Международный коллектив ученых, в состав которого вошел старший научный сотрудник лаборатории разреженных газов Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, старший преподаватель Новосибирского государственного университета, кандидат физико-математических наук Александр Олегович Замчий, разработал высокоэффективный кремниевый солнечный элемент, коэффициент полезного действия которого приближается к рекордным значениям. Созданный исследователями концепт может использоваться в сфере возобновляемой энергетики для преобразования солнечного излучения в электричество. Итоги многолетней работы опубликованы в журнале Nature Energy.
В наши дни всё чаще можно услышать мнение, что из-за увеличения численности населения Земли и экономического роста к середине столетия мировое потребление энергии вырастет более чем вдвое. При этом добыча, транспортировка и использование традиционных ископаемых ее источников оказывают сильное негативное влияние на климат. Всё это приводит к существенному усилению роли возобновляемых источников энергии, которые должны стать одним из важнейших факторов глобального развития в недалеком будущем. Самой перспективной для выработки электроэнергии является солнечная — главным образом за счет колоссального потока излучения, поступающего на нашу планету, которое, тем не менее, необходимо эффективно улавливать и преобразовывать в полезную форму энергии для последующего использования.
Здесь на помощь приходит солнечный элемент (СЭ) — фотовольтаическое устройство, обеспечивающее прямую конвертацию солнечного излучения в электричество, минуя стадии тепловой и механической форм энергии. «В основе работы СЭ лежит явление внутреннего фотоэлектрического эффекта в полупроводниковой структуре с p-n-переходом. Так называется область соприкосновения двух полупроводников с разными типами проводимости — дырочной (p) и электронной (n). Поглощение оптического излучения такой структурой (при условии, что его энергия превышает значение ширины запрещенной зоны полупроводника) приводит к возникновению фотоэлектродвижущей силы. При этом, если p-n-переход соединен с внешней цепью, в ней протекает электрический ток», — рассказывает Александр Олегович Замчий.
В настоящее время на мировом рынке фотовольтаики доминируют солнечные элементы на основе пластин из кристаллического кремния. Доля таких устройств — около 95%. Этому классу СЭ свойственны высокая эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую и долговременная стабильность характеристик. При этом кремний до сих пор остается основным материалом солнечной фотовольтаики. Главными его преимуществами являются экологическая безвредность, наличие практически неисчерпаемых запасов дешевого сырья для получения данного полупроводникового материала, а также высокий уровень развития технологий современной электроники на основе кремниевой элементной базы.
Сегодня основной задачей кремниевой фотовольтаики является увеличение коэффициента полезного действия (КПД) устройств, преобразующих энергию Солнца в электричество. Однако эффективность большинства СЭ на основе кристаллического кремния ограничена процессами рекомбинации носителей заряда, в том числе в области контакта кремниевой пластины с металлическими электродами устройства. Каждый акт рекомбинации приводит к исчезновению электронно-дырочной пары, что негативным образом сказывается на эффективности функционирования СЭ. Для того чтобы уменьшить вероятность рекомбинации на поверхности пластины кристаллического кремния и тем самым улучшить КПД солнечного элемента, используют технологии пассивации ее поверхностных дефектов, покрывая пластину тонкими пленками различных материалов. «На сегодняшний день варианты пассивирующих контактов, реализуемые при создании солнечных элементов, базируются на применении тонких пленок аморфного и поликристаллического кремния, то есть материалов, обладающих значениями ширины запрещенной зоны, близкими к монокристаллическому кремнию. В нашей работе представлено исследование по разработке и оптимизации качества высокопрозрачного пассивирующего контакта (ВПК), созданного на основе ультратонкого слоя диоксида кремния (SiO2), двухслойного нанокристаллического гидрогенизированного карбида кремния n-типа (nc-SiC:H(n)), а также пленки оксида индия-олова (ITO) и выполняющего роль лицевой стороны СЭ на основе кристаллического кремния. В целом использование ВПК в структуре солнечного элемента — абсолютное ноу-хау», — добавляет Александр Замчий.
Потенциально предложенный учеными ВПК может сочетать отличные пассивационные свойства поверхности пластины кристаллического кремния, высокую проводимость и оптическую прозрачность — характеристики, необходимые для создания высокоэффективного солнечного элемента. Однако одновременная оптимизация указанных свойств ранее оставалась сложной задачей, которую исследователи решили при помощи использования низкотемпературных процессов. Сперва специалисты путем окисления пластины из монокристаллического кремния в жидком реагенте создали ультратонкий (толщиной около 1 нм) пассивирующий слой SiO2, после чего еще повысили качество пассивации путем последующего нанесения слоя карбида кремния, который получили методом химического осаждения с горячей нитью (hot wire chemical vapor deposition, HWCVD). Учитывая высокое удельное поверхностное сопротивление карбида кремния, для эффективного сбора фотогенерируемых носителей заряда на структуру напылили слой оксида индия — олова (ITO). При этом тыльная сторона получаемого СЭ формировалась на основе тонких слоев классического аморфного кремния. В итоге ученые создали солнечный элемент с лицевой стороной на основе ВПК, коэффициент полезного действия которого равен 24% (на сегодняшний день мировой рекорд эффективности для СЭ в двухконтактной конфигурации составляет около 26%). Последний штрих — нанесение на готовую структуру ВПК антиотражающего покрытия из фторида магния помогло повысить КПД солнечного элемента.
«Создание высокоэффективных устройств на основе ВПК стало возможным благодаря решению фундаментальной проблемы, связанной с синтезом слоев карбида кремния методом HWCVD. Чтобы одновременно обеспечить высококачественную пассивацию и низкое значение последовательного сопротивления устройства, в структуре ВПК мы использовали двухслойный nc-SiC:H(n). При этом нижний слой был синтезирован при низких, а верхний слой при более высоких температурах нити. Вторая проблема, которая стояла перед нами, — это воздействие на структуру ВПК, оказываемое ультрафиолетовым излучением кислородной плазмы и распыленными ионами в процессе синтеза оконного слоя оксида индия-олова, что значительно ухудшало качество пассивации контакта. Эту проблему мы решили путем систематических исследований и оптимизации условий распыления ITO в сочетании с последующими низкотемпературными отжигами, оказывающими эффект залечивания дефектов», — комментирует Александр Замчий.
Помимо этого ученые исследовали механизм пассивации и принцип работы высокопрозрачного пассивирующего контакта, а также проанализировали оптические потери, основываясь на численном моделировании, с указанием путей достижения КПД солнечного элемента на основе ВПК на уровне 26%. Исследователи полагают, что проделанная ими работа заинтересует производителей фотовольтаических устройств.
Работа была выполнена в Институте энергетических исследований (IEK5 — Фотовольтаика) Исследовательского центра Юлих (Германия) группой кремниевых гетероструктурных солнечных элементов и модулей под руководством доктора философии К. Динга. А. О. Замчий участвовал в проекте благодаря поддержке Германской службы академических обменов (DAAD) и Министерства науки и высшего образования России в рамках совместной программы.
Андрей Фурцев
Фото из открытых источников
Информация и фото предоставлены Управлением по пропаганде и популяризации научных достижений СО РАН
