ОТРИМАННЯ КЛАСИЧНИХ ФОТОЕЛЕМЕНТІВ
Фотоелемент – це основний компонент будь-якої сонячної електрогенеруючої системи. Сьогодні у світовій практиці знаходять застосування сонячні елементи (фотоелементи) та панелі, отримані за різними технологіями та на базі різних напівпровідникових матеріалів. Класичним прикладом сонячного елемента є прилад, створений на пластині монокристалічного кремнію за технологією виготовлення класичних діодів.
У попередньому розділі було показано, що сонячний елемент це великий напівпровідниковий діод з р-n переходом, який орієнтований. Можна помітити, що струм короткого замикання збільшується зі збільшенням температури, але напруга розімкнутого ланцюга знижується. Оптимальні робочі точки позначені кружками на кривих. Максимальна потужність фотоелемента при постійному освітленні і, отже, коефіцієнт корисної дії, зменшується зі збільшенням температури поверхні, що паралельно освітлюється. Він виготовляється на пластині напівпровідникового матеріалу, головним чином кремнію. У пластині створюються області з р- та п-типом провідності. Принципові схеми планарного фотоелемента та сонячного елемента з ме-за-структурою наведено на рис. 8.1 а, б.
Мал. 8.2. Схема виробництва кремнію – сировини для виготовлення фотоелементів
Основою СЕ є р-n перехід, який виконує функцію поділу утворюються в результаті впливу фотонів сонячного випромінювання електронно-діркових пар. Технологічний цикл отримання фотоелемента є комплексом операцій, аналогічних операціям технологічного циклу виготовлення напівпровідникових діодів.
Вихідною сировиною для виготовлення сонячних елементів є монокристалічний злитоккремнію, що часто вирощується з розплаву методом Чохральського. Технологічний ланцюжок виготовлення кремнію для сонячних елементів досить довгий. Для цього використовуються різні технології. Один приклад ілюструється схемою на рис. 8.2.
Кристали кремнію вирощуються у спеціальних тиглях із нейтрального тугоплавкого хімічно стійкого матеріалу (нітрит бору, гексоборид лантану, кварцу тощо). Висота монокристалу кремнію, що вирощується, становить кілька метрів, діаметр трохи більше діаметра майбутньої підкладки. Зовнішній вигляд монокристалу кремнію можна побачити на рис. 18.13. Вихідною сировиною для отримання монокристалів є попередньо отриманий полікристалічний кремній (див. рис. 18.10), очищений від домішок до заданого рівня.
ня. Кремній є найважливішим матеріалом сонячної фотоенергетики, і питання його отримання більш детально будуть розглянуті окремо.
Далі здійснюють наступні операції.
Монокристалічні або полікристалічні зливки (рис. 18.13 та 18.14) розрізаються у поперечному напрямку на пластини, які є основою сонячних елементів. Якість різання останнім часом помітно покращала. Зокрема, рівень та якість виготовлення установок дротяного різання суттєво зросли. Попередня технологія дозволила забезпечувати мінімальну товщину пластин d=300 pm, сьогодні це вже d=100 pm. Втрати при різанні були зменшені у тих самих пропорціях. Очевидно, що це сприяє збереженню кремнієвого матеріалу та енергії, необхідної для виробничого процесу, і, таким чином, забезпечує більш ефективне виробництво. Нарізані пластини, представлені на Гамбурзькій виставці 2009 р., показано на рис. 18.15. Полікристалічні пластини видно зліва, а монокристалічніправоруч.
Різання монокристалічного зливка на пластини - відповідальна операція, оскільки необхідно забезпечити високу якість різання. Пластини повинні бути досить механічно міцними, придатними для подальших операцій з виготовлення сонячного елемента, з одного боку, і бути досить тонкими, щоб забезпечити економію кремнію, дорогого і дефіцитного матеріалу. Для цих цілей використовують спеціальні верстати дротяного різання. Потім слідує шліфування пластин з двох сторін, травлення пластин для зняття утвореного при шліфуванні механічно порушеного шару (хімічне, електрохімічне, плазмохімічне та ін.).
Тепер, після необхідної підготовки пластин, можливе проведення відповідальної операції - створення р-n переходу, який є головним компонентом сонячного елемента.
Як методи створення областей р- і n-типу можуть використовуватися різні технології, у тому числі дифузія домішок або епітаксійне нарощування одного напівпровідникового шару на інший з протилежним типом провідності.
Дифузія - це метод, що найбільш широко застосовується формування р-п переходу в сонячному елементі. Існує кілька варіацій технологічного процесу проведення дифузії. Дифузію домішок напівпровідникову пластину проводять у спеціальних дифузійних печах при температурі порядку 1000 - 1100°С. Для цього належним чином підготовлені пластини кремнію розміщують у спеціальних касетах, що вводяться в дифузійну піч. Процес завантаження касет із пластинами кремнію в дифузійну піч представлений на рис. 18.118. Це один із найважливіших технологічних прийомів. Мал. 18.16 показує дифузійну піч чеського виробника (SVCS Ltd), встановлену у Наньцзіні (Китай). На рис. 18.102 показано демонстраціюдифузійної печі SVCS Ltd на виставці у Гамбурзі (ФРН, 2009 р.).
Цей технологічний процес використовувався від початку розвитку виробництва сонячних елементів. Пізніше стали використовувати інший техно - 96
логічний прийом - епітаксійне нарощування. Процес цей спочатку отримав розвиток в електронній техніці, де успішно використовувався процесах виготовлення епітаксійних структур для подальшого виготовлення великих (ВІС) і надвеликих (СВІС) інтегральних схем. У міру вдосконалення та здешевлення цього технологічного процесу, з одного боку, та ускладнення конструкцій сонячних елементів нового типу епітаксійна технологія стала економічно доступною та затребуваною в технології сонячних елементів.
Епітаксія - це процес, в якому на відміну від дифузії сильнолегований шар утворюється не в тілі кремнієвої пластини, а формується шляхом епітаксійного нарощування нового шару протилежного кремнію типу провідності на існуючу поверхню кремнієвої пластини. Механізм епітаксійного нарощування легованих шарів кремнію на кремній (автоепітаксія) легко зрозуміти з розшифровки терміну епітаксія. Слово це утворюється від двох грецьких слів: "епі" - на, над, а "таксис" - розташування в порядку, упорядкування. Це означає, що при епітаксійному нарощуванні кремнію на монокристалічну пластину - підкладку утворюється монокристалічний шар кремнію з новими електрофізичними властивостями.
Процес епітаксійного нарощування гнучкіший, порівняно з процесом дифузії, і надає більше можливостей для формування структури із заданими параметрами, такими як питомий опір та профіль розподілу легуючої домішки [106 - 109].
Технологія керованоголегування в процесі епітаксійного нарощування напівпровідників було відпрацьовано для вирішення завдань електронної техніки. Успішно вона застосовується і під час вирішення завдань отримання високоефективних сонячних елементів. Існує кілька різновидів процесів епітаксійного нарощування, у тому числі три види епітаксії: газофазова епітаксія (ГФЕ); рідкофазова епітаксия (ЖФЕ) та молекулярнопроменева (МЛЕ).
Після того, як структура з р-n переходом готова, формуються нижній і верхній електричні контакти, причому нижній контакт, у загальному випадку, суцільний, а верхній виконується у вигляді сітки (тонкі смуги, з'єднані з відносно ширшою токосбірною шиною). 8.3,а) У ряді випадків (двосторонні елементи) та нижній контакт виконується у вигляді струмознімальної сітки, щоб забезпечити надходження світла та з зворотного боку приладу.
Фронтальна поверхня елемента зазвичай покривається антивідбиваючим шаром, щоб мінімізувати відображення і оптимально використовувати радіацію, що надходить. Тому елементи із найвищою ефективністю виглядають як чорні. Якщо потрібні певні специфічні властивості, на лицьову поверхню наноситься тонкий прозорий шар спеціального матеріалу, що дозволяє збільшити інтенсивність відбитої радіації визна-
Деякі різновиди сонячних елементів показано на рис. 8.3.