхнею фотоелемента фотонів. Цей показник, у свою чергу, також залежить від безлічі додаткових чинників: інтенсивності світлового випромінювання, площі, що має фотоелемент, часу експлуатації, ККД пристрою, що залежить від температури (при її підвищенні, провідність фотоелемента значно падає).

Ось чому потрібно пам’ятати про наступне: сонячні елементи (фотоелементи, батареї) не здатні бути дуже потужними, вони не можуть працювати в безперервному режимі (через природну зміну дня і ночі), для стабілізації основних параметрів - сили струму і напруги - з'являється необхідність у використанні додаткових пристроїв (стабілізатори, акумулятори тощо).

 

На зображенні, показаному вище, можна бачити, що верхній шар p-n переходу, який має надлишок електронів, з'єднаний з металевими пластинами, які виконують роль позитивного електрода, пропускаючи світло і додаючи елементу додаткову жорсткість. Нижній шар в конструкції сонячної батареї має нестачу електронів, до нього приклеєна суцільна металева пластина, що виконує функцію негативного електрода.

Вважається, що в ідеалі сонячна батарея має близький до 20% ККД. Однак на практиці і за даними фахівців сайту він приблизно дорівнює всього 10%, при тому, що для деяких сонячних батарей він більший, для деяких менший. В основному це залежить від технології, за якою виконаний p-n перехід. Найбільш вживаними та такими, що мають найбільший відсоток ККД, продовжують бути сонячні батареї, виготовлені на основі монокристалу або полікристалу кремнію. Причому другі через відносну дешевизну стають дедалі поширенішими.

До якого типу конструкції сонячна батарея відноситься можна визначити неозброєним оком. Монокристалічні мають виключно чорно-сірий колір, а моделі на основі полікристалу кремнію виділяє синя поверхню. Полікристалічні сонячні батареї, що виготовляються методом лиття, виявилися дешевшими у виробництві. Проте і в полі, і в монокристалічних пластин є один недолік - конструкції сонячних батарей на їх основі не мають гнучкості, яка в деяких випадках не завадить.

Ситуація змінилась з появою в 1975 році сонячної батареї на основі аморфного кремнію, активний елемент якої має товщину від 0,5 до 1 мкм, забезпечуючи їй гнучкість. Товщина звичайних кремнієвих елементів досягає 300 мкм. Однак, незважаючи на властивість аморфного кремнію поглинати світло, яка приблизно в 20 разів вище, ніж у звичайного, ефективність сонячних батарей такого типу не перевищує 12%. Для моно- і полікристалічних варіантів він може досягати 17% і 15% відповідно.

Матеріал, з якого виготовлені пластини, впливає на характеристики сонячних батарей.

Чистий кремній у виробництві пластин для сонячних елементів практично не використовується. Найчастіше в якості домішок для виготовлення пластини, що виробляє позитивний заряд, використовується бор, а для негативно заряджених пластин миш'як. Крім них при виробництві сонячних елементів все частіше використовуються такі компоненти, як арсенід, галій, мідь, кадмій, телурид, селен та інші. Завдяки ним сонячні елементи стають менш чутливими до перепадів оточуючих температур.

Більшість сонячних батарей можуть накопичувати енергію, представляючи собою так звані системи. Враховуючи, що фотоелектричні елементи виробляють електричний струм тільки при прямому впливі сонячних променів або світла, вночі або в похмурий день вони стають практично непотрібними. З системами на сонячних батареях все по-іншому. Вони обладнані акумулятором, здатним накопичувати електричний струм вдень, коли сонячна батарея його виробляє, а вночі накопичений заряд може віддаватись споживачам.

 

Вирощування кристалів кремнію

Існує безліч способів вирощування монокристалів Si з газової і рідкої фаз і розплаву. Коротко розглянемо один з найбільш поширених методів вирощування кремнію методом Чохральского.

Процес вирощування кристалів цим методом можна простежити, звернувшись до схеми, установки, показаної на рис. 2. 

 

         

Рис. 2. Схема установки для вирощування кристалів за методом Чохральського:     1 - вакуум або інертна атмосфера; 2 - стрижень для витягування кристала; 3 - кристалічна запал; 4 - зростаючий кристал; 5 - кварцовий тигель; 6 - високочастотний індуктор;       7 - графіт, що нагрівається індукційними струмами ; 8 - кристал і; 9 - фронт кристалізації; 10 - рідкий кремній

 

 У процесі вирощування контролюють температуру тигля , швидкість витягування кристала з розплаву і перемішування розплаву при обертанні витягається кристала або тигля. Конструктивні особливості установки покликані забезпечити необхідну форму теплових полів поблизу кордону зростання , регулювати теплові втрати в області виходу кристала з розплаву і через затискний патрон , що тримає початковий кристал.

Для ініціювання росту кристалу початковий кристал опускають в розплав,

плавно зменшують його температуру і починають витягати кристал з розплаву. Оскільки в більшості модифікацій методу Чохральського прихована теплота кристалізації виділяється головним чином за рахунок теплового випромінювання, інтенсивність якого визначається випромінюючої площею і температурою навколишнього середовища, діаметр кристала залежить від співвідношення між швидкістю витягування і характер температурних полів. Вплив поверхневого натягу відносно мало при знаходженні межі росту значно вище або нижче рівня розплаву (рис. 2.).

Звичайно як матеріалу тигля, в якому розплавляють кремній, використовують SiO₂ (температура розм'якшення близько 1600 ° С). Легуючі домішки розчиняють у розплаві , і до початку кристалізації розплав гомогенізують. Кристалізацію проводять у вакуумі в середовищі інертного газу. Кристали витягають зі швидкістю 10^-4 -10^-2 см / с і обертають з частотою 10-40 об/хв. Часто одночасно здійснюють обертання тигля в протилежному напрямку.

В даний час найкращим матеріалом для виготовлення тигля є кварц . Він повільно розчиняється в рідкому кремнії згідно реакції:

до насичення розплаву киснем, відповідної концентрації ( 2-4 ) 10¹⁸ см^-3     [ Runyan , 1965] , і тільки після цього утворюється монооксид SiO.

Монооксид кремнію випаровується, однак домішки, які у кварці, залиша-ються в розплаві. У цьому зв’язку слід мінімізувати відношення поверхні до об’єму тигля і застосувати особливо чистий кварц. Як матеріал тигля викори-стовують також графіт, однак вуглець частково розчиняється в кремнії, утворюючи включення SiC крім того, можливе забруднення розплаву домішками, оскільки графіт насилу піддається очищенню.

Методом Чохральського вирощують злитки діаметром до 30 см і довжиною до декількох метрів.

 

123456Следующая ⇒

Поделиться: