Солнечные элементы с различной топологией Кафедра ЮНЕСКО «Возобновляемая энергетика и электрификация сельского хозяйства» ВИЭСХ, каф. Физики имени В.А. Фабриканта МЭИ Доц. Тюхов И. И. Пятая Всероссийская научная молодежная школа «Возобновляемые источники энергии» октября 2006 г.

Обнаружение фотоэффекта (E. Becquerel,"Mčmoire sur les effets électriques produits sous l'influence des rayons solaires", C. R. Acad. Sci. Paris, 1839, 9, ) 1839 французский физик Эдмунд Беккерель наблюдал фотоэффект

The effect was first observed (Willoughby Smith, 1873) in a solid material (metal selenium); and at 1876, William Grylls Adams and Richard Evans Day discover that selenium produces electricity when exposed to light, -solid material could change light into electricity without heat or moving parts Charles Fritts, an American inventor, described the first solar cells made from selenium wafers.

Первый кремниевый солнечный элемент был сделан случайно в начале 1940, когда Расселл Ол, исследователь в Bell telephone лаборатории в Нью-Джерси, сделал важное наблюдение. Когда он осветил кусочек кремния, свойства которого он изучал, к его удивлению показания вольтметра, подсоединенного к кремнию, резко подскочили. На Fig. 2 показан кусок кремния, вырезанный из кристаллизованного материала, причем так, что р-п- переход перпендикулярен освещаемой поверхности. Самые первые солнечные элементы (предтеча первых СЭ)

Первые кремниевые солнечные элементы достигли эффективности (кпд) преобразования энергии приблизительно 6 %. В США, исходный используемый материал для солнечных элементов был материал n-типа, в то время как В СССР это было материал p-типа. Кремний p-типа использовался русскими (1956) по двум причинам: (1) с научной точки зрения противопоставить работу США; и (2) потому что материал p-типа был более дешевый в СССР чем, был n-тип. Позже было найдено, что солнечные элементы, сделанные от кремния p-типа были более стойкие к радиации чем, солнечные элементы, сделанные из материала n-типа. Таким образом, после открытия радиационного пояса Ван Аллена, производство солнечных элементов в США после 1960 переключилось на использование n-слоев в кремнии p-типа.

(a)Silicon solar cell reported in 1941 relying on grown-in junctions formed by impurity segregation in recrystallised silicon melts; (b)helium-ion bombarded junction device of 1952; (c) First modern silicon cell, reported in 1954, fabricated on single-crystalline silicon wafers with the p-n junction formed by dopant diffusion. Source: Green (1995). Эволюция первых СЭ

Physics Today 1993 « Фотовольтаика: неограниченная электрическая энергия от Солнца» Первый практический солнечный элемент был разработан в Bell Laboratories [1] in D.M. Chapin, C.S. Fuller, G.L. Pearson, J. Appl. Phys. 25, 676 (1954). US Patent , 5 February 1957.

Дальнейшее развитие (a)Space silicon cell design developed in the early 1960s which became a standard design for over a decade; (b)shallow junction violet cell; (c)chemically textured non-reflecting black cell. Source: Green (1995).

Screen-printed crystalline silicon solar cell (not to scale). Source: Green (1995).

(a)The microgrooved passivated emitter solar cell (PESC cell) of 1985, the first silicon cell to exceed 20% efficiency; (b)buried-contact solar cell. Source: Green (1995).

Rear point contact solar cell which demonstrated 22% efficiency in 1988 (cell rear shown uppermost). Source: Green (1995).

A family of four related high efficiency solar cell structures: (a) the passivated emitter and rear cell (PERC cell); (b) the passivated emitter, rear locally diffused cell (PERL cell) which took efficiency above 24% in the early 1990s; (c) the passivated emitter, rear totally diffused cell (PERT cell); and (d) the passivated emitter, rear floating junction cell (PERF cell). Source: Green and Hansen (1998).

Планарные и вертикальные структуры n Si p Si

Аналогия со светодиодами в оптоэлектронике

Предельный кпд СЭ с вертикальными переходами Два основных подхода Два основных подхода: фундаментальный подход основывается на термодинамическом рассмотрении и принципе детального рассмотрения (W. Shockley, H. S. Queisser …) детальный анализ уравнений описывающих все параметры на основе уравнений полупроводниковых приборов (при этом ясно как можно улучшать эффективность преобразования, но трудно установить предельно возможное значение кпд) Наш подход основан на Наш подход основан на: рассмотрении уравнений переноса и принципиально не устранимой излучательной рекомбинации

j n = D n grad n - n E n j p = D p grad p + p E p, (уравнения потоков носителей заряда) div j n = g - r div j p = g - r (уравнения непрерывности) d (300 m) >>L H >> (толщина >глубины поглощения света) ppp+p+ p+p+ n+n+ n+n+ zz x x HH l l

В идеальном случае пренебрегаем поверхностной рекомбинацией, что приводит к отсутствию токов вблизи лицевой и тыльной поверхностями Это условие позволяет перейти к одномерной задаче

Kx0x0 x 2 ~ xH, μmi

Аналогия с полупроводниковыми лазерами

Используемая терминология: многопереходные СЭ (multijunction SC), торцевые СЭ (освещаемые с торцов - edge-illuminated SC) отражает необычную геометрию т. к. много р-п переходов используется для формирования монолитного СЭ. Некоторые вариации СЭВП Необходимо отметить, что термин многопереходные СЭ используется для тандемных СЭ, поэтому лучше использовать термин СЭВП.

SCVMJ in glass tube

Теневой метод исследования СЭВП n p Уровень освещения Направление сканирования Был также разработан электролюминесцентный метод для исследования распределения токов, диагностики и анализа дефектов металлизации, диффузии, сплавления…ИК оптоэлектронные приборы использовались для визуализации дефектов широком диапазоне токов.

Экспериментальные характеристики планарных и многопереходных солнечных элементов Экспериментальные характеристики Планарные СЭМногопереходные СЭ Плотность напряжения, В/м Диапазон интенсивностей для эффективной работы для обычной конструкции для спец. конструкции Максимальная плотность эл. энергии, Вт/см Максимальный кпд в лаборатории, % 28 (для солнечного излучения) 36 (для лазерного излучения)

«Линейка» из 10-ти СЭ

Линейка из 10-ти последовательно соединенных СЭ (напряжение холостого хода равно 30 В)

А сколько здесь линеек?

Линейка из 10-ти последовательно соединенных СЭ (напряжение холостого хода равно 30 В)

Солнечный концентраторный модуль для космических применений

СЭВП имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными СЭ низкое последовательное сопротивление ведет к отсутствию противоречий между сопротивлением растекания легированного слоя, спектральной чувствительностью, поверхностью электрической контактной сетки и так далее; высокая стойкость к воздействию ядерной радиации; более низкая равновесная температура (нет необходимости в металлизированных контактах на лицевой и тыльной поверхностях т. к. СЭВП прозрачны за краем поглощения в ИК диапазоне, по сравнению с планарным двухсторонним (прозрачным) СЭ,в СЭВП обе: и лицевая и тыльная поверхности имеют одинаковую фоточувствительность, что является уникальным свойством, в частности для специальных метрологических целей; может использоваться как составляющая часть тандемных СЭ (потому, что СЭВП прозрачны за основной полосой поглощения; высокое выходное напряжение (последовательное соединение элементов) и маленький ток при той же мощности); повышенная эффективность батареи из-за снижения потерь, которые возникают в СЭ с большими токами (групповая сборка большого числа структур).

«Mars mission» проект (from the Internet)

Электростатическое удаление пыли Система удаления пыли с важным преимуществом - отсутствием движущихся частей. Высоковольтные солнечные элементы напряжения поставлены кампанией Photovolt. не имеет электрической связи с электронным блоком и является автономной позволяет генерировать напряжение непрерывно в течение дн я (при освещении) Три СЭ будут проверены, с положительным потенциалом, с отрицательным потенциалом, и одним СЭ, для проверки, может ли поперечное электрическое поле удалять пыль от СЭ прежде, чем она начнет оседать на СЭ. В каждом случае, провод показанный как "земля"(G) используется как второй электрод.

NASA Glenn experiments on the Mars Surveyor Lander Update 8 August 2000: The Mars-2001 Surveyor lander mission has been cancelled. Flight hardware for the NASA Glenn experiments to fly on the mission has been built and tested, but at the moment no mission is yet been designated on which it will fly.

High Voltage Silicon Solar Cells for up to 1000 Suns Intensity Bernard L. Sater and Neil D. Sate, 2002 IEEE Conf. PhotoVolt, Inc., Woodview Circle, Strongsville, OH PhotoVolt is developing high voltage silicon vertical multi-junction (VMJ) solar cells. The VMJ cell is an integrally bonded, series- connected array of miniature vertical junction p-n-n+ unit cells. The design gives high voltage, low current operation and other performance advantages at high intensities. Fabrication processes are being finalized and efficiencies exceeding 20% at up to 1000 suns intensity are expected. Preliminary tests at about 500 suns intensity show a 0.78-cm 2 VMJ cell containing 40 unit cells with a maximum output power density of W/cm 2 at 24.5 volts with an estimated efficiency of 20.2%. Compare PhotoVolt – American company name to Russian name of solar module Фотовольт ! Should we say Odyssey returned?

SIMPLE DESIGN AND MANUFACTURING PROCESS FOR HIGH-INTENSITY SILICON VERTICAL MULTI-JUNCTION SOLAR CELLS BREAKTHROUGHS IN SOLAR CELLS IN PHOTOVOLTAIC CONCENTRATOR SYSTEMS CREATE COST SAVINGS BENEFITS Generates up to 1000 times the output power density of typical one-sun solar cells Provides higher voltage and lower current operation than other solar concentrator cells Offers lower $/watt costs through high efficiency at high intensity Requires no photolithography processes Simple design results in lower manufacturing costs Makes expensive silicon material an insignificant cost factor [2001, DOE web site, Invention &Innovation] Mr. Bernard L. Sater, P.E. PhotoVolt, Inc.

Использование твердофазного прямого сращивания кремния для формирования структур солнечных элементов с вертикальными переходами, ФТП, 1998 V.B. Voronkov, E.G. Guk, V.A. Kozlov, M.Z. Shvarts, V.B. Shuman A.F.Ioffe Physicotechnical Institute, St.Petersburg, Russia Multijunction silicon solar cell technology has been developed. This technology based on ion implantation and direct wafer bonding of p+-p-n+-structures. The internal quantum yield of such structures is near 1 in the wavelength range of = nm. Гук Е. Г. и др. Многопереходные кремниевые концентраторные солнечные элементы, изготовленные с помощью диффузионной сварки. ЖТФ, 1997, т. 67, 2, Гук Е. Г. и др. Характеристики кремниевых многопереходных солнечных элементов с вертикальными переходами. ФТП, 1997, т.31, 7, с

Перспективы дальнейшего развития СЭВП Использование новых технологий сращивания кремния (micro machining) Использование в трехмерных детекторах изображения (3D Radiation Imaging Detectors – 3D-RID) Использование в термо-фотопреобразователях

Применение СЭВП П реобразование и измерение излучения высокой и свехвысокой интенсивности. Структуры с вертикальными p-n переходами могут использоваться как высоко-чувствительный датчик положения лазерного луча (включая прозрачные датчики типа в ИК области), или для пучков ядерных частиц. Термофотоэлектрическое преобразование, лазерные системы передачи энергии, космические концентраторные системы, системы электропитания для медицины, фотометрия, ядерная физика - также област и для применения СЭВП из-за низкого последовательного сопротивления, высокой температурной стойкости, высокого выходного напряжения, необычной геометрии и идентичных фоточувствительных поверхностей.

Заключение Ряд практически важных СЭВП был разработан и новые подходы предложены. Теоретические оценки показывают, что предельный кпд СЭВП близок к предельному кпд традиционных СЭ (планарных), но СЭВП лучше подходят для преобразования концентрированного излучения и имеют лучшие характеристики по радиационной стойкости. Спектрально-зондовый метод и другие методы исследования были разработаны для детального анализа работы СЭВП. Согласно полученным экспериментально данным предельная плотность мощности равна 3.6 к Вт/см 2, а удельная плотность напряжения равна 100 В/см 2. Такие значения по-видимому невозможны для традиционных СЭ. На современном этапе развития полупроводниковой технологии возможно использование принципиально новых технологий, концепций, и подходов для достижения кпд близких к теоретически возможным, а также уникальных характеристик и свойств.

Солнечные элементы Sliver

Кремниевая пластина монокристалл 150 мм Ø 1-2 мм толщ. 100mm Канавки формируемые в пластине Дальнейшая обработка пластин: - диффузия, окисление, осаждение, металлизация Шаг 0.1 мм

0.1 мм 2 мм 100 мм освещение ~1,000 готовых солнечных элементов Sliver, каждый ~1 см 2 Резка

Sliver солнечныйэлемент Sliver

Высокоэффективный модуль Прозрачный модуль СЭ Герметик модуль с 50% пропусканием Отражатель

модуль Sliver

2D/3D

СЭ Sliver поперечное сечение Illumination Идеально- двухсторонний СЭ металл Диффузия бора Диффузия фосфора текстурированная поверхность диффузия фосфора антиотражающее покрытие мм

Spherical Solar Cells Solve Issue of 3-D Sunlight Reception

A new spherical solar cell module which is flexible and can utilize light in all directions

Термодинамический предел концентрации Поток на поверхности Солнца ~ 6.3 к Вт/см 2, Вне атмосферы Земли ~137 м Вт/см 2, На Земле м Вт/см 2, [Winston, 1990, Sunlight brighter than the Sun]

Можно ли создать идеальный изображающтй концентратор? D = 2 r sinθ d = 2 r sinθ/cosΦ D/d = sinΦ cosΦ/sinθ = sin2Φ /2 sinθ С = (D/d) 2 = (1/ 4) sin 2 2Φ /2 sin 2 θ (1/ 4)/2 sin 2 θ (1/ 4) C max [Winston, 1997] θ θ θ F Φ D/2 d/2 rθ

Изображающая и неизображающая оптика 2 f 2a f С =a/(f ) Ось параболы Увеличительное стекло Параболотороидальный фокон, Баранов 1965 Ось параболы Ось фокона

Фокон (простейший неизображающий концентратор) 2 = /2 - фокон

Main approaches in our technology Asymmetric or symmetric concentrator reflector Bifacial solar cell (BSC) Plastic-free PV module of n-cells with special liquid inside

Russian Academy of Agricultural Sciences The All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture (VIESH) Director Prof. Strebkov UNESCO Chair Renewable Energy and Rural Electrification VIESH was founded in March The main activity of the Institute is the solution of power engineering problems, with the tasks of national agriculture electrification, automation, and with the development renewable energy sources. The Institute has the research laboratories on PV, solar concentrators, wind, hydro and biomass technologies, rural electrification and thermal power engineering. VIESH has solar cell and solar module manufacturing line and exports solar cells and modules to Germany, Finland, Mongolia, Taiwan, India, Cyprus and other countries.

Moscow Power Engineering Institute (Technical University) MPEI - was founded in MPEI is of the same age as Russian Power Engineering Industry. Now MPEI consist of 5 Technical Institutes, 3 special faculties, faculty for retraining of the specialists from industry and educational institutions, Institute of Humanities, Institute of technology, Ecology and Business, Institute of a safety of business. There are 70 Departments in MPEI, 550 educational laboratories for students and more, than 100 research laboratories. Now more than students are trained in MPEI, nearly 300 foreign students from 40 countries included, and more than 500 Ph.D. students (100 foreigners included) are preparing the Ph.D. theses.

All-Russian Electrical Engineering Institute (VEI) Some investigations were carried out on the vertical single p-n-junctions and the SCVMJ which were produced in VEI using processes developed to manufacture high voltage semiconductor devices (diodes, thyristors and so on). The purpose of this work was to develop control methods of determine the influence of different technological process stages of the manufacture of MJ SC. It was especially important because in the process of the manufacture of SC the wastes of semiconductor production (silicon wafers) were used. A new spectral-probe method for investigation p-n junction was developed The quantity and the quality control of each p-n junction in such structures is needed because the total current of the MJSC is practically determined of the current of the worst p-n element of the whole structure.