Гременок В.Ф., Тиванов М.С., Залесский В.Б. Солнечные элементы на основе полупроводниковых материалов

Подождите немного. Документ загружается.

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА И

ПОЛУПРОВОДНИКОВ

В. Ф. Гременок, М. С. Тиванов, В. Б. Залесcкий

СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Минск

«Издательский центр БГУ»

2007

ГРАНТ

БРФФИ

УДК 621.382:621.315.592

Гременок В. Ф. Солнечные элементы на основе полупроводниковых

материалов / В. Ф. Гременок, М. С. Тиванов, В. Б. Залеcский. – Минск: Изд.

Центр БГУ, 2007. – 222 с. ил., табл. – ISBN 985-476-443-5.

В коллективной монографии представлены наиболее важные результаты

достижений последних лет по основным проблемам полупроводниковой ге-

лиоэнергетики. В издании изложены не только теоретические аспекты той

или иной проблемы, но и описаны технологии получения и конструкции по-

лупроводниковых солнечных элементов и действующих модулей, а также

показаны перспективы внедрения фотопреобразователй в практику.

Книга будет полезна специалистам, работающим в области полупровод-

никового приборостроения и тонкоплѐночной электроники, а также студен-

там и аспирантам соответствующих специальностей.

Табл. 21. Ил. 59. Библиогр.: 293 назв.

Рецензенты:

Член-корреспондент Национальной Академии Наук Беларуси,

доктор технических наук, профессор Ф.П. Коршунов

Доктор физико-математических наук, профессор А. К. Федотов

Рекомендовано

Ученым советом ОИФТТП НАН Беларуси

30 января 2007 г., протокол № 1

Печатается

По решению Редакционно-издательской комиссии НАН Беларуси

Издано при поддержке

Объединенного института физики твердого тела и полупроводников НАН

Беларуси

Отделения физики, математики и информатики НАН Беларуси и

Белорусского фонда фундаментальных исследований

ISBN 985-476-443-5

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1 Анализ тенденций развития гелиоэнергетики в ми-

ре и еѐ перспективы для Республики Беларусь

1.1

Основные предпосылки поиска альтернативных и не-

традиционных источников энергии

1.2

Потенциальные возможности использования солнечной

энергии в условиях Республики Беларусь

1.3

Общая характеристика тенденции развития гелиоэнер-

гетики

1.4

Современный рынок фотоэлектрических модулей

Глава 2 Преобразование солнечного света

2.1

Природа и спектральный состав солнечного света

2.2

Непрямое энергетическое преобразование солнечного

света

2.3

Теоретические аспекты фотовольтаики (прямое энерге-

тическое преобразование солнечного света)

2.3.1

Механизмы поглощения света в полупроводнике

2.3.2

Фотовольтаический эффект в p-n-переходе

2.3.3

Эквивалентная схема и вольт-амперная характеристи-

ка солнечного элемента

2.3.4

Эффективность преобразования (КПД) солнечного

элемента

2.3.5

Влияние на КПД температуры и уровня освещѐнности

2.3.6

Влияние на КПД последовательного и параллельного

сопротивлений

2.3.7

Спектральная чувствительность солнечного элемента

2.3.8

Материалы для формирования фотопреобразователей

2.3.9

Некоторые аспекты метрологии солнечных элементов

Глава 3 Обзор основных типов солнечных элементов на

основе полупроводниковых материалов

3.1

Классификация

3.2

Основные параметры и характеристики солнечных эле-

ментов и модулей

3.3

Фотопреобразователи на основе кремния

3.3.1

Кристаллический кремний

3.3.2

Тонкоплѐночные солнечные элементы на основе

аморфного кремния

3.4

Фотопреобразователи на основе полупроводниковых

соединений А

III

3.5

Тонкоплѐночные CdTe солнечные элементы

3.6

Солнечные элементы на основе многокомпонентных

соединений со структурой халькопирита

Глава 4 Солнечные элементы на основе CuInSe

и родст-

венных материалов

4.1

Подложка

4.2

Тыльный контакт

102

4.3

Поглощающий слой

105

4.3.1

Особенности кристаллической и зонной структур по-

лупроводниковых соединений A

III

105

4.3.2

CuInSe

и родственные материалы

112

4.3.3

Способы синтеза плѐнок соединений A

III

118

4.4

Буферный слой

142

4.5

Лицевой контакт

146

4.6

Антиотражающее покрытие

148

4.7

Пути повышения КПД солнечных элементов на основе

Cu(In,Ga)Se

148

4.8

Сравнительная характеристика модулей солнечных эле-

ментов

150

Глава 5 Методы исследований солнечных элементов

5.1

Сканирующая зондовая микроскопия (SPM)

157

5.2

Рентгеновские исследования

160

5.3

Электронный микроанализ

164

5.4

Cканирующая электронная микроскопия (SEM)

166

5.5

Спектроскопическая эллипсометрия

167

5.6

Исследование оптических свойств

170

5.7

Измерение удельного и поверхностного сопротивления

тонких плѐнок 4-зондовым методом

173

5.8.

Просвечивающая электронная микроскопия (ТЕМ)

178

5.9

Электронная оже-спектроскопия

181

5.10

Масс-спектрометрия вторичных ионов (SIMS)

183

5.11

Фотолюминесценция (PL)

184

5.12

Cканирующая лазерная микроскопия (LBIC)

185

Заключение

188

Ообозначения и сокращения

190

Литература

197

Приложение

216

ВВЕДЕНИЕ

Рост энергопотребления является одной из наиболее характерных

особенностей деятельности современного человечества. До недавнего

времени развитие энергетики не встречало принципиальных трудно-

стей, поскольку увеличение производства энергии происходило в ос-

новном за счет увеличения добычи полезных ископаемых (природный

газ, нефть, уголь), достаточно удобных в потреблении. К настоящему

времени более 75 % электроэнергии вырабатывается за счѐт сжигания

минерального и органического топлива. Однако энергетика уже сего-

дня столкнулась с ситуацией истощения своей традиционной сырье-

вой базы. Одной из причин этого явилось ограниченность ископаемых

энергетических ресурсов. Кроме того, нефть, газ и уголь являются

также ценнейшим сырьем для интенсивно развивающейся химической

промышленности. Сохранять высокие темпы развития энергетики пу-

тем использования лишь традиционных ископаемых источников энер-

гии становится всѐ труднее.

Атомная энергетика в последнее время также столкнулась со зна-

чительными трудностями, связанными, в первую очередь, с необхо-

димостью резкого увеличения затрат на обеспечение безопасности

работы ядерных объектов.

Загрязнение окружающей среды продуктами сгорания и перера-

ботки ископаемых источников энергии, главным образом угля и ядер-

ного топлива, является причиной ухудшения экологической обстанов-

ки на Земле. Уже при современных масштабах производства энергии

возможны необратимые опасные изменения климата.

Подобными обстоятельствами определяется возрастающий инте-

рес к возобновляемым источникам энергии, широкое использование

которых в будущем не приведет к нарушению экологического баланса

Земли [1,2]. Когда речь заходит об энергетике, базирующейся на во-

зобновляемых источниках энергии (альтернативной энергетике), то в

первую очередь упоминают именно солнечную энергетику. Это не

удивительно: интегральный поток солнечного излучения, входящего в

атмосферу Земли, составляет величину около 2·10

Вт. В то время как

суммарная установленная мощность всех электростанций мира не

превышает 3·10

Вт, т.е. почти в 100 тысяч раз меньше.

Внимание ученых и специалистов уже давно привлечено к разра-

ботке эффективных средств преобразования солнечной энергии в

электрическую. Использование этого вида энергии не связано с за-

грязнением окружающей среды и нарушением теплового баланса пла-

неты. Повышенный интерес к фотоэлектрическому методу преобразо-

вания энергии обусловлен реальной возможностью создания стабиль-

ных в эксплуатации, дешевых и высокоэффективных солнечных эле-

ментов (СЭ). С этих позиций преобразователи солнечной энергии в

электрическую имеют как свои преимущества, так и недостатки.

Среди основных преимуществ СЭ выделим

прямое преобразование солнечной энергии в электричество

неограниченность запаса солнечной энергии;

децентрализированное производство энергии, что позволяет ис-

ключить создание линий электропередач

отсутствие вредных выбросов в окружающую среду

возможность размещения на различных конструкциях строений

(стены, крыши);

высокая надѐжность;

не имеют движущихся частей, что упрощает обслуживание, сни-

жает стоимость и увеличивает срок службы (вероятно, он будет

достигать порядка сотни лет – проблема не в самих преобразова-

телях, а в герметизирующих материалах);

не требуют высокой квалификации обслуживающего персонала;

пригодны для создания установок практически любой мощности.

К основным недостаткам СЭ можно отнести

зависимость уровня вырабатываемой энергии от времени суток и

степени освещѐнности, что требует принятия дополнительных мер

для накопления электроэнергии от СЭ и еѐ последующего исполь-

зования в тѐмное время суток и в условиях недостаточной осве-

щенности

высокая себестоимость СЭ и получаемой электроэнергии.

Исходя из перечисленных преимуществ и недостатков, можно ут-

верждать, что уже сегодня применение солнечной энергии является

экономически рентабельным в некоторых специфических областях

энергетики, где необходимо производство относительно небольшого

количества электроэнергии [1,3]:

в районах, удалѐнных от энергосети (удалѐнные населѐнные пунк-

ты, экспедиции, навигация, космические спутники и т.д.);

работа небольших электронных устройств с автономным питани-

ем (автоматические пункты системы связи, системы метеонаблю-

дений, системы наблюдения и контроля движения на автострадах,

навигационные и сигнальные знаки и т.д.);

экологически чистые электростанции в курортных районах.

Однако широкое внедрение солнечной энергетики возможно

лишь при существенном снижении стоимости электроэнергии, полу-

ченной за счет преобразования энергии солнечного излучения [3,4].

Для экономической эффективности фотопреобразования с помощью

солнечных модулей в наземных условиях необходимы дешевые уст-

ройства, обеспечивающие собирание света, и преобразователи энер-

гии, обладающие высоким КПД. При создании батарей плоской кон-

струкции таким требованиям удовлетворяют полупроводниковые фо-

топреобразователи.

Авторы благодарны всем, кто способствовал написанию и изда-

нию этой книги. Прежде всего, сотрудникам лаборатории физики по-

лупроводников Объединенного института физики твердого тела и по-

лупроводников НАН Беларуси и лаборатории твердотельных преобра-

зователей излучений Института электроники НАН Белоруссии. Осо-

бая благодарность О. В. Ермакову за помощь в оформлении рукописи.

ГЛАВА 1

АНАЛИЗ ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ ГЕЛИОЭНЕРГЕТИКИ В

МИРЕ И ЕЕ ПЕРСПЕКТИВЫ ДЛЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Ограниченность природных ресурсов на земном шаре и посте-

пенное их истощение, а также ухудшающаяся экологическая обста-

новка вызывают необходимость поиска новых путей энергообеспече-

ния, в том числе с использованием нетрадиционных и возобновляе-

мых источников энергии (НВИЭ).

Рисунок 1.1 - 3Э-трилемма развития энергетики [2,5]

Развитие энергетики, следовательно, и всей современной цивили-

зации, может быть проиллюстрировано так называемой 3Э-трилеммой

[2,5] (рисунок 1.1). При развитии цивилизации для активизации эко-

номического развития (Э: Экономика) необходимо увеличивать рас-

ход (и производство) энергии (Э: Энергетика). К такому же результа-

ту ведѐт и имеющий место в настоящее время общий мировой рост

численности населения. Однако это создает экологические проблемы

(Э: Экология) за счѐт увеличения уровня загрязнения окружающей

среды. И наоборот, если принимаются меры, направленные на сниже-

ние вредных выбросов, то это тормозит развитие экономики. Единст-

венным способом разрешения этой трилеммы является развитие эко-

логически чистых технологий производства энергии.

Европейская комиссия по энергетике приводит данные, что

уровень загрязнения окружающей среды пропорционален уровню

энергопотребления. Темпы роста энергопотребления в мире тако-

вы: 1992 г. − 511 млн. усл. ед., 2000 г. − 582 млн. усл. ед., 2010 г. –

635 млн. усл. ед.;

при наблюдаемом темпе роста энергопотребления к 2050 году

возможна мировая энергетическая катастрофа.

Из всех нетрадиционных и возобновляемых источников энергии

самым крупным потенциалом обладает солнечная энергия. На рисун-

ке 1.2 наглядно продемонстрировано, какую часть поверхности Земли

необходимо занять солнечными элементами, чтобы удовлетворить

нынешний уровень энергопотребления всей планеты [2]. Установлено,

что энергия, получаемая Землей от Солнца за один час, равна общему

количеству энергии, потребляемой людьми в год.

Рисунок 1.2 - Для удовлетворения энергетических потребностей

современной цивилизации достаточно использования фотовольтаи-

ческих модулей общей площадью 800×800 км [2]

Ряд факторов обусловливает повышенное внимание развитию

энергетики на основе использования излучения Солнца:

1. Экологическая безопасность.

В результате сгорания ископаемого топлива образуются различ-

ные токсичные газы, которые оказывают существенное влияние на

окружающую среду. При использовании же солнечной энергии отра-

ботанных газов не возникает.

2. Неограниченность запаса солнечной энергии.

Запасы многих топливных ресурсов на Земле ограничены (рису-

нок 1.3) [2,6-8]. Подсчитано, что месторождения нефти будут разрабо-

таны в течение следующих 43 лет, угля − в течение 174 лет, природно-

го газа – в течение 56 лет, урана − 66 лет. Но солнечная энергия будет

существовать на протяжении всей жизни человечества.

Рисунок 1.3 - Энергетические ресурсы и потребление энергии [2,6]

Возможная установленная мощность фотоэлектрических станций

составляет 1200 ТВт. Технико-экономические показатели солнечных

энергетических установок (СЭУ) определяются, прежде всего, пара-

метрами и стоимостью солнечных элементов. Мировое производство

гелиоэлектрических систем в 1997 году составило 96 МВт при спросе

на рынке, равном 160 МВт, уже 2005 году дефицит составил более 200

МВт. По прогнозам такие темпы роста дефицита ожидают нас и в

ближайшее время. Такое состояние рынка сбыта характеризуется не

иначе как неограниченный спрос.

Республика Беларусь собственными природными запасами

обеспечивает около 15 − 18 % своих потребностей в топливно-

энергетических ресурсах. Недостающее количество топлива и энергии

поставляется из России и других стран, на что расходуется ежегодно