Производство солнечных батарей на основе мультикристаллического кремния

Стремление человечества найти новый неиссякаемый источник энергии, безопасный для нашей и других планет, привел к тому, что солнечная энергетика на сегодняшний день становится все более и более популярной по всему миру. Потребление человеком энергии растет, и по прогнозам к 2015 году оно составит уже 361 ГВт, а традиционные ресурсы (нефть, газ и уголь) на Земле ограничены, кроме того, их интенсивное использование человеком загрязняет планету. По сравнению с другими альтернативными источниками энергии (гидроэнергия, механическая и тепловая энергия мирового Океана, ветровая и геотермальная энергии), энергия Солнца имеет неограниченный потенциал. Солнце излучает колоссальный поток энергии (см. рис. 1), нужно только научиться правильно использовать ее.
Неудивительно, что наряду с энергосберегающими программами на мировом рынке давно уже уделяют самое большое внимание развитию технологий и снижению цен на солнечные батареи; над этой проблемой работают ведущие институты и производители. Правительства многих стран принимают Программы поддержки солнечной энергетики; в России, к сожалению, подобной программы пока не разработано. И хотя наше государство приняло ряд поправок в ФЗ «Об электроэнергетике», разрушив таким образом монополию в сфере энергетики, однако подзаконных актов под это еще нет, и неизвестно, как они будут выглядеть.
Мировой вклад России в производство фотоэлектрических станций на сегодняшний день составляет не более 1%, тогда как солнечная фотоэнергетика является одной из наиболее быстро растущих отраслей мировой экономики (с темпами роста — 30…50% в год). При этом в нашей стране даже еще нет лабораторий, осуществляющих испытания и сертификацию солнечных элементов и модулей по международным стандартам. Поэтому для Европы Россия в смысле солнечной энергетики, пока является настоящим «белым пятном».

Рис. 1. Раскаленный шар Солнца — неиссякаемый источник энергии	Рис. 2. Секции фотоэлектрической электростанции

Одним из преимуществ использования солнечных батарей является тот факт, что фотоэлектрические электростанции (ФЭС) — самые экологически чистые и легко возводимые, благодаря своей модульной конструкции (см. рис. 2). Кроме того, ФЭС характеризует:
– высокая надежность (до сих пор они являются источником питания практически для всех спутников на земной орбите, потому что работают без поломок и почти не требуют технического обслуживания);
– низкие текущие расходы (благодаря отсутствию подвижных частей, ФЭС не требуют особого ухода);
– экологичность (это бесшумные и чистые модули, при их работе не происходит сжигания топлива);
– модульность (благодаря этому свойству, ФЭС могут достигать совершенно разных размеров, в зависимости от потребности в электроэнергии);
– длительный срок службы (работают до 30 лет), низкие затраты на строительство (обычно ФЭС строят близко к потребителю, т.е. нет нужды тянуть линии электропередач на дальние расстояния, не нужно закупать трансформаторы);
– и, конечно, следует отметить независимость ФЭС от изменения цен на энергоносители.
Особенной популярностью солнечные батареи пользуются в южных странах, где их устанавливают непосредственно на крышах жилых домов, иногда такие батареи можно увидеть практически на каждом доме. Назову только несколько крупных «солнечных парков»: «Солнечный парк» SPEX в Испании на 30 МВт, способный обеспечить энергией до 16000 домов; «Солнечный парк» в Баварии на 11 МВт и в Лейпциге на 5 МВт; в Португалии — на 11 МВт; в Южной Корее — на 4 МВт и в Израиле — на 100 МВт.
На сегодняшний день существует несколько технологий производства солнечных батарей, основанных на использовании того или иного материала при изготовлении пластины. Основано это на различном поглощении разными материалами солнечного излучения (см. рис. 3).
Среди наиболее широко используемых материалов можно назвать моно- и поликристаллический кремний, а также GaAs, CdTe, аморфный кремний и многие другие. В соответствии с выбранным материалом применяется определенная технология, которая отличается этапами производства и набором оборудования.
Наиболее часто в качестве сырья используется моно- и поликристаллический кремний. КПД пластин на основе этого материала (см. рис. 4) колеблется в пределах от 13 до 18% (в настоящее время ведущие производители солнечных батарей пытаются повысить КПД до 19%). Такие пластины очень хрупкие, требуют дополнительной защиты, но значительно дешевле пластин из других материалов.

Рис. 3. Уровень поглощения солнечного излучения разными материалами	Рис. 4. Образец пластины солнечной батареи на основе кремния

Тонкопленочная технология основана на использовании таких материалов как CdTe, GaAs или аморфный кремний. КПД таких пластин также не превышает 20%, хотя в перспективе есть планы увеличения его до 22%. В зависимости от используемой подложки такие батареи могут гнуться, весьма устойчивы к механическим воздействиям, герметичны. Стоимость их выше стоимости кремниевых систем.
В настоящее время ведущие институты России и мира ведут разработки по созданию солнечных элементов на основе многослойных структур, это очень трудоемкая работа, но она позволит повысить КПД до 33%.
На сегодняшний день производство солнечных батарей в промышленном масштабе наиболее рентабельно выполнять по кремниевой технологии, это наиболее изученная и дающая наивысший выход технология производства. Ниже приведена схема производства солнечных батарей на основе мультикристаллического кремния. Технологическая цепочка складывается из следующих этапов:
– подготовка кремниевой пластины, очистка ее после резки, промывка;
– структурирование поверхности пластины, создание топологии на ее поверхности, травление;
– легирование, нанесение фосфора;
– диффузия фосфора, вжигание;
– создание P-n-перехода, изолирование его, удаление ненужных слоев;
– нанесение антиотражающего слоя SiN;
– металлизация (создание металлических контактов на обратной стороне пластины методом трафаретной печати);
– сушка и вжигание;
– создание контактов на лицевой стороне пластины;
– выравнивание пластины;
– проверка и тестирование.
Оборудование под каждый из этапов поставляют европейские и американские компании — RENA, Roth&Rau, DESPATCH, BACCINI, MANZ, входящие в число мировых лидеров по производству оборудования в сфере солнечной энергетики. В России данные компании представляет ООО «СОВТЕСТ АТЕ».
Далее рассмотрим, какое оборудование применяется на каждом этапе производства.
Пластины на производство поступают практически готовыми к дальнейшему их использованию, необходимо только удалить повреждения, образующиеся на поверхности при резке. В этих целях применяется оборудование для выполнения жидкостной химической обработки, производителем которого является компания RENA (Германия). Помимо этого, установки компании, а в частности система серии InTex, улучшает светоудерживающие свойства пластин путем создания особой структуры на их поверхности.
На рисунке 5 приведена фотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа, структуры поверхности пластины после обработки ее в системе InTex (см. рис. 6). Данный процесс выполняется с помощью кислотных (реже — щелочных) реагентов. Системы позволяют работать с пластинами диаметром 125 и 156 мм, толщиной от 150 мкм.

Рис. 5. Фотография подготовленной поверхности пластины	Рис. 6. Установка жидкостной химической обработки серии InTex

Следующий этап — процесс нанесения на пластину слоя фосфора и его вжигание, эти процессы могут быть выполнены на одной установке — в диффузионной печи компании DESPATCH (см. рис. 7), которая позволяет выполнять процесс одновременно на двух сторонах пластины.
Печи этой компании отличает довольно высокая производительность, однородность поддержания температуры внутри печи и высокая скорость набора температуры, а также способность конфигурирования конвейера как справа налево, так и слева направо.

Рис. 7. Диффузионная печь компании DESPATCH	Рис. 8. Установка снятия слоев фосфосиликатного стекла серии InOx

После диффузии пластины попадают на установку компании RENA — в систему серии InOx (см. рис. 8), предназначенную для эффективного снятия ненужных слоев фосфосиликатного стекла (что необходимо для повышения производительности), а также выполняющую дополнительную очистку пластин перед осаждением нитрида кремния, которое выполняется на установке компании Roth&Rau (см. рис. 9).
Оборудование серии SiNA^® предназначено для нанесения антиотражающего покрытия (SiN) и для пассивации солнечных батарей. Данная установка выполняет один из основных этапов в производстве солнечных батарей, т.к. этот процесс сильно влияет на КПД батарей. Следующий этап — создание металлических контактов на обратной стороне пластины. Можно выполнить методом трафаретной печати (например, на принтерах компании BACCINI), после чего пасту сушат в печах DESPATCH.
После всех этих процессов практически в 100% случаев пластина приобретает изгиб вследствие термического напряжения различных материалов осаждением нитрида кремния (см. рис. 10); избавиться от него необходимо, чтобы в дальнейшем, при встраивании пластин в модули, не произошла их поломка.

Рис. 9. Установка осаждения нитрида кремния компании Roth&Rau	Рис. 10. Образец изогнутой пластины

Для этого компания DESPATCH разработала специальную установку — систему быстрого термического шока серии IL-RTS (см. рис. 11). Эта система имеет несколько рабочих зон, где пластины сначала подвергаются очень резкому охлаждению — до –70 °С, а потом — нагреванию до +200 °С. Эта установка позволяет значительно снизить риск растрескивания пластин при дальнейшей работе с ними, а также дает возможность расширить список используемых для печати паст.
Все процессы в описанной выше линейке оборудования выполняются автоматически, каждый из этапов всей технологической цепочки соединен со следующим. Автоматические роботы для загрузки и разгрузки пластин, а также промежуточные конвейеры поставляет немецкая компания MANZ Automation (см. рис. 12). Один такой робот способен перемещать до 3600 пластин в час, при этом риск поломки не превышает 0,1%. Разработанные компанией MANZ роботы имеют большое преимущество перед обычными механическими держателями, т.к. позволяют работать с очень тонкими пластинами, толщина которых может опускаться ниже 120 мкм.

Рис. 11. Система быстрого термического шока серии IL-RTS	Рис. 12. Автоматический робот для загрузки и разгрузки пластин компании MANZ Automation

Помимо автоматизации, компания также поставляет тестеры, которые могут быть использованы для оценки качества пластин как на входе, так и на выходе из линейки.
В заключение хочется отметить, что сейчас у нашей страны есть все предпосылки для развития солнечной энергетики — это мощная сырьевая база, предприятия и научные организации, производящие солнечные модули. На таком серьезном фундаменте уже можно начинать строить современную отечественную индустрию в сфере фотовольтаики.