Солнечные ячейки: от ранних экспериментов к современной фотовольтаике — технологии, производство и перспективы

История

Фотовольтаические солнечные ячейки — тонкие кремниевые пластины, преобразующие солнечный свет напрямую в электричество. Они питят широкий спектр устройств: от карманных калькуляторов и телекоммуникационного оборудования до крышных панелей на домах и критического освещения, водяных насосов и медицинских холодильников в отдаленных деревнях. Кроме того, большие массивы солнечных ячеек поставляют электричество спутникам и в редких случаях — традиционным электростанциям.

Поиск солнечного электричества начался вместе с развитием ранних батарей. В 1839 году Антуан-Цезар Беккерель продемонстрировал, что химическая батарея может генерировать небольшое напряжение под воздействием солнечного света — достигая скромных 1% эффективности. Последующие открытия Уиллоби Смита (1873) и команды Адамс и Дэй (1877) подтвердили, что селен фотоподвижен, производя измеримый ток под светом. В 1880-х Чарльз Фриттс создал первую коммерческую солнечную ячейку с золотистым селеном, снова с эффективностью 1%. Фриттс известно предвидел будущее, где децентрализованная солнечная энергия заменит централизованные электростанции.

Объяснение Эйнштейном фотоэлектрического эффекта в 1905 году обновило оптимизм по поводу более эффективных солнечных ячеек. Прогресс оставался ограниченным до середины XX века, когда прорывы в диодной и транзисторной технологии позволили ученым Bell Laboratories Гордону Пирсону, Даррилу Чапину и Калу Фуллеру построить первую кремниевую солнечную ячейку с 4% эффективностью в 1954 году. Последующие уточнения подняли эффективность до 15%, и солнечные ячейки впервые развернули в Америкусе, Джорджия, для питания телефонной релейной системы, успешно работавшей много лет.

Хотя ни одна технология еще не удовлетворяет полный внутренний энергопотребности, солнечные ячейки доказали свою незаменимость для космических применений. Конвенциональные топливные системы и батареи слишком тяжелы для спутниковых миссий, где вес критичен. Солнечные ячейки дают наилучшее отношение энергии к весу среди всех конвенциональных источников энергии, делая их источником питания выбора для спутников.

Существует лишь несколько крупных фотовольтаических электростанций, и фокус остается на доставке солнечной технологии в отдаленные районы без надежной сетевой инфраструктуры. Около 50 МВт солнечной мощности устанавливается ежегодно, в то время как солнечные ячейки вносят примерно 1% от мирового общего выработки электричества. Сторонники утверждают, что солнечная инсоляция, достигающая поверхности Земли, достаточна для покрытия глобальных энергетических потребностей многократно, но отрасль все еще сталкивается с техническими и экономическими препятствиями перед реализацией видения Чарльза Фриттса о свободно доступной солнечной энергии.

Сырье

Базовый материал для солнечной ячейки — кремний, который должен быть очищен до уровня, пригодного для полупроводникового использования. Диоксид кремния — из кварцевого гравия или дробленого кварца — сначала попадает в электродуговую печь, где углеродная дуга удаляет кислород, производя диоксид углерода и расплавленный кремний. Полученный кремний содержит около 1% примесей и не подходит для солнечных ячеек, требуя дальнейшей очистки.

Очищенный кремний затем легируют фосфором или бором для создания избытка или дефицита электронов соответственно, образуя полупроводник, способный проводить электричество. Кремниевые пластины полируют и покрывают антирефлексным слоем, обычно диоксидом титана, для уменьшения потерь света.

Готовый солнечный модуль включает легированную кремниевую пластину, инкапсулированную в защитную оболочку — прозрачный силиконовый каучук или бутириловый пластик (обычно используемый в автомобильных лобовых стеклах) — и связанную в этиленвинилацетат. Модуль оформляют в стальную или алюминиевую раму, с полиэстеровой пленкой, такой как Mylar или Tedlar, и покрывают стеклом (наземные массивы) или легким пластиком (спутниковые массивы). Медь и другие стандартные электронные компоненты завершают сборку.

Производственный процесс

Очистка кремния

• 1. Диоксид кремния обрабатывают в электродуговой печи для удаления кислорода, получая расплавленный кремний с 1% примесей.
• 2. Кремний дополнительно очищают методом плавающей зоны, где стержень нечистого кремния многократно проходит через нагретую зону. Примеси мигрируют к одному концу и удаляются, оставляя стержень почти чистого кремния.

Получение однокристаллического кремния

• 3. Солнечные ячейки изготавливают из кремниевых слитков — цилиндрических слитков, выращенных методом Чохральского. Семенной кристалл опускают в расплавленный кремний, вытягивают и вращают, производя высокочистый однокристаллический слиток. Примеси остаются в расплаве, обеспечивая чистоту слитка.

Изготовление кремниевых пластин

• 4. Слиток режут на пластины алмазным круговым пилой или многонижевой пилой. Типичная толщина 5 мм, и только около половины кремния в слитке конвертируется в пригодные пластины, с дополнительными потерями при формировании в прямоугольные или шестиугольные геометрии.
• 5. Пластины полируют для удаления следов пиления. Некоторые производители теперь опускают полировку, так как слегка шероховатая поверхность может улучшить поглощение света.

Легирование

• 6. Традиционное легирование вводит бор при процессе Чохральского, затем отжиг в печи под фосфорным газом. Атомы фосфора инфильтруют кремниевую решетку, создавая n-тип область. Недавние ионные имплантационные техники позволяют точный контроль глубины легирования, но коммерческое принятие остается ограниченным.

Размещение электрических контактов

• 7. Электрические контакты осаждают на передней поверхности пластины вакуумным испарением, фоторезистом или шелкографией. Металлы вроде палладия/серебра, никеля или меди формируют тонкие прозрачные «пальцы», проводящие ток при минимальном затенении.
• 8. Тонкие межсоединительные полоски — обычно оловянная медь — укладывают между ячейками для направления сгенерированного тока к выходным клеммам модуля.

Антирефлексное покрытие

• 9. Высокая отражательная способность кремния может достигать 35%. Антирефлексное покрытие, обычно нитрид кремния или диоксид титана, наносят спеттерингом или химическим осаждением из паровой фазы для уменьшения отражения и максимизации фотонабсорбции.

Инкапсуляция ячейки

• 10. Готовые ячейки инкапсулируют в силиконовый каучук или этиленвинилацетат, затем монтируют в алюминиевую или стальную раму с задней пленкой Mylar/Tedlar и стеклянным или пластиковым покрытием, образуя долговечный, погодостойкий модуль.

Контроль качества

Контроль качества критичен, так как вариации на любом производственном этапе могут снизить эффективность ячейки. Проект Департамента энергетики США по дешевым солнечным массивам, запущенный в конце 1970-х, финансировал частные исследования для снижения затрат. Ключевые проверки включают:

• Чистоту, кристаллическую ориентацию и удельное сопротивление кремниевой пластины.
• Содержание кислорода и углерода, влияющих на механическую прочность и дефекты.
• Визуальный осмотр пластин на повреждения, шелушение или изгиб от пиления, полировки или травления.
• Непрерывный мониторинг температуры, давления, концентрации легирующего вещества и чистоты окружающей среды во время производства.
• Электрические тесты для проверки тока, напряжения и сопротивления по стандартам; шунтирующие диоды используют для смягчения эффектов частичного затенения.
• Экологические стресс-тесты — термоциклирование, вибрация, скручивание и град — для обеспечения долгосрочной надежности.
• Полевые тесты на реальных местах установки для захвата реальной производительности и валидации прогнозируемых сроков службы.

Будущее

Несмотря на текущие проблемы с затратами и эффективностью, солнечная отрасль готова к росту. Аналитики предсказывали миллиардный сектор к 2000 году, прогноз, поддерживаемый расширяющимися крышными фотовольтаическими развертываниями в Японии, Германии и Италии. Новые производственные объекты находятся в стадии реализации в Мексике, Китае, Египте, Ботсване и Филиппинах, многие с поддержкой американских фирм.

Текущие исследования фокусируются на снижении затрат и росте эффективности. Инновации включают более дешевые альтернативы кристаллическому кремнию, такие как аморфный кремний, поликристаллический кремний и даже кремниевые солнечные окна, имитирующие фотосинтез. Продвинутые техники захвата света — призматические линзы, многосоединенные ячейки с арсенидом галлия и кремнием — также обещают более высокий захват энергии.

Другие видения включают гибридные дома, интегрирующие солнечные водонагреватели, пассивный солнечный дизайн и фотовольтаические панели для сокращения потребления энергии, а также космические солнечные электростанции, передающие энергию на земные фермы. Перспектива производства солнечных массивов на орбите для будущих космических колоний еще больше иллюстрирует расширяющуюся границу фотовольтаической технологии.