Совершенствование конструкции и технологии изготовления фотоэлектрических преобразователей на основе кремния

Самым мощным, экологически чистым, естественным и общедоступным источииком энергии на нашей планете является Солнце. Запасы энергии Солнца практически неисчерпаемы и могут обеспечить все потребности человечества. Развитие науки и промышленности позволяет сегодня говорить о реальной возможности обеспечения человечества электричеством с помощью преобразования энергии Солнца.

Одним из перспективных методов преобразования солнечной энергии в электрическую является метод прямого преобразования с помощью фотопреобразователей (ФП). В свою очередь, в фотоэнергетике, базирующейся на использовании ФП, можно выделить два направления — фотоэлектрическое преобразование концентрированного и некопцентрированиого солнечного излучения. Оба эти направления являются перспективными для создания солнечных фотоэлктрических систем (ФЭС) — как наиболее экологически чистых, ресурсообеспечепных и в перспективе экономичных источников электрической энергии.

Актуальность исследований обусловлена следующим.

Мировая фотоэнергетика является одной из самых перспективных и бурно развивающихся отраслей современной промышленности. Ни в одной отрасли за последние годы не наблюдался такой рост производства — 30 и более % (за 2004 г. — 57%). Экологические проблемы, связанные с традиционными источниками энергии, программы правительственной поддержки и целый ряд преимуществ, характерных для фотоэнергетики, определяют все возрастающий спрос и обеспечивают рост объемов производства. Стремление к снижению стоимости и повышению технических характеристик фотоэлектрических систем стимулирует многочисленные исследования и разработки в этой области. Актуальны всесторонние исследования по совершенствованию технологий, конструкций ФП и ФЭС. При этом кремний — наиболее используемый в фотоэнергетике и распространенный в природе материал, поэтому наибольший интерес представляют исследования в области кремниевых ФП.

Потенциал фотоэнергетического рынка России очень велик. Наиболее перспективным является сектор автономных потребителей, особенно в сельском хозяйстве. Использование ФЭС чрезвычайно актуально для сельского хозяйства, поскольку оно характеризуется как правило рассредоточенностью, значительной удаленностью сельскохозяйственных объектов, большим количеством нестационарных потребителей и высокой энергоемкостью отдельных видов производства.

Фотопреобразователи — самая дорогая часть ФЭС, поэтому наряду с улучшением их показателей актуально использование концентрированного излучения, которое позволяет повысить КПД, снизить стоимость, снизить количество полупроводникового материала — солнечного кремния. Актуальным является создание концентрирующих систем на основе планарных ФП для малых концентраций (3−10) и на основе матричных фотопреобразователей (МФП) для высоких концентраций (100−1000) солнечного излучения.

Работа проводилась в два этапа. В 1990;1994 гг. была разработана технология производства крупногабаритных ФП и освоено их производство в ЦОПКБ ВИЭСХ. Были проведены теоретические и экспериментальные исследования планарных ФП диаметром 100 мм и матричных фотопреобразователей (МФП). Предложены новые методы изготовления МФП с использованием эпитаксиальной технологии. Разработаны бесконтактные фотодиодные матрицы для управления электронными устройствами. В последующие годы проводилось внедрение разработанных устройств. Второй этап работы посвящен проблеме создания солнечных фотоэлектрических модулей на основе полутороидальных концентраторов и двухсторонних ФП. В 2003 году были разработаны полутороидальные концентраторы, которые позволяют увеличить эффективный диаметр планарных ФП со 100 мм до 200-^400мм. В 2005 г. созданы солнечные модули (СМ) с полутороидальными концентраторами и проведены их исследования.

Исследования выполнялись в соответствии с Федеральной целевой программой «Энергоэффективная экономика», утвержденной постановлением Правительства РФ № 796 от 17.11.2001 г. и программой фундаментальных исследований Россельхозакадемии на 2001;2005 гг.

Целью работы является совершенствование и разработка конструкций и технологий матричных и планарных кремниевых фотоэлектрических преобразователей, устройств на их основе.

Основными задачами диссертации являются.

Совершенствование технологии изготовления матричных и планарных ФП на основе кремния.

Повышение электрических характеристик ФП на основе кремниевых п-р-р+ структур.

Создание стационарных солнечных модулей на основе планарных ФП и полутороидальных концентраторов, концентрирующих прямую и диффузную солнечную радиацию с апертурным углом ±60°.

Повышение точности позиционирования, технологичности устройств и создание бесконтактных оптических клавиатур.

Технико-экономическое обоснование производства и использования разработанных солнечных модулей.

Научная новизна работы заключается в следующем.

Разработан способ изготовления МФП на основе многослойной эпитаксиальной структуры и пробоя обратносмещённых р-п переходов и исследованы показатели его эффективности. Новизна способа подтверждена патентом РФ на изобретение.

Проведена систематизация методов расчёта различных конструкций МФП. Рассчитана модель микроэлемента МФП, получены аналитические зависимости для токов, рассчитаны параметры и определены оптимальные размеры микроэлемента.

Разработаны оптоэлектронные устройства на основе кремниевых ФП различных конструкций для управляющих систем, новизна которых подтверждена двумя авторскими свидетельствами и тремя патентами на изобретение.

Разработаны стационарные солнечные модули с полутороидальными концентраторами и планарными ФП с двухсторонней чувствительностью, предложены варианты конструкций для различного тина потребителей.

Основные положения, выносимые на защиту.

Способ изготовления МФП па основе многослойной эпигаксиалыюй структуры и пробоя обратносмещёппых р-п переходов. Результаты исследований процесса изготовления и полученных структур МФП.

Систематизация методов расчёта различных типов МФП. Расчет и оптимизация параметров микроэлемента МФП с р-n переходами на пяти гранях и изотипным р-р+ переходом на шестой для случая трехстороннего освещения.

Модели стационарных солнечных модулей па основе планарных ФП и полутороидальных концентраторов. Схемы устройств па основе солнечных модулей. Результаты исследований характеристик стационарных солнечных модулей с полутороидальиыми концентраторами.

Устройства для управляющих систем па основе планарных и матричных.

ФП.

Достоверность результатов исследований, теоретических и методических обоснований подтверждена совпадением результатов расчётов с данными экспериментальных исследований МФП и планарных ФП в лабораторных условиях и данными испытаний ФП и солнечных модулей в условиях естественного солнечного освещения.

Практическая значимость. Предложенный способ изготовления кремниевых МФП на базе многослойной эпитаксиальпой структуры и пробоя обратносмещёппых р-п переходов позволяет повысить технологичность и производительность, увеличить выходное напряжение до 0,3-Ю, 6 В па р-п переход, увеличить мощность, обеспечить высокое качество МФП.

Работы по систематизации методов расчета МФП дают возможность создать программу оптимизации и выбора конструкций МФП при проектировании солнечных модулей и систем, оптимизировать параметры конструкций, повысить КПД, минимизировать затраты па их производство.

Разработанные стационарные солнечные модули на основе плапарных ФП и полутороидальиых концентраторов с геометрической концентрацией 3-И, концентрируют прямую и диффузную солнечную радиацию с апергурпым углом ±60°, повышают КПД и снижают стоимость электроэнергии, увеличивают эффективный диаметр ФП до 200-И00мм.

Разработанные устройства для управляющих систем па основе плапарных и матричных ФП имеют более высокую точность срабатывания, надёжность и срок службы относительно устройств аналогичного назначения, позволяют повысить точность позиционирования, технологичность. Разработанные устройства па основе ФП использованы при создании робототехпического комплекса.

Реализация результатов работы:

Разработанные методики контроля времени жизни неосновных носителей заряда и слоевого сопротивления используются при производстве ФП 0100 мм и 1 ООх 100 мм в ГНУ ВИЭСХ.

Разработанные устройства па основе кремниевых ФП для информационно-управляющих систем внедрены при производстве САУ робототехпического комплекса в производственном кооперативе УИК УТ-Глобал М.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались па 4-ой Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Москва, 2004), па Международной конференции «Energetika 2006» (Zlatibor, 2006).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, включая 2 авторских свидетельства, 1 патент СССР, 3 патента Российской Федерации па изобретение.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 92 источников и приложений. Работа изложена на 99 страницах текста, содержит 42 иллюстрации и 12 таблиц.

Выводы по главе 4.

1. Предложено использование ФП в управляющих системах. Разработаны устройства па базе планарных и матричных ФП для управляющих систем. Использование ФП повышает технологичность, точность срабатывания, увеличивает надежность и срок службы, расширяет функциональные возможности, обеспечивает точность позиционирования, точность и достоверность сигнала. Разработанные устройства защищены двумя авторскими свидетельствами и тремя патентами, использованы при создании робототехиического комплекса.

2. Разработаны стационарные солнечные модули с полутороидальпыми концентраторами на основе планарных кремниевых ФП с двухсторонней чувствительностью. Исследованы технологические и электрофизические параметры солнечных модулей. СМ концентрируют прямую и диффузную солнечную радиацию с апертурпым углом ±60°, имеют коэффициент концентрации 3+4, повышают КПД и снижают стоимость электроэнергии, увеличивают эффективный диаметр ФП до 200+400мм.

3. Испытаны образцы солнечных модулей с внутренним диаметром концентратора 0,1м- 0,2м- 0,8 м. Результаты исследований показали, что СМ с полутороидальиым концентратором D2=0,8m обладает максимальной рабочей мощностью Pi max=41,384 Вт (г/] =8,24%) при последовательном соединении.

ФП и Р2 тах=41,632 Вт (772 = 8,28%) при последовательно-параллельном соединении при, а = 70°, КПД лицевой поверхности ПИ Т] m =10% и стандартных условиях освещенности. При г/пи =15%: 77, = 12,36% и ?72 — 12,43%.

4. Исследованы варианты конструкций составляющих солнечного модуля с полутороидальиым концентратором. Определены варианты для различных условий эксплуатации и технологий изготовления. Оптимальным является приемник излучения квадратной формы с последовательно-параллельным соединением ФП 100×100, максимальной плотностью заполнения и выводом контактов в центре. При отсутствии технологических ограничений и ограничений по массе предпочтителен вариант крепления 3. Соотношение выходных параметров цельного и фацетного концентраторов 1 к 0,952.

5. Предложены конструкции на основе солнечных модулей с установкой на земле, на поверхностях зданий, в составе СЭС. Рассмотрены варианты использования солнечных модулей. СМ позволяют расширить область применения фотопреобразователей, повысить привлекательность и потребительский спрос, более полно удовлетворить запросы потребителей. Солнечные модули с полутороидальными концентраторами могут быть использованы как в качестве автономных источников электрической и тепловой энергии, так и в системах электроснабжения при создании высокоэффективных солнечных электростанций.

6. Проведено технико-экономическое обоснование использования и производства разработанных модулей. Использование полутороидальных концентраторов и плапарных ФП с двухсторонней чувствительностью снижает расход кремния на единицу пиковой мощности модуля в 3 раза, стоимость установленной пиковой мощности на 36,5% с 4 до 2,54 долл. за 1Вт и стоимость 1кВт-ч вырабатываемой энергии па 24% с 31 до 24 центов по сравнению с плоскими фотоэлектрическими модулями.

Заключение

.

По результатам выполненной работы были сделаны следующие выводы.

1. Разработан новый способ изготовления кремниевых матричных фотопреобразователей путем создания многослойной эпитаксиальиой структуры и пробоя обратносмещенных р-п переходов, позволяющий увеличить плотность микроэлементов в матрице с 10 см" 2 до 100−1000 см" 2 при напряжении 0,3−0.6 В на микрофотопреобразователь. В результате исследований технологических процессов получены экспериментальные зависимости и теоретические выражения для определения напряжения пробоя, определены технологические режимы и параметры процесса изготовления. КПД образцов МФП составляет 8−8,6% для МФП с 10 n-р переходами и 8,2−8,5% для МФП с 12 n-р переходами.

2. В результате теоретических исследований электрофизических характеристик матричных фотопреобразователей получены выражения для фототока и темпового тока насыщения, рассчитаны параметры микрофотопреобразователя с р-п переходами на пяти гранях и изотипным р-р+ переходом па шестой для случая трехстороннего освещения и определены эффективность собирания Qna% =0,876 и КПД:^пих =14,5%- rjhv |гах =33,8%.

Проведена систематизация методов расчета микрофотопреобразователей, что позволяет выбирать конструкцию МФП с определенной конфигурацией р-п переходов при проектировании солнечных модулей и систем.

3. В результате исследований технологических и электрофизических параметров больших планарных фотопреобразователей разработаны методики контроля времени жизни неосновных носителей заряда и слоевого сопротивления, которые применяются при производстве ФП 0100 мм и 100×100мм на опытном производстве ВИЭСХ.

4. Разработаны онтоэлектронные устройства на базе планарных и матричных ФП для управляющих систем. Использование ФП повышает технологичность, точность срабатывания, увеличивает надежность и срок службы предложенных устройств по сравнению с устройствами аналогичного назначения, обеспечивает точность позиционирования, точность и достоверность сигнала. Разработанные устройства защищены двумя авторскими свидетельствами и тремя патентами, использованы при создании робототехнического комплекса.

5. Разработаны стационарные солнечные модули на основе полутороидальных концентраторов и планарных кремниевых ФП с двухсторонней чувствительностью. В результате исследований технологических и электрофизических параметров солнечных модулей с внутренним диаметром концентратора 0,1м- 0,2м- 0,8 м показано, что коэффициент концентрации модулей составляет 3-^-4, максимальная рабочая мощность 41,632 Вт и КПД 8,28% при КПД лицевой поверхности приемника излучения 10% и стандартных условиях освещенности. При КПД лицевой поверхности приемника излучения 15% КПД солнечных модулей составляет 12,43%. Использование полутороидальных концентраторов и планарных ФП с двухсторонней чувствительностью снижает расход кремния на единицу пиковой мощности модуля в 3 раза, стоимость установленной пиковой мощности на 36% с 4 до 2,54 долл. за 1Вт и стоимость 1кВт-ч вырабатываемой энергии на 24% с 31 до 24 центов по сравнению с плоскими фотоэлектрическими модулями.