Международный проект по халькогенидным тонкопленочным солнечным батареям

П.П. Гладышев, С.В.Филин, В.Ф. Гременок, Г.С. Хрипунов, В.Б. Залесский, Е.К. Белоногов, В. М. Иевлев, М.Б. Дергачева

Дубна 2010

02.05.2020

1

Организации-соисполнители

• • • • • • • •

Международный Университет «Дубна», Россия, г.Дубна ЦВН НИИ прикладной акустики, Россия, г.Дубна, ООО «НТИЦ "Нанотех-Дубна", Россия, г.Дубна Научно-практический центр НАН Беларуси по материаловедению», Беларусь, г.Mинск Институт Физики НАН Беларуси, Беларусь, г.Mинск Харьковский политехнический институт», Украина, г.Харьков Воронежский государственный, Россия, г. Воронеж Институт органического катализа и электрохимии, Казахстан, г.Алма-Ата

Почему халькогенидные ФЭП?

• Тонкопленочные халькогенидные фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) на основе CdTe и CIGSпозволяют получать до 100 Вт электрической мощности с квадратного метра в средних широтах.

• Преимуществом этих ФЭП является возможность создания лёгких и гибких элементов на основе полимерных пленок и металлических фольг и связанная с этим высокая удельная мощность по весу 2,5 кВт/кг.

26 24 22 GaAs InP AlAs Si 20 18 16 14 12 10 0 0.8

CuInSe 2 1.2

CdTe CuInS 2 CdSe CuGaSe 2 a-Si (range) 1.6

Bandgap, eV 2.0

ZnTe 2.4

Халькогенидные материалы имеют оптимальную ширину запрещенной зоны, хорошо поглощают свет и обладают высокой радиационной стойкостью

10 5 CuInSe 2 CdS 10 4 GaAs a-Si:H 10 3 c-Si Zn P 3 2 InP 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6

Energy (eV)

Все это позволяет формировать эффективные тонкослойные структуры с низкими затратами полупроводниковых материалов  5 μк Substrate структура Superstrate структура

Технические характеристики ФЭП Тип ФЭП Si [1] монокрис Si аморф GaAs [1] трехкаск CIS [2] CIGS CdTe[3] Максимальный теоретический КПД,% КПД лабораторных образцов, % 35 20 35 12,1 42 31 28 17 28 19,9 29 (34) 12-14 КПД промышленных образцов (2009),% Удельная мощность, кВт/кг 14-16,5 0,13 7-10 0,3 26,8 0,2 1,2 13,4 2,0 10,7

2,5

1. http://www.saturn.kuban.ru/2.html 2.

Hamakawa, «Thin-Film Solar Cells: Next Generation Photovoltaics and Its Applications», 2004 3. KHRYPUNOV G., ROMEO A. , KURDESAU F., BÄTZNER D. L., ZOGG H., TIWARI A. N., «Recent developments in evaporated CdTe solar cells», 2006

Время возмещения энергетических затрат на производство ФЭП

Технология производства Время возмещения энергетических затрат 1 , годы Энергия, затраченная на производство, к объему производства энергии 2 , % Кремний монокристаллический Кремний неленточный мультикристаллическ ий 2.7

2.2

10.0

8.1

• • • Кремний ленточный мультик рис таллически 1.7

6.3

й 1. По данным статьи В. Фтенакиса (V. Fthenakis) и Е. Альсема (E. Alsema) «Время возмещения энергетических затрат фотоэлектрических систем, выбросы парников газов и внешние издержки: состояние Теллурид кадмия

1.0

3.7

2. 30 летний период эксплуатации с максимальной расчетной мощностью на конец срока эксплуатации 80%.

Инсоляция - 1700 кВтч/м2 в год; коэффициент эффективности системы – 75%

Рост доли производства тонкопленочных модулей в МВт.

Основные технологии тонкопленочных солнечных элементов

Технологии

•

Для формирования активных слоев данных ФЭП чаще всего используют вакуумные методы, однако в ряде случаев «мокрые» технологии имеют существенные преимущества.

Развиваемые авторами технологии

• • • • • • • •

Термическое напыление и сублимация в вакууме для формирования тонкопленочных солнечных элементов ITO/CdS/CdTe/Cu/Au на стеклянных и полиимидных подложках.

Ионно-лучевое напыление для формирования прозрачного электропроводного слоя SnO2 на подложках.

Магнетронное распыление для нанесения слоев ITO, CdS, CdTe и металлических слоев заднего контакта.

Ионно-плазменное напыление для нанесения металлических прекурсоров (Cu-In-Ga).

Селенизация металлических предшественников в технологии CIGS. Метод химического осаждения в ванне слоя CdS в различных конструкциях ФЭП. Метод пульверизации для формирования слоёв SnO2:F и CdTe. Метод электроосаждения позволяющий получить пленки полупроводников большой площади на стеклоуглеродном и молибденовом электродах.

Стадии изготовления CdTe ФЭП

Структура слоя CdTe

Структура зерен CdTe до и после CdCl 2 обработки

CdTe гибкие солнечные батареии

Достигнутые показатели

•

Лучшая эффективность для гибких CdTe ФЭП

на полиимидных пленках была достигнута с использованием вакуумных методов. Лабораторные образцы гибких CdS/CdTe ФЭП на полиимидных пленках имеют эффективностью 11,4%, КПД гибких микромодулей составляет 5,4%.

Стадии изготовления CIGS ФЭП

очистка подложек магнетронное напыление Mo напыление прекурсоров Cu,In,Ga (терм., ионно луч., эл-луч.) селенизация в парах Se контроль качества плёнок хим. осажд. CdS буферного слоя или напыление In 2 S 3 магнетронное напыление i-ZnO магнетронное напыление ZnO Al нанесение Ni-Al контактной сетки механическое скрайбиров.

образцов контроль параметров СЭ

ZnO Буферный слой Cu(Ga,In)Se 2 Mo Подложка 1 0,01 2 1 1,5 мкм мкм мкм мкм мм

Гибкие CIGS солнечные элементы



(%) = 5.5 – 6.0 %

SEM пленки CIGS на Mo фольге

cross-section image of a different parts of film with and without MoSe 2 sublayer

Достигнутые показатели

•

Лучшая эффективность лабораторных образцов CIGS ФЭП

достигает 11%. Ожидается, что оптимизация процессов позволит создать устойчивые технологии производства солнечных ячеек Cu(In,Ga)Se2 с эффективностью выше 15% на стеклянных и 10-12% на металлических подложках.

Преимущества гибких халькогенидных ФЭП

• Низкая цена при массовом производстве • Простота реализации технология “roll to roll” открывает перспективы промышленного производства • Значительное уменьшение расхода полупроводниковых материалов ввиду малой активных слоев ( от нескольких десятков нм до нескольких микрон) • Тонкая легкая гибкая подложка вместо стеклянной подложки, которая составляет свыше 98% от полного веса обычных солнечных батарей • Исключительная радиационная стойкость по сравнению Si и GaAS ФЭП открывает хорошие перспективы для использования в космосе

Повышение эффективности за счет люминесцентной конверсии

ФЭП CdTe/CdS ЛФ 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 350 450 550 650 длина волны, нм ФЭП CdTe/CdS + ЛФ

Спектральный отклик ФЭП с люминесцентным фильтром и без него ФЭП ФЭП с ЛФ

750 850 950

Организации-соисполнители

• • • • • • • •

Международный Университет «Дубна», Россия, г.Дубна ЦВН НИИ прикладной акустики, Россия, г.Дубна, ООО «НТИЦ "Нанотех-Дубна", Россия, г.Дубна Научно-практический центр НАН Беларуси по материаловедению», Беларусь, г.Mинск Институт Физики НАН Беларуси, Беларусь, г.Mинск Харьковский политехнический институт», Украина, г.Харьков Воронежский государственный, Россия, г. Воронеж Институт органического катализа и электрохимии, Казахстан, г.Алма-Ата

Спасибо за внимание !