Солнечная энергетика

Солнечные батареи уже более 50 лет являются основным источником энергопитания космических аппаратов, и в ближайшие десятилетия «околосолнечная» космическая энергетика будет основана преимущественно на полупроводниковых фотоэлектрических преобразователях. Повышение требований к бортовым системам космических аппаратов приводит к необходимости создания солнечных батарей (СБ), обладающих улучшенными энергетическими и эксплуатационными характеристиками и увеличенным ресурсом работы. Путем решения этих задач является повышение энергоэффективности каскадных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) на основе гетероструктур из арсенида галлия и родственных ему соединений.

Учеными ФТИ им. А.Ф.Иоффе был внесен важный вклад в создание высокоэффективных гетероструктурных фотопреобразователей и космических батарей на их основе. Впервые в мире гетероструктурные AlGaAs/GaAs солнечные элементы были получены в 1969 году именно в ФТИ. С использованием результатов этих работ в НПО «Квант» было организовано промышленное производство нового поколения космических солнечных батарей, характеризующихся повышенной эффективностью и улучшенной радиационной стойкостью. Одна из таких батарей площадью 70 м2 была установлена в 1986 году на базовом модуле Космической станции «Мир» и проработала на станции весь срок эксплуатации без заметного снижения мощности. За последние 20 лет в ФТИ накоплен значительный опыт по созданию каскадных фотопреобразователей (http://pvlab.ioffe.ru). С использованием разработанной в ФТИ технологии в 2011 году было организовано опытное производство каскадных космических батарей на предприятии ОАО «Сатурн» (г. Краснодар). Использование каскадных СБ обеспечивает приблизительно двукратное увеличение удельного энергосъема и пропорциональное уменьшение размеров СБ, увеличение ресурса работы, а также снижение расхода топлива на доставку СБ на орбиту, ориентацию и стабилизацию космического аппарата.

Одним из актуальных направлении развития экономики России является освоение инновационных научно-технических решений в области создания интеллектуальных энергосистем на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), предназначенных для повышения надежности и эффективности энергоснабжения населенных пунктов удаленных от централизованных сетей, а также развиваемых в регионах туристско-рекреационных зон, объектов бюджетной сферы, предприятий и других потребителей. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии является наиболее перспективным направлением возобновляемой энергетики. В 2017 г. в мире было установлено солнечных батарей мощностью более 230 ГВт и темпы роста составляют 40-50 ГВт в год.

Основным барьером в увеличении темпов развития фотоэнергетики является относительно высокая стоимость «солнечной» электроэнергии. Путями снижения стоимости являются: повышение КПД фотоэнергосистем и уменьшение расхода материалов для батарей. Эти цели достигаются в концентраторных фотоэнергосистемах нового поколения на основе гетероструктурных каскадных фотопреобразователей с КПД близким к 40% при концентрированном солнечном излучении. В этих фотоэнергосистемах обеспечивается снижение в 500-1000 раз площади и стоимости солнечных элементов пропорционально кратности концентрирования солнечного излучения.

В ФТИ разработаны наземные каскадные фотопреобразователи и солнечные фотоэнергоустановки на их основе с концентраторами солнечного излучения. Сейчас КПД наземных каскадных GaInP/GaAs/Ge фотопреобразователей превышает 37%, что в 2-3 раза выше, чем в существующих кремниевых и тонкопленочных солнечных батареях. Увеличение КПД каскадных фотопреобразователей достигнуто за счет «расщепления» солнечного излучения на несколько спектральных интервалов и осуществления более эффективного преобразования энергии фотонов каждого из этих интервалов в определенной части полупроводниковой структуры.

Модули с концентраторами излучения должны быть все время точно ориентированы на Солнце. В разработанных фотоэлектрических установках модули расположены на электронно-механической системе слежения, снабжённой датчиком положения Солнца. Такое конструктивное решение способствует снижению влияния ветровых нагрузок. Работая в полностью автоматическом режиме, установки расходуют на собственные нужды лишь около 0,1% от энергии, генерируемой размещенными на них модулями.

Разработанные энергоустановки нового поколения с концентраторами солнечного излучения открывают перспективы существенного снижения стоимости получаемой электроэнергии за счет снижения площади солнечных элементов пропорционально кратности концентрирования солнечного излучения и увеличения в 2-3 раза удельной (с единицы площади) мощности батарей. Прецизионное отслеживание положения Солнца и улучшенная температурная стабильность КПД приводит к дополнительному увеличению на 30-40% количества электроэнергии, вырабатываемой концентраторными солнечными фотоэнергоустановками по сравнению с традиционными батареями без систем слежения.


Фотоэнергоустановка на трекере башенного типа (1 кВт) на основе 2 592 каскадных ФЭП


Фотоэнергоустановка на трекере башенного типа (1 кВт) на основе 2 592 каскадных ФЭП

Другим направлением развития солнечной энергетики является использование тонкопленочных солнечных элементов, в частности на аморфном гидрогенизированном кремнии. Интерес к технологии тонкопленочных гидрогенизированных материалов на основе кремния в развитых странах инициирован экономическими соображениями и ее уникальными свойствами, позволяющими осаждать полупроводниковые и диэлектрические материалы приборного качества с характерной толщиной в сотни нанометров на площадях порядка несколько квадратных метров при температурах совместимых с использованием стекла и пластиков, что удовлетворяет требованиям электроники крупномасштабных устройств и является конкурентным преимуществом в фотовольтаике.

Несмотря на то, что в настоящее время преобладают фотовольтаические преобразователи на основе монокристаллических материалов, доля тонкопленочной кремниевой фотовольтаики неуклонно растет, что связано с повышением ее эффективности, снижением себестоимости, большей энергоэффективностью и экологической чистотой технологии. В ФТИ начиная с 80-х годов проводятся работы в области технологии и физики этих материалов. Имеется существенный задел и внесен важный вклад в понимание процессов генерации и рекомбинации носителей в этих материалах, продемонстровны широкие  возможности их использования в оптоэлектронике больших площадей

Учитывая накопленный опыт в работе с этими материалами феврале прошлого года компанией Хевел при поддержке Реновы и Роснано совместно с ФТИ им. Иоффе был запущен первый в России научно-технический центр (http://tv-tc.ru), специализирующийся на проведении научно-исследовательских работ в области солнечной энергетики с трансфером последующих разработок на существующую промышленную площадку на заводе ОАО «Хевел» в г.Новочебоксары мощность 120 Мвт/ год.

В рамках этого проекта планировалась разработка трехкаскадного солнечного модуля, улучшение оптического поглощения света в активных слоях модуля, улучшение качества активных слоев в каскадах и гетеропереходов, улучшение дизайна модулей. Ожидаемый результат от этих улучшений - увеличение КПД модулей до 14–15 %.  Резкое снижение цен на кристаллический кремний с 300 до 20 $/кГ за последние 5 лет заставило заняться задачей модернизации действующего производства ООО “Хевел”, под новую конкурентноспособную продукцию,  используя  существующие технологические линии завода.

Решение, апробированное в НТЦ на технологическом оборудовании идентичном тому, которое имеется на ООО “Хевел”, состоит в использовании технологии изготовления солнечных элементов (СЭ) на основе кристаллического кремния  (Heterojunction with Intrinsic Thin layer), базирующейся на формировании гетеропереходов  a-Si:H/c-Si/a-Si:H.  В условиях НТЦ, близких к производству, КПД составил 21%, что позволяет производить конкурентноспособную продукцию.

Описание технологии HJT

HJT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer) технология была первоначально предложена компанией Sanyo Electric в 1991 г. Эта технология основана на применении низкотемпературной технологии формирования гетеропереходов при помощи тонких пленок гидронезированного аморфного кремния (a-Si:H), нанесенных на поверхность пластины кристаллического кремния (c-Si) методом плазмохимического осаждения (см. Рис.) Таким образом, HJT технология является гибридом классической технологии на основе c-Si и тонкопленочной технологии на основе a-Si:H.

В качестве основы для изготовления солнечных элементов (СЭ) по технологии HJT используют пластины кристаллического кремния с электронным типом проводимости (n-тип). Для изготовления HJT элементов с эффективностью 20 % используют пластины толщиной около 200 мкм с временем жизни неосновных носителей заряда около 1 мс, при этом эффективность солнечных элементов HJT растет с уменьшением толщины пластины и увеличением времени жизни неосновных носителей заряда. Основными технологическими операциями, необходимыми для изготовления солнечных элементов по технологии HJT, являются:

  1. Обработка пластин кремния в растворах кислот и щелочей. Необходима для: удаления дефектного (нарушенного) слоя образующегося в процессе нарезки пластин из слитка кремния; создания специального пирамидального рельефа на поверхности с целью увеличения поглощения света в пластине; очистки поверхности пластины;

 Схематическое изображение конструкций классического СЭ на основе c-Si, HJT СЭ и тонкопленочного микроморфного СЭ

  1. Нанесение слоя нелегированного (собственного) аморфного кремния толщиной около 5 нм для пассивации поверхности пластин и формирование гетеропереходов при помощи легированных слоев аморфного кремния с электронным и дырочным типом проводимости и толщиной 10-15 нм, наносимых на обе поверхности пластин (см. рис. 2.1-1). Операции осуществляется при помощи плазмохимического осаждения в системах Используемые пленки аморфного кремния в основном аналогичны применяемым в микроморфной технологии для формирования верхнего (аморфного) каскада.
  2. Нанесение на обе поверхности пластины электродов, необходимых для собирания носителей заряда, генерируемых поглощаемым светом. В качестве лицевого электрода обычно используют слой оксида сплава индия и олова (ITO) толщиной около 100 нм, обладающий высокой проводимостью и прозрачностью в видимом и ближнем инфракрасном (ИК) диапазонах света. В качестве тыльного электрода используют слой металла, в основном серебра, с типичной толщиной 300 нм, нанесенный поверх подслоя ITO играющего роль диффузионного барьера для атомов металла и снижающего потери отражения ИК света от тыльного электрода вследствие поглощения на свободных носителях. Электроды, как правило, наносятся методом магнетронного распыления мишени.
  3. Формирование контактной сетки необходимой для снижения омических потерь (сопротивления) и осуществления коммутации солнечных элементов в составе

Солнечные элементы, изготовленные по технологии HJT, сочетают преимущества классических диффузионных элементов на основе c-Si и тонкопленочных элементов на основе аморфного кремния. Их эффективность на сегодняшний день достигает 24,7% для образцов с двухсторонними контактами и 25.7 % для образцов с односторонними контактами, что соответствует уровню рекордных величин для монокристаллического кремния. В то же время, подобно солнечным элементам на основе аморфного кремния, солнечные элементы HJT имеют низкий, по сравнению с классическими СЭ на основе c-Si, температурный коэффициент снижения мощности (см. Таблицу 2.1-1), что увеличивает выработку электроэнергии в реальных условиях эксплуатации. Кроме того, низкотемпературный процесс формирования таких структур позволяет использовать более тонкие пластины c-Si, и следовательно, снизить расходы материала, что невозможно в классической кремниевой технологии вследствие деформации пластин c-Si во время формировании перехода диффузией при высоких температурах.

Таблица 2.1-1. Сравнение характеристик солнечных элементов HJT и классических элементов на основе кристаллического кремния

   Опыт ФТИ им.А.Ф.Иоффе в области разработки новых типов преобразователей солнечной энергии и создании энергосистем на их основе неоценим при формировании национальных программ в области возобновляемых источников энергии.

Для дальнейшего развития солнечной фотоэнергетики в РФ требуется решение следующих задач:


Руководители направления: Теруков Евгений Иванович, Панайотти Ирина Евгеньевна

Информация © 2015-2017 Университет ИТМО
Разработка © 2015 Департамент информационных технологий