АТЛАНТА, Джорджия. Исследователи успешно вдвое сократили время, необходимое для изготовления кремниевого солнечного элемента, не снижая при этом его производительности. Это достижение должно снизить стоимость солнечной энергии.
Используя быструю термическую обработку (RTP), исследователи из Технологического института Джорджии изготовили солнечный элемент с таким же рейтингом эффективности - 18 процентов - как и при обычной обработке в печи. Они создали ячейки за 8 1/2 часов, по сравнению с 17 часами, необходимыми для ячейки, обработанной в печи.
В отдельном процессе исследователи также интегрировали RTP с трафаретной печатью, альтернативным методом нанесения металлических контактов ячейки, что еще больше сократило время обработки до 1 1/2 часа.
«Если мы сможем сделать солнечные элементы очень быстрыми по сравнению с тем, что делается сегодня в промышленности, это, очевидно, уменьшит использование химикатов, газов и рабочей силы, а также увеличит производственные мощности и пропускную способность», - сказал доктор. Аджит Рохатги, профессор Технологического института электротехники и вычислительной техники Джорджии. «Это может привести к значительному снижению затрат».
Рохатги представил доклад об этих результатах под названием «Высокоэффективные кремниевые солнечные элементы RTP за счет быстрой термической диффузии и окисления» во время 14-й Европейской конференции и выставки по фотоэлектрической солнечной энергии в Испании, которая завершилась 4 июля. Доклад был написан Рохатги., аспирант Параг Доши и инженер-исследователь Сачин Камра.
Исследование было проведено в рамках Центра передового опыта в области фотоэлектрических исследований и образования (UCEP) Технологического университета Джорджии, созданного Министерством энергетики США и поддерживаемого Национальными лабораториями Сандия.
Сторонники фотогальваники - прямого преобразования солнечного света в электричество - говорят, что она предлагает чистую, устойчивую альтернативу традиционным источникам энергии, которые являются невозобновляемыми, создают загрязнение и способствуют глобальному потеплению. Несмотря на значительные успехи, достигнутые за последние два десятилетия, фотоэлектрическая энергия остается примерно в четыре раза дороже, чем энергия, производимая из ископаемого топлива. Исследователи GeorgiaTech изучают несколько способов снижения этих затрат без ущерба для производительности.
«Моя цель - сократить время обработки ячеек до диапазона от получаса до одного часа», - сказал Рохатги, который также является директором UCEP. «Люди пробовали это, но когда они сократили время, эффективность резко упала».
Быстрая термическая обработка использует некогерентное излучение в качестве источника оптической и тепловой энергии. Взаимодействие фотонов высокой энергии с веществом приводит к тепловым и фотофизическим эффектам, которые значительно уменьшают энергию активации для различных полупроводниковых процессов, таких как диффузия, тем самым уменьшая время обработки и температуру, необходимые для изготовления солнечного элемента. В традиционной печной обработке отсутствуют эти высокоэнергетические фотоны, и требуется большее время термического цикла и температура.
Быстрый термический процесс Технологического института Джорджии состоит из трех этапов: трехминутная быстрая термическая диффузия, которая одновременно формирует переднюю и заднюю часть кремниевого солнечного элемента; пятиминутное быстрое термическое оксидирование (РТО) передней поверхности эмиттера; и нанесение металлических контактов методом напыления и фотолитографии.
В текущем промышленном производстве передняя и задняя диффузии выполняются отдельно. Каждый шаг занимает от одного до трех часов, и клетки необходимо очищать между каждой процедурой. Затем солнечный элемент возвращается в высокотемпературную печь для процесса, называемого пассивацией, при котором оксид выращивается на передней поверхности элемента.
Хотя пассивация улучшает производительность, многие производители отказываются от нее, чтобы сэкономить деньги и увеличить производительность. Процесс RTO Технологического института Джорджии предлагает быстрый способ включения этого шага.
Формирование металлических контактов путем испарения и фотолитографии составляет более 80 процентов процесса RTP в Технологическом институте Джорджии. Хотя эти процедуры обеспечивают хорошее разрешение и проводимость, коммерческие производители часто используют вместо этого трафаретную печать - альтернативный метод добавления металлических контактов к солнечному элементу. Трафаретная печать выполняется быстрее, но производит менее эффективные ячейки.
Исследователи Технологического института Джорджии успешно интегрировали трафаретную печать с RTP в 1996 году и с тех пор повысили эффективность ячеек с 14,7% до 16,3%. Они надеются увеличить его до 18 процентов - такого уровня уже достигнуто для элементов, полученных с помощью RTP и фотолитографии, - с дальнейшими модификациями. К ним относятся добавление быстрого термического окисления, алюминиевая задняя поверхность с трафаретной печатью (для предотвращения потери генерируемых светом носителей для рекомбинации на обратной стороне) и текстурирование поверхности (для уменьшения количества света, отраженного от передней поверхности, и улавливания большего количества света в ячейку)..
«Сегодня промышленные элементы, изготовленные из кристаллического кремния, составляют от 11 до 15 процентов», - сказал Рохатги. «Если мы преуспеем в том, что мы делаем, мы в конечном итоге будем производить клетки, близкие к 18 процентам, менее чем за половину или одну треть времени».
В статье, представленной в Барселоне, исследователи также использовали моделирование и анализ, чтобы показать, как эти же модификации могут улучшить клетки, полученные с помощью RTP и фотолитографии. В конце июня они произвели солнечный элемент с эффективностью 19 процентов, что является самым высоким показателем, когда-либо достигнутым с помощью недорогого и быстрого (без использования печи) процесса. Они объявят подробности этой осенью на 26-й конференции специалистов по фотогальванике IEEE, которая состоится в Анахайме, Калифорния.
Ключом к внедрению этой технологии в промышленность, по словам Рохатгисаида, является разработка машины периодического или непрерывного действия для производства нескольких ячеек, возможно, от 500 до 1000 в час. Исследователи совершенствуют свои методы на машинах, которые производят только одну клетку за раз, и они также работают с клетками площадью 4 квадратных сантиметра. Стандартный размер в отрасли составляет 100 квадратных сантиметров.
Один производитель недавно разработал RTP-машины, которые могут одновременно обрабатывать ячейки площадью 100 квадратных сантиметров, но Технологические исследователи Джорджии сотрудничают с партнерами в промышленности, правительстве и других университетах, чтобы создать машину, которая может еще больше увеличить производительность.
Georgia Institute of Technology Research Communications Office223 Centennial Research BuildingAtlanta, Georgia 30332-0828
СВЯЗИ С СМИ КОНТАКТЫ: Аманда Кроуэлл (404-894-6980) или Джон Тун (404-894-6986); Факс (404-894-6983); Интернет: или
ТЕХНИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ: д-р Аджит Рохатги (404-894-7692); Интернет:
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ: Цветные слайды доктора Рохатги, демонстрирующие новый процесс, и крупный план полученной клетки.