Поликристални и тънкослойни фотоволтаични модули

Развитието на фотоволтаичните технологии преминава през няколко ключови етапа, обусловени от използваните в производството технологии и материали. Първият от тях е свързан със силициевите соларни клетки, базирани на заимствани от компютърните чипове технологии. Следващото поколение идва с тънкослойните модули, специално разработени за събиране на енергия от слънцето, но отново повече или по-малко взети от областта на микроелектрониката. Водещ материал е аморфният силиций, нанасян на тънки слоеве. Новият процес води до икономия на силиция и, съответно, до поевтиняване на панелите. Последната генерация технологии, описана от някои изследователи като „дивия запад”, е фокусирана върху намирането на начини за евтино производство на нови соларни клетки чрез използването на нискотехнологични химически взаимодействия. Реформатор са нанотехнологиите, на базата на които се разработват и най-новият тип фотоволтаици - органичните.

Макар и най-иновативни, фотоволтаиците от трето поколение все още имат най-малък пазарен дял. Понастоящем пазарът е доминиран от монокристалните и поликристалните силициеви фотоволтаици, като се наблюдава и тенденция към непрекъснато увеличаване на производството на тънкослойни модули.

Силицият като фотоелектричен материал
Над 95% от предлаганите в момента на пазара фотоволтаични панели са изградени от силициеви клетки. Силицият бива два основни вида - аморфен и кристален. В природата се среща само в съединено състояние, главно във вид на окиси, които образуват кварц, пясък, глина, гранити и др. Кристалният силиций е тъмносиво, твърдо вещество, с метален блясък. В зависимост от структурата си може да бъде поликристален, микрокристален, монокристален и др. Структурата на силициевата клетка е онагледена на фиг. 1. Между силициевия полупроводник тип N с дебелина няколко um и този от тип Р съществува PN-преход, а от двете им страни има електрически контакти от сребро или алуминий, свързани с изводите на клетката, като горният е много тънък и прозрачен за светлината. Силицият отразява светлината, което означава проникване във фотоволтаичната клетка само на част от нея и намаляване на коефициента на преобразуване на енергията (h). За ограничаване на този нежелан ефект е поставен прозрачен противоотражателен слой (TiO2 или SiN), благодарение на който се отразява не повече от 5% от падащата светлина. За предпазване на клетката най-отгоре има стъклено или друго прозрачно покритие. Общата й дебелина е между 0,18 и 0,35 mm, а размерите най-често са 10x10 и 15x15 cm. За увеличаване на повърхността на клетките при запазване на размерите, слоевете 3-6 на фиг. 1 се реализират с вълнообразна форма. За увеличаване на количеството на светлината, попадащо върху РVС, е създадена разновидност с концентриране на светлината (Concentrating Photovoltaic, CPV) чрез лещи или огледала.

Монокристални панели
Първата разновидност на силиция е с наименование монокристален силиций (Monocrystaline Silicon, c-Si). При обработката му кристалът се нарязва на изключително тънки дискове, дебели около 0.2 mm, от които се изработват самите клетки.

Прецизността на процеса на израстване на кристала увеличава цената му, което прави тези РV клетки най-скъпите. За намаляване на цената някои клетки се изработват от лентов силиций (Ribbon Silicon), който също е монокристал, но във формата на тънък слой. Масово произвежданите монокристални клетки имат ефективност 13-18%. Ефективността на панелите винаги е малко по-ниска, и в случая е около 11-16%. Типична такава фотоволтаична клетка с площ 100 cm2 осигурява при максимално осветление мощност 1,5 W. С увеличаване на температурата на клетката (от пряко слънчево нагряване) ефективността на силициевите клетки намалява.

Наскоро на пазара се появиха бифокални монокристални панели - нов тип фотоволтаици, чиято конструкция позволява събирането на слънчева енергия от двете страни на панела. Това повишава ефективността на панелите с около 20%, твърдят производителите. Бифокалните панели се монтират на стълб, така че слънцето да огрява и двете страни на панела.

Възможен е и монтаж на покрив, ако е боядисан в бял или друг светъл цвят, което би позволило светлината да се отрази в гърба на панела.

Поликристални фотоволтаични клетки
Клетките от поликристален силиций (Polycrystaline Silicon, Poly-Si, pc-Si) са по-евтини, но с по-малък коефициент на преобразуване на енергията (h = 13-15% при серийно производство и около 18% в лабораторни модели). Наименованието им се дължи на технологията на производство, при която течният силиций се излива на няколко пъти и след втвърдяването му се получава структура с множество кристали с размери около 1 mm. Местата на тяхното допиране могат да се разглеждат като дефекти в кристалната решетка, което е причината за по-малкия h. Подобни са РV клетките от многокристален силиций (Multicrystaline Silicon, mc-Si), но размерите на кристалите са между 1 mm и 10 cm.
Поликристалните подложки се изработват от силициев цилиндър, нарязан на тънки дискове с дебелина 0,25-0,30 mm. Обикновено подложките са леко обогатени като p-тип. На предната страна на подложката чрез дифузия се легира n-тип материал, създавайки p-n преход с дебелина няколко микрона. Отгоре се нанасят противоотражателни покрития, които намаляват отражението и увеличават количеството на погълната светлина. Слоят се нанася чрез плазмено-химичен метод и има дебелина няколко десети от микрона. След това подложката се метализира. На задната стена се прави пълна метализация, а на предната - мрежа от тънки и дебели тоководещи шини. Използва се печатна технология със сребърна паста. Задният контакт е направен с отпечатване на метална паста, обикновено алуминий. След този етап металните електроди се подлагат на топлинна обработка (синтероване), за да се постигне добър електрически контакт със силиция. Накрая батериите се свързват последователно (и/или в паралел) чрез плоски проводници и се събират в модули. Панелите имат защитен екран от закалено стъкло на предната страна и полимерна капсулация на гърба.

Технологията за производство на кристалните фотоволтаици е енергоемка и е логично цените на панелите да остават високи при тенденцията за ръст на цените на енергията. Една от иновативните разработки в посока снижаване на производствените разходи предлага елементарна химическа обработка, която може да елиминира потребността от нанасянето на сегашното скъпо антирефлекторно покритие на фотоволтаичните панели. Процесът, който представлява химическа баня - потапяне на пластините в разтвор от няколко химически вещества, които са базирани на водород, хлор и злато, създава антирефлекторен слой черен силиций върху повърхността на силициевите пластини. Реализира се при умерена температура и налягане и е лесен за въвеждане в технологичното оборудване на повечето заводи за соларни панели, твърдят изследователите.

Тънкослойни фотоелементи
На основата на тази технология се произвеждат клетки от различни материали, които са отложени във вид на много тънък слой върху дадена подложка. За сравнение, при класическите силициеви елементи дебелината на фотоклетката е от порядъка на 0,2 mm или 200 mm, докато при тънкослойните елементи дебелината на генериращия слой е само няколко микрометра. Дебелината на слоя се определя от коефициента на поглъщане на светлината на даден материал. В случай че слоят е много тънък, светлината би преминала през него без да бъде погълната, а следователно и без да се генерира електричество. Чрез използването на тънкослойната технология се намалява сериозно цената на фотоелементите.

Основният представител на използваните за тънкослойните технологии материали е аморфният силиций (Amorphous Silicon, a-Si). Той преобразува светлината около 40 пъти по-ефикасно от монокристалния, което позволява използването на слоеве с дебелина до 1 mm, нанесени върху основа от стъкло, стомана или друг материал. Реализират се и фотоволтаични клетки с основа от гъвкава пластмаса. Типичната структура на тънкослоен фотоелемент е дадена на фиг. 2.

Предимство на аморфния силиций е значително по-ниската цена на РV клетката, което определя както приложението му в масови устройства - калкулатори, градински осветители, така и в специализирани - например сензори. Недостатък на аморфния силиций е по-малкият коефициент на преобразуване на енергията с типични стойности между 5 и 7% за серийно производство и до 13% в лабораторни модели.

Сравнително голяма е стойността на h при тънкослойния кадмиев телурид (CdTe), технологията за чието нанасяне е проста и подходяща за серийно производство. Такива РV клетки са използвани в действащи слънчеви електроцентрали в Германия и САЩ, както и в строящи се 100-мегаватови в Германия и Малайзия.

Също тънкослоен материал е медно-индиевият двуселенид (CuInSe2) със съкращение CIS, който реално съдържа и малки количества елементи от I, III и V група и осигурява h = 13,5%. Независимо от сравнително високата му засега цена той е привлекателен с възможността за производство на РV клетки с предварително зададени характеристики, необходими за конкретно приложение. Има и серийно производство на гъвкави клетки от този тип (Pliable SIC Solar Cell). За увеличаване на h до 19,5% е разработена технологията CIGS, буквата G в чието съкращение отразява прибавянето на съединението CuGaSe2. Съществуват и лабораторни разработки на гъвкави клетки от този тип с основа от полиамид и h = 14,1%.

Едно от основните предимства на всички тънкослойни технологии е много по-малкото количество на използваните полупроводникови материали (около 1%) в сравнение с обемните технологии. Например за площ от 1 m2 е необходим около 1 g аморфен силиций.

Друг тип са многопреходните клетки (Multijunction Cell), чието наименование се дължи на използването на няколко различни полупроводника (например GaAs, Ge и GaInP2) и имащи, съответно, няколко прехода между тях. Всеки от полупроводниците преобразува максимално ефективно определена част от електромагнитния спектър (не само видимия) на слънчевата светлина, с което се увеличава h. Съществуват лабораторни образци с h = 40%, от които се очаква производство на електроенергия на същите цени, както класическите електроцентрали. Поради високата засега производствена цена приложенията им доскоро се ограничаваха главно в космически апарати, но вече има такива и за битови цели.

Главното предимство на новите технологии за тънкослойни модули е постигането на ниска цена на ват за модулите. То следва от използването на недефицитни материали, малко енергия и несложно оборудване, както и от факта, че слоевете им са от 100 до 300 пъти по-тънки, в сравнение с дебелината на силициевите кристални клетки.

Хибридни технологии
За съчетаване на предимствата на описаните разновидности са създадени РV клетки, при които от двете страни на пластинка от монокристален силиций тип N се нанася по един много тънък слой аморфен силиций фиг. 3. Легирането на последните е твърде слабо, поради което съпротивлението им е между това на собствен и легиран полупроводник. Тъй като единият слой е тип Р, а другият тип N, преходите между тях и монокристалния силиций са различни, което определя наименованието на клетката HIT Cell (Heterojunction with Intrinsic Thin Layer). Типичната стойност на h е 17,8%. За по-нататъшно увеличаване на h при запазване на ниската цена има лабораторни разработки на двойни клетки (Tandem Cell, Stacked Cell) с два тънки фоточувствителни слоя – горен от аморфен силиций и долен от нанокристален силиций (Nanocrystaline Silicon, nc-Si), който улавя и инфрачервените лъчи. Друг разработван със същите цели тип са РV клетките от тънкослоен кристален силиций върху стъкло (Thin-Film Crystaline Silicon on Glass, CGS). На негова основа се очаква производство на полупрозрачни РVС, които да се използват като стъкла за прозорци.

Технически предизвикателства в производството
Широкото използване на фотоелектрическите клетки за производство на електрическа енергия е свързано с необходимостта от производство на готови блокове от слънчеви клетки. Техническите предизвикателства основно са в посока отстраняване на примесите, съдържащи се в полупроводниковия материал. Примесите са важен проблем, тъй като променят ефективността на работа на клетката. Важни етапи от производствените процеси са повърхностно пасивиране на материала и нанасяне на антиотражателни покрития. Полагането на слънчевите фотоелектрически модули в защитен корпус е друга важна стъпка в процеса на производството им.