Новий метод виготовлення високоефективних сонячних елементів, Нанотехнології Nanonewsnet
Інженери з американського Університету Юта розробили новий спосіб нанесення германієвого покриття для використання у потужніших сонячних елементах. За задумом вчених, новий метод знизить вартість сонячних елементів за рахунок зниження втрат та ламкості крихкого напівпровідникового компонента.
«Дорогі сонячні елементи використовуються головним чином у космічних кораблях, але у разі вдосконалення методу нанесення германію таке обладнання можна буде використовувати для отримання сонячної енергії на Землі, – міркує професор Еберхард Бамберг (Eberhard «Ebbe» Bamberg). – І розмістити їх навіть на вашому даху».
У сучасній практиці отримання сонячних пластин покриті латунню сталеві леза використовуються для отримання круглих пластин германію з монокристалічних циліндричних заготовок. Але такі тендітні хімічні елементи легко ламаються, а їх зламані частини знову йдуть на переробку. Товщина пластин і втрати германію при використанні такого методу дуже суттєві, метод нарізування спочатку був винайдений для силіконових пластин, у 100 разів міцніших.
Новий метод нанесення пластин для сонячних батарей заснований на методі WEDM – дротяному електроерозійному вирізуванні. У цьому методі використовуються дуже тонкі дроти з молібдену, якими протікає електричний струм. Раніше цей метод використовувався виготовлення металевих деталей.
Німеччина є найбільш ефективним напівпровідниковим матеріалом для нижнього шару сонячних батарей, але його використовує в основному NASA у військових та комерційних супутниках, оскількивін дуже дорогий – його вартість близько 680 доларів за фунт. Чотирьохдюймова пластина коштує близько 100 доларів. Новий метод знижує цю вартість на 10%. Це означає і зниження вартості кіловат-години отримуваної енергії, і ширше використання сонячної енергії. Подальше завдання – перевести нову технологію у масове та комерційне виробництво. Зараз проводиться патентна перевірка на використання відомого дротяного методу в розширеному діапазоні завдань, у тому числі для нанесення германію, масове використання цього методу Бамберг порівнює з яйцерізкою.
Опускаючи високоефективні сонячні батареї на Землю
Німеччина використовується як напівпровідник у нижньому шарі «многостикових» сонячних елементів. Вище за нього розташовані шари галій-індій-арсеніду і галій-індій-фосфіду. Усі шари працюють разом, уловлюючи різні довжини хвиль у сонячному світлі, а германій служить також субстратом, у якому «вирощуються» такі сонячні елементи. Коли сонячне світло потрапляє на сонячний елемент, його енергія перетворюється на енергію перетікаючих електронів, тобто на електрику.
Сонячні елементи, що використовуються зараз на Землі, засновані на силіконі, мають ефективність всього лише в 20 відсотків. У космосі германієві батареї перетворюють 28 відсотків сонячної енергії на електрику, але Землі під час використання сонячних концентраторів теоретично вони можуть мати потужність понад 50 відсотків.
Незважаючи на велику ефективність германієвих сонячних елементів, дослідження 2005 року показали, що 94 відсотки використовуваних батарей – силіконові, оскільки вони дешевші і менш тендітні, ніж германієві. Щоб зробити германієві батареї економічно більш привабливими, наприклад, для використання на дахах будинків, вагаі розмір сонячних панелей має бути зменшений, вони мають стати естетичнішими. Новий метод може підштовхнути германієві батареї до конкуренції із силіконовими на ринку.
Менше втрат, більше шарів
У новому методі молібденові дроти використовуються як електрод, який контактує з пульсуючим протягом процесу розрізання джерелом енергії. Германієвий монокристалічний циліндричний злиток знаходиться в горизонтальному положенні, і дроти безперервно простягаються через злиток, розмотуючи з котушки. Тонка синтетична олія подається на дроти для збільшення електричного заряду та видалення розплавленого матеріалу з процесу. Процес протікає повільно. Щоб розрізати кристал, потрібно 14 годин безперервного WEDM-процесу. Оскільки германій тендітний, процес має здійснюватися акуратно. Бамберг сподівається пришвидшити його до 6 годин.
Звичайні WEDM-дротяні леза виготовлені з покритої латунню стали товщиною 170-180 мікронів (мільйонних часток метра). Дослідники з Університету Юта використовують молібденовий дріт 75–100 мікронів, трохи товщі за людське волосся. Найменші втрати германію в процесі різання обумовлені меншою товщиною дроту. При використанні 75-мікронних дротів можна отримати не лише менші втрати, а й більшу кількість пластин.
«Стандартні пластини, які ми отримуємо, 300 мікронів завтовшки, – розповідає Бамберг. – І ми можемо отримати на 30% більше пластин, використовуючи 75-мікронні дроти. З того часу, як ми робимо менш крихкі пластини, ми змогли зменшити їх товщину. Тепер ми працюємо зі 100-мікронною пластиною, яку отримуємо за допомогою розрізання 75-мікронними проводами, таким чином отримуючи на 57 відсотків більше пластин із тієї ж кількості вихідногоматеріалу. Це дуже велика цифра. Роблячи шари тоншими, ми також зменшуємо їх вартість».
Для розрізання 2.6-дюймових монокристалів на 350-мікронні шари зменшуються і «керф» – втрати германію протягом процесу. Виграш становить 22 відсотки при використанні 75-мікронних дротів у порівнянні зі звичайною різкою. Дослідження також показали, що втрати германію залежать не тільки від товщини дротяного леза, але і від електричного заряду, що подається на нього.
Дослідження спонсоруються NSF (National Science Foundation), Дослідницьким Фондом Університету Юта та Sylarus Technologies.