Главный диэлектрик

Эволюция фотоэлектрических панелей. PERC, PERT, PERL – что дальше?

В начале июня были обнародованы имена двух лауреатов премии «Глобальная энергия» за 2018 г. Один из них, австралиец Мартин Грин, удостоен высокой награды за исследования и разработки в области фотовольтаики. Изобретённые Мартином Грином солнечные элементы PERC (Passivated Emitter and Rear Contact) сегодня становятся фактическим стандартом во всём мире. Давайте поближе с ними познакомимся.

Сразу следует отметить, что, в отличие от металлов, для которых термин «пассивирование» означает снижение химической активности с помощью защитной плёнки, полупроводники нужно диэлектрически пассивировать для уменьшения паразитной рекомбинации носителей заряда.

Рис. 1 Структура солнечных элементов разных типов
Рис. 1. Структура солнечных элементов разных типов

На этапах организации массового производства кремниевых солнечных элементов (СЭ), в 1980-х, когда их производители мыслили мега-, а не гигаваттными категориями, большинство СЭ изготавливалось по технологии Al-BSF (Back Surface Field) с алюминиевым покрытием тыльной поверхности, которое пассивировало полупроводник внутренним электрическим полем (см. рис. 1). Диэлектрическое пассивирование контакта тогда вообще не применялось.

На фронтальную поверхность (эмиттер) чаще всего наносился диэлектрический слой оксида титана TiO2 путём распыления раствора или химического осаждения паров при атмосферном давлении (APCVD). Благодаря подходящему показателю преломления и небольшому паразитному поглощению света этот слой служил в первую очередь антиотражающим покрытием. Пассивирование эмиттера также не применяли – ни поверхностное, ни объёмное. Несмотря на то, что солнечная энергетика развивается взрывообразно, технология Al-BSF широко используется и поныне.

Каковы минусы этой технологии? Часть солнечного света, которая прошла через полупроводник, не выбив электроны, доходит до тёмного контакта кремний/алюминий, где просто поглощается, вызывая лишний нагрев СЭ. Кроме того, некоторые электроны ухитряются пройти через толщу базы и добраться до заднего контакта, в результате вырабатываемый ячейкой ток частично замыкается внутри неё.

На троне – Нитрид Кремния

Случившаяся в 1990-х «Первая диэлектрическая революция» ознаменовала конец эры TiO2. Несколько институтов и компаний (австралийский Университет Нового Южного Уэльса, Mobil Solar, Kyocera, Imec и др.) разработали перспективный технологический процесс покрытия поверхности СЭ нитридом кремния. Полученный при этом тип СЭ с пассивированным эмиттером получил название PERC (Passivated Emitter Rear Cell). Существуют также СЭ типа PERL (Passivated Emitter Rear Locally diffused) и PERT (Passivated Emitter Rear Totally diffused).

Одновременно были созданы два варианта техпроцесса: на основе низкотемпературной плазмы (PECVD) и высокотемпературной плазмы при низком давлении. В дальнейшем первый вариант оказался более эффективным и гибким.

Суть революции можно описать двумя словами: водородное пассивирование. Водород, содержащийся в слое PECVD-SiNx:H, освобождается в процессе нагрева при трафаретной печати контактов, обеспечивая пассивирование поверхности эмиттера и объёма материала. С тыльной стороны СЭ формируется отражающий слой, в результате эффективность элемента заметно увеличивается (на 1–1,5 процентных пункта, или около 10%). Особенно это актуально для СЭ из поликристаллического кремния, менее качественного по сравнению с монокристаллическим.

Более того, при этом значительно упрощается сам техпроцесс, т. к. при вжигании печатных контактов сквозь слой SiNx:H за одну технологическую операцию обеспечиваются эффективное пассивирование эмиттера и образование структуры Al-BSF на тыльной поверхности СЭ.

Пассивирование фронтальной поверхности пластины позволило снизить степень легирования эмиттера, что, в свою очередь, облегчило разработку новых серебросодержащих паст (образуют печатные проводники), хорошо контактирующих с высокоомными эмиттерами. В конечном счёте, у технологии PECVD-SiNx:H оказался только один реальный недостаток – необходимость применять дорогое вакуумное осаждение. Но практика свидетельствует, что преимущества процесса значительно перевешивают этот недостаток. На протяжении двух десятилетий многие изготовители СЭ внедрили PECVD-осаждение в различных вариациях.

Хотя технология PERC/PERL увидела свет в начале 1990-х, она только получает широкое признание, появляясь в пилотных проектах и на индустриальных производственных линиях.

Вся власть – Оксиду Алюминия!

«Вторую диэлектрическую революцию» возглавил другой высокоэффективный диэлектрик – Al2O3. Его наиболее ценное свойство также можно описать двумя словами: отрицательный заряд. Эта особенность материала позволила разработчикам СЭ обойти один из подводных камней технологии PERC на p-Si. Дело в том, что пассивирование тыльной поверхности положительно заряженным материалом приводит к формированию в p-Si инверсионного слоя, который, в свою очередь, приводит к потере образовавшихся носителей заряда за счёт шунтирования, снижая характеристики СЭ. Этот вредный эффект становится особенно заметным при снижении уровня освещённости – вплоть до того, что элементы становятся менее эффективными, чем основанные на традиционной технологии Al-BSF. Отрицательно же заряженный диэлектрик вместо инверсионного слоя образует аккумулирующий слой, исключая проблему.

Хотя Al2O3 использовался ещё в 1980-х для создания металл-диэлектрик-полупроводниковых СЭ, интерес к нему вернулся после того, как европейские исследователи предложили использовать этот отрицательно заряженный диэлектрик в PERC-элементах из p-Si.

И в этом случае выбор подходящей для массового производства технологии оказался непростым, но с годами изготовители оборудования в кооперации с учёными вывели на рынок установки нанесения Al2O3 нескольких видов: атомно-слоевого осаждения (ALD) в ряде вариантов (термическое, пространственное, плазменное), PECVD, напыления, APCVD и даже трафаретной печати. Лидируют в настоящее время технологии пространственного ALD и PECVD. Первая – благодаря эффективному использованию материала, высокому качеству получаемого диэлектрика и небольшой толщине слоя, вторая – благодаря простоте модернизации существующих технологических линий, многие из которых построены на базе систем PECVD-SiNx. Ожидается, что в ближайшие годы будет расти доля линий для производства элементов p-Si, вновь построенных или модернизированных для внедрения технологии Al2O3-PERC.

n-Si укажет путь

Другая ожидаемая тенденция, кроме расширения доли рынка, занятой поликристаллическими элементами на основе p-Si, – постепенный переход от p-Si к монокристаллическому n-Si. И здесь найдётся применение Al2O3, поскольку используемые в таких элементах легированные бором эмиттеры потребуют высокоэффективного пассивирования поверхности. Измерения, проведённые в лабораториях института Imec, показали существенное снижение скорости поверхностной рекомбинации при использовании Al2O3 по сравнению с термическим SiO2. До такой степени, что в пассивированных Al2O3 эмиттерах преобладает Оже-рекомбинация, а поверхностным её компонентом можно пренебречь.

Эти результаты были получены на элементе n-Si типа PERT с тыльным переходом, разработанном в Imec (см. рис. 2). Фронтальные контакты этого СЭ покрыты медно-никелевым сплавом. Благодаря высокоэффективному пассивированию с помощью Al2O3 была достигнута предельная эффективность 21,5%.

Хотя доля рынка, занимаемая элементами PERC, в ближайшие годы будет расти, возможно, назревает новая «диэлектрическая революция», которая снова выведет оксид кремния на передовые позиции. Суть её опять-таки выражается в двух словах: пассивированные контакты. Благодаря повышению качества исходного материала и высокоэффективным методам пассивирования поверхностей рекомбинационные токи существенно снижены. Теперь часто бывает так, что доминирующую роль в рекомбинационных токах играет область металлических контактов. Причиной могут послужить, например, дефекты лазерной абляции диэлектрика, обеспечивающей контакт между полупроводником и металлом, что сильно влияет на рекомбинацию генерируемых малочисленных носителей заряда.

Необходима селективная схема контактов, которая формирует пассивирующий барьер для малочисленных носителей, не создавая резистивного барьера для многочисленных. Одно из решений, кроме СЭ с гетеропереходами, – использование туннелирующего диэлектрика в сочетании с тонкоплёночным эмиттером и BSF. Достичь этого можно с помощью сверхтонкого (~1 нм) слоя оксида, формируемого химическим способом или путём термического окисления.

Алексей Батырь

Источник: Журнал Энерговектор, июль 2018

Эта статья прочитана 647 раз(а)!

Продолжить чтение

  • 10000
    Технология солнечных элементов PERC: Почему она будет доминировать в ближайшем будущем? Последние несколько лет технология изготовления солнечных элементов PERC является одним из фаворитов научно-исследовательских работ в фотоэлектрической индустрии. PERC означает Passivated Emitter Rear Contact (пассивированный эмиттер задний контакт), и означает…
  • 10000
    Как работают солнечные элементы и их основные показатели Структура солнечного элемента из кремния 1. свет (фотоны)   2. лицевой контакт  3. отрицательный слой 4. переходной слой  5. положительный слой  6. задний контакт Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в…
  • 52
    Фотоэлектрические модули Canadian Solar International Canadian Solar Inc. (NASDAQ: CSIQ) входит в первую десятку  крупнейших производителей фотоэлектрических модулей и элементов в мире. Компания имеет полный цикл производства - выращивание кремниевых слитков, производство пластин и солнечных элементов, солнечных модулей, а также…
  • 51
    Солнечные модули: какие можно у нас купить? Наш ассортимент фотоэлектрических модулей включает монокристаллические и поликристаллические модули мощностью от 15 до 340 Вт, а также аморфные кремниевые модули мощностью 120 Вт. В продаже с доставкой по всей России транспортными компаниями у…

Google рекомендует

Реклама

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *