автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Деградационные процессы в тонкопленочных солнечных элементах

Зезин Денпс Анатольевич

ДЕГРАДАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СОЛНЕЧНЫХ

ЭЛЕМЕНТАХ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро - и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2014

Iе пайт

005548094

Работа выполнена на кафедре "Полупроводниковой Электроники" Национального исследовательского университета «МЭИ».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

профессор, доктор физико-

математических наук, Воронков Эдуард Николаевич

доктор физико-математических наук, профессор, зав. кафедрой физики ФБГОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ) Никитенко Владимир Александрович

кандидат технических наук, Безмен Владимир Петрович, руководитель группы ОАО «Российские космические системы»

Ведущая организация:

федеральное государственное

автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Защита состоится « 24 » июня 2014 г. в ауд. К - 102А в 15 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.06 Национального исследовательского университета «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ МЭИ и на сайте ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» URL: http:Wwww.mpei.ru.

Автореферат разослан « 24 » апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.06,

Доктор технических наук, профессор

Мирошникова И. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Запасы минеральных ресурсов даже самых богатых стран не безграничны, поэтому вопрос создания источников энергии, альтернативных традиционным, весьма актуален. Современной науке известны несколько способов получения энергии с помощью возобновляемых источников, однако только потенциал солнечной энергетики может обеспечить наши текущие потребности в электроэнергии.

Солнечная энергетика сегодня вырабатывает примерно в 100 раз меньше чем традиционные источники. Тем не менее, рост производства солнечных батарей в последние шесть лет хорошо описывается экспоненциальной зависимостью, в то время как рост традиционной энергетики линеен. Если темпы строительства солнечных электростанций останутся прежними, то уже к 2020 году производство электроэнергии солнечными батареями будет сравнимо с прогнозируемой выработкой традиционных электростанций. Проблема заключается в том, что увеличение мощностей с нуля до современных 90 ГВ потребовало больше 20 лет, при этом капитальные вложения (в пересчете на один год) можно признать несущественными по сравнению с другими сферами деятельности человека. Иначе выглядит задача за оставшиеся 10 лет построить в 100 раз больше мощностей. Даже с учетом снижающейся стоимости солнечных батарей, к 2020 году суммарно нужно будет вложить около 10 трлн. $. И эта сумма, которую придется изыскать только для покупки собственно солнечных батарей. С учетом транспортировки, монтажа, и стоимости сопутствующей электротехники придется потратить в несколько раз больше. Кроме того, солнечные батареи занимают много места. Для строительства придется выделить площадь примерно равную площади Великобритании (240000 кв. км), покупка земли также увеличит расходы. Очевидно, что такие траты не окажутся фатальными, если их распределить примерно до 2050 года. Тогда возникнет новая проблема: смогут ли те батареи, которые мы установили сейчас доработать до 2050 года без сбоев? Не произойдет ли так, что достроив к 2050 году необходимое количество мощностей, мы обнаружим, что половина наших солнечных электростанций уже вышла из строя, ведь производители сейчас гарантируют в среднем 20 лет работы, при этом до момента отказа батареи гарантированно потеряют 10-20% мощности.

В этой связи, для дальнейшего развитая солнечной энергетики необходимо с одной стороны обеспечить высокую надежность солнечных батарей, которая позволит увеличить срок службы батареи и снизить затраты на производство солнечной энергии. С другой стороны необходимо внедрять энергоемкие тонкопленочные технологии, которые могли бы за сравнительно небольшое время обеспечить масштабное производство для покрытия больших площадей (например, технология roll to roll).

Цель работы

В связи с этим, основная цель работы заключалась в выявлении основных процессов, приводящих к деградации тонкопленочных солнечных элементов и батарей на их основе, их анализе, объяснении, и построении расчетных моделей, которые бы позволили оценить влияние конструктивно-технологических параметров

DP

и условий эксплуатации на деградацию солнечных элементов и длительность жизненного цикла солнечных электростанций.

Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи:

1. На основе анализа собственных и литературных данных выявить основные физические причины деградации тонкопленочных солнечных элементов и батарей, перспективных для использования в массовом производстве;

2. Выполнить соответствующие расчеты на основе известных и разработанных в рамках данной работы моделей, сравнить их с полученными в работе экспериментальными данными и данными, имеющиеся в литературе;

3. Предложить способ описания деградации, пригодный для оценки жизненного цикла солнечных электростанций уже на стадии их проектирования.

4. На основе результатов работы дать практические рекомендации проектировщикам при расчете жизненного цикла современных солнечных электростанций.

Научная новизна работы

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе допущения об определяющем влиянии на деградацию СЭ межкристалл итных границ впервые создана деградационная модель поликристаллических тонкопленочных солнечных элементов. Ее достоверность подтверждена соответствующими расчетами и известными экспериментальными результатами. При этом впервые показано, что происходящие при эксплуатации процессы на границах солнечных элементов могут приводить как к снижению, так и повышению эффективности СЭ

2. Впервые проведено сравнительное исследование деградации тонкопленочных солнечных элементов на основе а-вШ, в темноте и на свету для солнечных элементов, изготовленных на гибкой металлической подложке. Результаты исследования позволили отвергнуть, высказанное в ряде работ предположение об определяющем влиянии на темновую деградацию окислительных процессов.

3. На основе полученных автором экспериментальных данных и допущения об определяющем влиянии на темновую деградацию метастабильных дефектов в обедненной области впервые создана деградационная модель солнечных элементов на основе а-БШ в темноте. Ее достоверность подтверждена соответствующими расчетами и поставленными автором экспериментами.

Практическая значимость работы

• Выявлены зависимости электрических параметров солнечных элементов на основе CdTe от состояния границ поликристаллической пленки.

• Проведены экспериментальные исследования и расчеты темновой деградации солнечных батарей на основе a-Si:H.

• Разработаны SPICE-библиотеки солнечного элемента с учетом деградационных процессов, исследованных в работе, для моделирования времени безотказной работы солнечных батарей.

Достоверность научных и практических результатов

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов определяется использованием современного высокоточного сертифицированного оборудования, воспроизводимость результатов эксперимента для большого количества образцов, а также подтверждаются соответствием полученных расчетных и экспериментальных данных.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Модель темновой деградации солнечных элементов на основе аморфного кремния, подтвержденная соответствующими экспериментальными и расчетными результатами.

2. Модель деградационных процессов в поликристаллических материалах.

3. SPICE - модель солнечного элемента с учетом деградации.

Личный вклад автора

Автору принадлежат идеи по постановке основных экспериментов и их реализация, включающая конструирование и создание измерительных установок, подготовку образцов к измерениям, сами измерения. Автору принадлежат так же основные идеи, положенные в основу предложенных в работе моделей численной оценки эксплуатационных потерь наземных солнечных электростанций как на стадии их проектирования, так и эксплуатации. Автором разработаны модели деградации тонкопленочных солнечных батарей на основе a-Si:H и CdTe, которые могут быть использованы при инженерном проектировании солнечных электростанций. Также автором составлены программы по автоматизации измерений и обработке их результатов.

Апробаиия работы

Полученные в рамках диссертационной работы результаты были использованы при подготовке раздела, посвященного тонкопленочным солнечным батареям в курсе "Полупроводниковые нетрадиционные источники энергии", читаемого в НИУ МЭИ специалистам по направлению 210100 (550700).

Результаты диссертации изложены в 8 работах (в том числе 3 из списка изданий, рекомендуемых ВАК), которые приведены в списке работ автора, опубликованных по теме диссертации, а также докладывались и обсуждались на перечисленных ниже конференциях и семинарах:

1. Международные научно-методические семинары "Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" МНТОРЭС им. A.C. Попова в 2011 и 2012 гг.

2. XV, XVIII и XIX международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Секция "Полупроводниковая электроника", Москва, МЭИ, 2011 и 2013 г.

3. II всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноматериалы», Рязань, 2009

4. VIII Международная конференция «Аморфные и мшфокристаллические полупроводники». Научно-образовательный центр нанотехнологий РАН, Санкт-Петербург, 2012.

5. Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, студентов и аспирантов НИУ МИЭТ, 2013

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы, а также приложений. Изложена на 129 страницах, содержит 54 рисунков, 5 таблиц, 87 ссылки на литературные источники.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Обоснована актуальность выбранной темы. Приведено краткое обсуждение текущего объема производства и потребления электроэнергии. Сделан вывод о необходимости развития солнечной энергетики, которая имеет потенциальную возможность обеспечения жителей планеты необходимым объемом энергии.

1. Основные типы солнечных элементов второго поколения и их надежиость

В первой главе дается краткий литературный обзор основных типов солнечных элементов второго поколения. Даны сведения о технологии производства солнечных батарей на основе аморфного кремния и приведены некоторые типовые структуры солнечных элементов. Также во введении рассмотрен теллурид кадмия как материал, который потенциально может заменить кремний благодаря ширине запрещенной зоны (1.45 эВ подходит для поглощения большей части солнечного спектра) и высокому коэффициешу поглощения в области видимого света (>10 см', что позволяет делать слои всего в несколько микрон для поглощения >90% падающего излучения).

Далее рассматриваются основные механизмы отказов солнечных батарей, описанных выше типов.

Показано, что основным недостатком батарей на основе аморфного кремния является Эффект Стеблера - Вронского, при котором батарея теряет значительную часть начального КПД под действием света (рис. 1). Приведены основные модели, объясняющие данный эффект.

Время (ч)

Рис. 1. Проводимость как функция времени до, во время, и после засветки (200

Вт/см2, 600-900 нм)

Аналогичный обзор приведен для солнечных батарей на основе CdTe. Показано что батареи данного типа деградируют в результате нескольких факторов: генерация дефектов, электромиграции, шунтирования примесями. Приведены данные также об аномальных случаях, при которых солнечные панели показывали исключительно высокие значения отказоустойчивости.

2. Деградация солнечных элементов на основе аморфных полупроводниковых

пленок

Во второй главе дано описание экспериментального исследования деградации солнечных батарей на основе a-Si:H.

Для измерений использовались тестовые образцы, изготавливавшиеся в качестве контрольных параллельно с солнечными элементами (СЭ), на промышленной технологической линии фирмы ECD (Troy USA) (рис. 2).

В качестве подложки (отрицательный контакт) использовался тонкий лист нержавеющей стали, на который наносились: слой алюминия (отражатель и контакт), «буферный» слой из проводящего оксида цинка (контакт к слою a-Si:H «-типа), три последовательно соединенные тонкопленочные pin-структуры на основе a-S¡H, фронтальное просветляющее покрытие из InxSnyO (/ТО), служившее контактом к слою a-Si:H р-типа. На фронтальную поверхность наносились токособирающие электроды. Слои аморфного кремния наносились в тлеющем разряде из рабочей смеси газов, содержащих силан и водород. Для создания слоев с электронной или дырочной проводимостью в рабочую смесь добавлялись фосфин или диборан. За счет изменения состава рабочей смеси и температуры подложки, изменялась кривая оптического поглощения /-области для каждого из каскадов. Основное поглощение фронтального слоя приходилось на синюю область солнечного спектра, тыльного на красную, и среднего - на зеленую. Согласование значений фототока осуществлялось

за счет изменения толщины слоев. Максимальную фото э.д.с. генерировал верхний электрод, минимальную - нижний.

Контакт "+"А§ Контакт "+"Ag

просветляющее покрытие 1П2О3

ргя-структура для поглощения синей части спектра

р/и-струюура для догаощения зелёной части спектра

/««-структура для пошощения красной части спектра

Буфферный слой гпО

Алюминиевый отражатель

Контакт "-" нержавеющая сталь

Рис. 2. Схематическое изображение структуы исследованных в работе образцов

СЭ на в-вкН

Для оценки деградации СЭ на свету и в темноте партия из 40 образов была разделена на две части. В период с конца мая по начало сентября часть образцов выдерживалась под естественным освещением. Затем до следующего летнего сезона все образцы хранились в темноте. При этом как засвеченные, так и незасвеченные образцы хранились при прочих равных условиях (температура, влажность, и т.д.) Для каждого из образцов периодически измерялись темновая и световая вольт-амперные характеристики, по которым рассчитывались параметры СЭ: плотность тока короткого замыкания фс), напряжение холостого хода (Уос), пиковая мощность (Ртах), последовательное и параллельное сопротивления (Яв и ЯбЬ соответственно). На рис. 3 представлена одна из измеренных зависимостей (результат усреднен по всем образцам).

5.6

5.4

......I...... * .......|......;......{.....!.......

! ......'......|......

.. . .!. . ! -

! ....... : .......;....... ......N V- .......|.......|.......;.......|.......

•----1 ' ; 1 \ \ \ .......1......{.......|.......;.......

I *

: 'Ч .......1.......;.......1.......

.......;....... I : : Ч

...... ; ! ! ......;....... .......).......;......I.....|....... \ 1 4

! N ч

; : :...... :г

.......т...... ; ! ......: т : .......1.......1.......1.......1...... ! :

5.2

4.8

4.6

4.4

2000

4000

6000 Бремя работы, [ч]

8000

10000

12000

Рис. 3. Зависимость тока короткого замыкания от времени хранения. Сплошная линия - не засвеченные образцы, пунктирная линия - засвеченные образцы

Затем для каждого параметра была дана статистическая оценка деградации. Результаты измерений для каждой из групп нормировались по среднему значению, а затем апроксимировались нормальным (гауссовым) распределением плотности вероятности по формуле:

где р — среднее значение, а2 — дисперсия результатов выборки.

На основании выполненных измерений сделан вывод о том, что со временем как для экспонированных на свету, так и не экспонированных образцов происходит уменьшение плотности тока короткого замыкания.

Напряжение холостого хода падает для засвеченных образцов и растет для не засвеченных. При этом дисперсия распределения параметров изменяется очень слабо, что может свидетельствовать о том, что приводящие к этим изменениям процессы

первоначальными различиями.

Шунтирующее сопротивление в среднем незначительно падает, несмотря на значительные изменения фототока и напряжения холостого хода. В то же время наблюдается весьма значительное возрастание последовательного сопротивления для всех образцов.

Для объяснения полученных результатов была создана физико-математическая модель.

Суть модели заключается в том, что смещение одного из атомов, из четырех связевого сайта в соседний трех связевый сайт сопровождается изменением его орбиталей с ер3 на ер2. При этом соответствующий энергетический уровень атома (прекурсора) изменяет свою энергию, приближаясь к середине запрещенной зоны. Модели центров такого типа широко используются при объяснении метастабильности полупроводниковых соединений, находящихся в кристаллическом (А3В5, А2В6), так и аморфном состоянии (аморфные тетраэдрические полупроводники, стеклообразные халькогенидные полупроводники).

В первоначальном тетраэдрическом состоянии атом выступает как мелкий донор, поскольку его внешний электрон имеет слабую связь с решеткой и большой радиус орбиты. В случае тройной связи связь электрона значительно сильнее и формируется глубокий ОХ центр. Атом может занимать различные положения, что может приводить к появлению тонкой структуры центра, соседние атомы могут оказывать влияние на его энергетическое положение.

Динамика процесса согласно рассмотренной модели может быть описана следующим образом

1 (х-М)2

(1)

примерно одинаково воздействуют на все образцы, т.е. не связаны с их возможными

dNs|dt«:Gt-a{Nт-rNs)

(2)

где И, - концентрация оборванных связей, ? - время засветки, С? - интенсивность света, а - масштабирующий коэффициент, Щ - концентрация прекурсора, у -константа, связанная с эффективностью цикла фотогенерация - термический отжиг для оборванных связей.

Отсюда несложно получить общеизвестную функцию экспоненциального вида:

ТУ, (0 = Л^ " [м^ЛО)]ехр(-к/тУ) (3)

где Р=\-а, г - константа, пропорциональная С1^. Это уравнение при соответствующих параметрах удовлетворительно может описать динамику наблюдаемых явлений.

Далее в главе проведены соответствующие расчеты, показавшие хорошее совпадение с результатами эксперимента.

1 2 Рис. 4. Конфигурация метастабильного центра, ответственного за темновую деградацию, солнечного элемента на основе д-вкН (1- основное состояние, 2 -метастабильное состояние, Ь - легирующий атом, 81 - атомы кремния, пунктиром обозначена оборванная связь).

3. Деградация поликристаллических солнечных элементов В третьей главе рассмотрена модель деградации тонкопленочных солнечных батарей на основе СсГГе, созданная в рамках данной работы.

Раздел посвящен, в основном, описанию возможной деградации поликристаллических СЭ. Основное внимание уделено построению модели, которая позволяет объяснить имеющиеся экспериментальные данные, может быть полезной разработчикам при выборе оптимальной технологии, а также проектировщикам солнечных электростанций при априорной оценке их возможной надежности уже на стадии проектирования.

К настоящему моменту накоплен большой экспериментальный материал по надежности СЭ. Однако существующие модели либо описывают весьма узкий физический феномен, либо используют большое количество полуэмпирических параметров и функций, не имеющих физического смысла. Поэтому созданию физически обоснованной модели и выполнению с ее помощью соответствующих расчетов посвящен данный раздел.

Поскольку особенности электрофизических свойств пленок С(1Те определяются влиянием границ раздела кристаллитов, логично предположить, что и особенности деградации солнечных батарей на основе этого материала обусловлены подобными эффектами. Основными эффектами, связанными с границами раздела, являются: сегрегация примесей, захват и рекомбинация на межграничных дефектах носителей заряда, и соответствующие значение высоты межкристаллигных барьеров. Именно изменением состояния этих границах будет в конечном счете определяться изменение параметров солнечных элементов в процессе их эксплуатации.

Для описания подобной системы наибольшее распространение получили модели, основанные на рассмотрении межкристаллигных барьеров. В этих моделях предполагалось, что на границах между кристаллитами формируются потенциальные барьеры, высота которых зависит от разности энергий уровня Ферми на границе и в объеме кристалла.

В работе представлена модель, предполагающая однородность состава и структурных свойств материала, в которой, используя типовые параметры материала (концентрации ловушек и их положение в запрещенной зоне, объемные времена жизни, коэффициенты диффузии и пр.), а также учитывая граничные условия, можно дать оценку жизненного цикла работы солнечной батареи. Важнейшим параметром для расчета влияния поверхности кристаллита на фотоэлектрические свойства полупроводника является время жизни. При расчете времени жизни предположим, что образец имеет конечные размеры и имеет форму прямоугольного параллелепипеда. При построении модели также допускалось, что все кристаллиты плотно прилегают друг к другу и могут иметь произвольную форму. Однако для расчетной модели использовалась некоторая гипотетическая пленка с кристаллитами одного размера эквивалентной сферической формы. Использование гипотетической сферы позволило исключить проблему неравномерного распределения поля и заряда по границам. Поэтому стало возможным считать пленку гомогенной с параметрами, равными некоторым эффективным параметрам, зависящим от параметров кристаллитов.

Далее, используя решение уравнения непрерывности с учетом граничных условий, было получено выражение для времени жизни в описанных выше приближениях:

12 т„г

~ 12г + 85г„ (4)

На рис. 5 представлен соответствующий результат расчета зависимости времени жизни от размера кристаллита.

1234 56789 10 Размер кристаллита [мкм]

Рис. 5. Зависимости эффективного времени жизни от среднего размера кристаллита при разных скоростях поверхностной рекомбинации

Далее в главе изложен вывод необходимых математических выражений для расчета скорости поверхностной рекомбинации в зависимости от параметров границ кристаллитов.

1

-1'

5 =

ск + сЪ

1 кТ } 1 кТ ]

(5)

Используя соответствующие формулы для расчета вольт-амперной характеристики и литературные данные по поведению поверхностного потенциала вблизи границ кристаллитов, была рассчитана кривая для деградации КПД поликристаллического солнечного элемента на основе СУТе. Результаты расчета представлены на рис. 6.

.......f..;4f№!p-:t:4tnffl .......•„ ..................... .......Ц'НЙЦ......4-H'HHri.......;-flf!'[iri.......•■•[■•!■ ШШ

: ■ : ; ; :; : i : : - : : ; i : : :: 1 • : ! t.......i"'t"':':??if: i........Г'И'Т?!'!" i.......Н"Н'ИШ

' , Г 1,, i : : : ii::: : j : : : ; if;:

*......Hilliipfflifl ..............f-i-fi-i-jfii.......f-j-f'rfi'i .......:....i..i. .......¡..i.i.i-i.......i-i-i ; : ■ : i : : H : ■ : : i : : i.......ri-Hil"! г';;;т;;гт]]гп1

..............¿.j.j. ¡.Li .............¡........... .......i....i..i..;.j.;i.ij.......\ Lij....... {.......

.............i.4.auiii.......1..4..Ц.ЦЩ.......;..±.а|.Ш!.......¡....j..;.;4U

.......'.ДЛ.ШЩ.......¿.|ШШ.......!....1..Ц:.Ш|.......L.Li..U!il!.......1...ШШ ....................................¡...¿..¡..ц;; i , : i ¡¡¡и i i i i ¡¡¡л i i i. .i.ii i i i i ¡;iii i iiiiii

iiil_I i i i iiiil_i i i i iiiil-i i i iiiiii

103 104 106 106

Наработка [ч]

Рис. 6. Зависимость коэффициента полезного действия от наработки солнечной батареи

4. Метод учета деградации солнечных элементов при расчете их надежности

В данной главе предложена классификация солнечных элементов по их надежности и проведен расчет солнечной электростанции (СЭС) с использованием моделей описанных в предыдущих главах.

Основная особенность СЭС заключается в том, что генерирующий электроэнергию солнечный элемент (СЭ) маломощный. При максимальной освещенности он способен отдавать в нагрузку мощность от одного до нескольких Вт, при напряжении, как правило, не превышающем 2В и токе от одного до нескольких ампер. СЭ устанавливаются в солнечной панели (СП). Одна СП может содержать до ста СЭ. В зависимости от мощности, СЭС должна содержать от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов СП. Организация такого большого количества объектов в единую сеть осуществляется по иерархической структуре с однотипными блоками разного уровня.

На первоначальном этапе (до момента реконструкции, связанной с выходом из строя отдельных СЭ) СЭС состоит из одинаковых СП, поэтому для общей мощности СЭС (Мех) можно записать:

N п N

Мсэс - YjMcn - YjMu - ZMCtf' (6)

1=1 1=1 (=1

где Мсп - пиковая мощность СП, N - число панелей, Ми - мощность интерфейсные блоков, включающих инверторы, кошроллеры и другое электронное оборудование, п - число интерфейсных блоков.

Солнечная панель в (6) рассматривается как начальный генерирующий элемент СЭС, отказ которого приводит к соответствующей потере мощности всей СЭС. Под отказом СП понимается выход эксплуатационных параметров панели за пределы, установленные при проектировании СЭС. Самыми ненадежными элементами СЭС являются интерфейсные боки, включающие инверторы и другие электронные блоки. Исключить из рассмотрения инверторы и другие элементы интерфейсного блока возможно, предположив, что каждый, не генерирующий электричество элемент имеет схему резервирования, которая обеспечивает ему работоспособность на протяжении всего жизненного цикла СЭС.

Структура параллельных соединений блоков СЭС - практически исключает каскадные отключения. Это позволяет при ее анализе допустить, что все отказы носят случайный характер, и отказ одного структурного элемента не приводит к отказу каких либо других элементов системы, однако выходная мощность СЭС уменьшается пропорционально числу отказавших СП. Режим эксплуатации и климатические условия, которые оказывают чрезвычайно сильное влияние на надежность панели, учитываются производителем и должны быть заложены в ее техническом паспорте и гарантийном сроке работы.

При сделанных допущениях для изменения мощности СЭС со временем можно записать:

где Мо - пиковая мощность электростанции в момент запуска, которая зависит от числа установленных панелей, /(0 -распределение плотности вероятности отказов панелей.

СЭС, по существу, является гигантской электронной схемой, а ее основной элемент СП - интегральная схема, состоящая из полупроводниковых СЭ. При оценке вероятности отказов р(() полупроводниковых приборов в качестве функции /А) чаще всего используется экспоненциальное распределение . Особенность этого распределения в том, что для него интенсивность отказов остается постоянной на любом интервале времени. Однако для СЭ и СП интенсивность отказов изменяется со временем. Объясняется это тем, что при производстве СЭ имеет место их искусственное старение путем выдержки при повышенных температурах и освещенностях, что позволяет отбраковать наиболее ненадежные устройства. Поэтому кривую вероятности отказов р(\) лучше описывает распределение Вейбулла:

p(t) = l-eUJ

где а- параметр, характеризующий время жизненного цикла, Ъ -параметр, характеризующий изменение распределения со временем.

Выпускаемые и разрабатываемые в настоящее время солнечные модули условно можно разделить на группы в соответствии с их гарантийным сроком, декларируемым производителями (I, II, III и т.д.). При этом к первой группе относятся

14

панели со сроком службы не менее десяти лет, ко второй группе не менее 20 лет к третьей 30 лет и т.д. Каждая из групп должна иметь подгруппы, различающиеся распределением интенсивности отказов во времени. Чем совершеннее конструкция и технология, тем меньше факторов влияющих на деградацию СЭ и компактнее во времени область интенсивных отказов.

Далее в работе приведены расчеты для солнечных панелей различных групп. Результаты расчетов представлены на рис. 7.

t, лет

Рис. 7. Зависимости интенсивности отказов от времени для солнечных батарей

различных групп

Далее в работе приведен расчет фотоэлектрической станции с использованием моделей описанных в предыдущих главах.

При создании макета станции требовалось получить заданную мощность (от 1 до 100МВт) при использовании типового модуля (60 СЭ, спаянных в виде двух лент по 30 элементов), мощностью 150 Вт (15 В, 10 А). При этом максимальное напряжение по постоянному току не должно превышать 1кВ (использовались требования правил эксплуатации энергоустановок в Евросоюзе).

Для того чтобы удовлетворить этим требованиям, фотовольтаические модули соединялись последовательно до получения максимально возможного напряжения, недостающая мощность вырабатывалась аналогичными цепочками модулей, соединенными параллельно, за счет вырабатываемого тока.

Безотказная работа модулей определяется надежностью самих фотовольтаических ячеек, а также паяных соединений, обеспечивающих электрический контакт между ячейками. При соединении модулей в цепочки необходимо использовать штекеры, поскольку внешние выводы, в отличие от паяных соединений, находятся в непосредственном контакте с окружающей средой. Кроме того, каждая такая цепочка снабжается инвертором, который необходим для

преобразования постоянного тока в переменный. По этим причинам безотказная работа солнечной электростанции также зависит от надежности штекеров и инверторов.

При расчетах надежности предполагалось, что все необходимые электротехнические соединения и оборудование (паяные соединения, штекеры и инверторы) подчиняются экспоненциальному закон}' распределения. То есть, их отказы рассматривались только как внезапные, интенсивность которых не меняется со временем.

В этом случае вероятность безотказной работы последовательно соединенных элементов и параллельно соединенных элементов Рр рассчитывается по формулам:

№=Г<!\ (9)

где п - число одинаковых элементов, соединенных последовательно.

р,(0=1-[1-Д0Г (10)

>

где т - число одинаковых элементов, соединенных параллельно.

На рис. 8 представлены некоторые результаты моделирования солнечной панели.

Рис. 8. Вольт-ваттная характеристика панели при разных временах

эксплуатации

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

• Разработана модель деградации тонкопленочных солнечных элементов на основе CdTe, в предположении, что определяющее влияние на деградацию солнечных элементов данного типа оказывают межкристаллитные границы.

• Показано, что в солнечных батареях на основе a-Si:H имеет место темновая деградация тока короткого замыкания и напряжения холостого хода. При этом при темповой деградации наблюдается снижение тока короткого замыкания и повышения напряжения холостого хода.

• Показано, что динамика наблюдаемой в эксперименте световой деградации эффекта Стеблера-Вронского аналогична динамике темновой деградации исследованных образцов.

• Разработана модель темновой деградации в солнечных батареях на основе а-Si:H, которая удовлетворительно описывает полученные в работе результаты. В основе модели было принято положение о решающей роли в деградации электрических характеристик солнечного элемента RTS - центров.

• Разработана SPICE-библиотека солнечного элемента с учетом деградационных эффектов, исследованных в работе. Проведены расчеты отказоустойчивости солнечной электростанции с использованием разработанной библиотеки.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные результаты диссертации опубликованы в 8 работах, 3 из которых в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК:

1. Зезин Д.А. Оценка надежности наземных солнечных электростанций на стадии их проектирования // Электротехнические комплексы и системы управления. №4/2013. С. 17-19.

2. Деградация солнечных элементов на основе гидрогенизированного аморфного кремния / Мурашев В.Н., Леготин С.А., Краснов A.A., Дудкин A.A., Зезин Д.А. // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. №4(64), 2013. С. 39-42.

3. Воронков Э.Н., Грозных В.А., Зезин Д.А. Прогнозирование надежности солнечных электростанций на стадии их проектирования // Промышленная энергетика. №2/2014. С. 50-54.

Материалы конференций:

4. Зезин Д.А. Воронков Э.Н. Деградационная модель поликристаллических слоев // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Восемнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 4 т. Т. 1. -М.: Издательский дом МЭИ, 2012. С. 272.

5. Зезин Д.А., Воронков Э.Н. Модель сегрегации примеси на границах поликристаллических слоев // Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология, учебный процесс): Материалы докладов научно-методического семинара (Москва 28 - 30 ноября 2011 г.) М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова, НИУ "МЭИ", 2012. С. 200-204.

6. Зезин Д.А., Латохин Д.В. Оценка некоторых факторов, влияющих на деградацию солнечных элементов на основе a-Si:H // Аморфные и микрокристаллические полупроводники: сборник трудов VIII Международной конференции. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2012. С. 26 - 27.

7. Зезин Д.А. Воронков Э.Н. Деградация трехкаскадных ФЭП на основе а-БШ // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Девятнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 4 т. Т. 1. -М.: Издательский дом МЭИ, 2013. С. 244.

8. Зезин Д.А. Оценка надежности наземных солнечных электростанций // Инновации, энергосбережение. Право: Тезисы докладов Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, студентов и аспирантов (Зеленоград, 23-24 мая 2013 г.) М.: НИУ МИЭТ, 2013.

Подписано в печать Ц 0)1<Л£>Шг Зак. -/3( Тир. № П.л. Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул.,д.13

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

На правах рукописи

ЗЕЗИН ДЕНИС АНАТОЛЬЕВИЧ

04201458522

ДЕГРАДАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТОНКОПЛЁНОЧНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук профессор Э.Н. ВОРОНКОВ

Москва 2014

Оглавление

Введение.................................................................................................................................................................3

1. Основные типы солнечных элементов второго поколения и их надёжность..............................................9

1.1. Основные типы солнечных элементов второго поколения....................................................................9

1.2. Деградации солнечных элементов на основе гидрогенезированного аморфного кремния..............15

1.3. Деградация поликристаллических тонкоплёночных солнечных элементов......................................20

Выводы по главе..............................................................................................................................................24

Постановка задач исследования.....................................................................................................................25

2. Деградация солнечных элементов на основе аморфных полупроводниковых пленок............................27

2.1. Эксперимент и обработка экспериментальных данных.......................................................................27

2.2. Предпосылки для построения модели....................................................................................................41

2.3. Построение модели темновой деградации.............................................................................................44

2.3. Расчеты......................................................................................................................................................49

Выводы по главе 2...........................................................................................................................................56

3. Деградация поликристаллических солнечных элементов...........................................................................58

Выводы по главе 3...........................................................................................................................................81

4. Метод учета деградации солнечных элементов при расчёте их надёжности............................................82

4.1. Классификация солнечных батарей по их надёжности........................................................................82

4.2. Оценка продолжительности жизненного цикла солнечной электростанции.....................................90

Выводы по главе 4...........................................................................................................................................98

Заключение..........................................................................................................................................................99

Литература.........................................................................................................................................................102

Приложения.......................................................................................................................................................110

Приложение 1. Ежегодная выработка энергии всеми электростанциями мира......................................110

Приложение 2. Таблица параметров образцов a-Si:H до начала эксперимента......................................111

Приложение 3. Листинги расчётных программ..........................................................................................112

Листинги к главе 2.....................................................................................................................................112

Листинги к главе 3.....................................................................................................................................114

Листинг к главе 4.......................................................................................................................................128

Введение

Актуальность темы.

Запасы минеральных ресурсов даже самых богатых стран не безграничны, поэтому вопрос создания источников энергии, альтернативных традиционным, весьма актуален. Современной науке известны несколько способов получения энергии с помощью возобновляемых источников, однако только потенциал солнечной энергетики может обеспечить наши текущие потребности в электроэнергии [1].

Солнечная энергетика сегодня вырабатывает примерно в 100 раз меньше чем традиционные источники [2] (см. приложение 1). Тем не менее, рост производства солнечных батарей в последние шесть лет хорошо описывается экспоненциальной зависимостью, в то время как рост традиционной энергетики линеен. Если темпы строительства солнечных электростанций останутся прежними, то уже к 2020 году производство электроэнергии солнечными батареями будет сравнимо с прогнозируемой выработкой традиционных электростанций. Проблема заключается в том, что увеличение мощностей с нуля до современных 90 ГВ потребовало больше 20 лет, при этом капитальные вложения (в пересчёте на один год) можно признать несущественными по сравнению с другими сферами деятельности человека. Иначе выглядит задача за оставшиеся 10 лет построить в 100 раз больше мощностей. Даже с учётом снижающейся стоимости солнечных батарей, к 2020 году суммарно нужно будет вложить около 10 трлн. $. И эта сумма, которую придётся изыскать только для покупки собственно солнечных батарей. С учётом транспортировки, монтажа, и стоимости сопутствующей электротехники придётся потратить в несколько раз больше. Кроме того, солнечные батареи занимают много места. Для строительства придётся выделить площадь примерно равную площади Великобритании (240000 кв. км), покупка земли также увеличит расходы. Очевидно, что такие траты не окажутся фатальными, если их распределить примерно до 2050 года. Тогда возникнет новая проблема: смогут ли те батареи, которые мы установили сейчас доработать до

2050 года без сбоев? Не произойдёт ли так, что достроив к 2050 году необходимое количество мощностей, мы обнаружим, что половина наших солнечных электростанций уже вышла из строя, ведь производители сейчас гарантируют в среднем 20 лет работы, при этом до момента отказа батареи гарантированно потеряют 10-20% мощности.

В этой связи, для дальнейшего развития солнечной энергетики необходимо с одной стороны обеспечить высокую надёжность солнечных батарей, которая позволит увеличить срок службы батареи и снизить затраты на производство солнечной энергии. С другой стороны необходимо внедрять энергоёмкие тонкоплёночные технологии, которые могли бы за сравнительно небольшое время обеспечить масштабное производство для покрытия больших площадей (например, технология roll to roll).

При проектировании солнечной электростанции необходимо не только произвести расчёты её максимальных электротехнических показателей, но и оценить потерю пиковой мощности электростанции, связанную с выходом из строя элементов системы. Поскольку строительство солнечных электростанций (СЭС) началось сравнительно недавно, то стандартных подходов оценки их времени жизни нет. В то же время, ошибки проекта на начальном этапе могут приводить к значительным трудностям, как на стадии строительства, так и эксплуатации станции.

В связи с этим, основная цель работы заключалась в выявлении основных процессов, приводящих к деградации тонкоплёночных солнечных элементов и батарей на их основе, их анализе, объяснении, и построении расчетных моделей, которые бы позволили оценить влияние конструктивно-технологических параметров и условий эксплуатации на деградацию солнечных элементов и длительность жизненного цикла солнечных электростанций.

Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи:

1. На основе анализа собственных и литературных данных выявить основные физические причины деградации тонкоплёночных солнечных элементов и батарей, перспективных для использования в массовом производстве;

2. Выполнить соответствующие расчёты на основе известных и разработанных в рамках данной работы моделей, сравнить их с полученными в работе экспериментальными данными и данными, имеющиеся в литературе;

3. Предложить способ описания деградации, пригодный для оценки жизненного цикла солнечных электростанций уже на стадии их проектирования.

4. На основе результатов работы дать практические рекомендации проектировщикам при расчете жизненного цикла современных солнечных электростанций.

Объекты и методы исследований.

1. Основными объектами исследований являются тонкопленочные солнечные элементы на основе а-8кН и поликристаллические солнечные элементы на основе сате.

2. Основным методом исследования процессов и характеристик солнечных элементов является экспериментальное измерение их электрических характеристик в условиях естественного старения, численное моделирование, расчеты.

3. Основными методами оценки достоверности полученных результатов является сравнение результатов их расчета и измерения в различных условиях, а так же сравнение полученных результатов с результатами, имеющимися в литературе.

Научная новизна.

1. На основе допущения об определяющем влиянии на деградацию СЭ межкристаллитных границ впервые создана модель деградации поликристаллических тонкопленочных солнечных элементов. Её достоверность подтверждена соответствующими расчетами и известными экспериментальными данными. При этом впервые отмечено, что происходящие при эксплуатации

процессы на границах солнечных элементов могут приводить как к снижению, так и повышению эффективности СЭ.

2. Впервые проведено сравнительное исследование деградации тонкопленочных солнечных элементов на основе a-Si:H, в темноте и на свету для солнечных элементов, изготовленных на гибкой металлической подложке. Результаты исследования позволили отвергнуть, высказанное в ряде работ предположение об определяющем влиянии на темновую деградацию окислительных процессов.

3. На основе полученных автором экспериментальных данных и допущения об определяющем влиянии на темновую деградацию метастабильных дефектов в обедненной области полупроводниковой структуры впервые создана модель деградации солнечных элементов на основе a-Si:H в темноте. Её достоверность подтверждена соответствующими расчетами и поставленными автором экспериментами.

Практическая ценность.

1. Выявлены зависимости электрических параметров солнечных элементов на основе CdTe от состояния границ поликристаллической пленки.

2. Проведены экспериментальные исследования и расчеты темновой деградации солнечных батарей на основе a-Si:H.

3. Разработаны SPICE-библиотеки солнечного элемента с учетом деградационных процессов, исследованных в работе, для моделирования времени безотказной работы солнечных батарей.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Модель темновой деградации солнечных элементов на основе аморфного кремния, подтверждённая соответствующими экспериментальными и расчётными результатами.

2. Модель деградационных процессов в поликристаллических материалах.

3. SPICE - модель солнечного элемента с учётом деградации.

Реализация результатов.

Полученные в рамках диссертационной работы результаты были использованы при подготовке раздела, посвященного тонкопленочным солнечным батареям в курсе "Полупроводниковые нетрадиционные источники энергии", читаемого в НИУ МЭИ специалистам по направлению 210100 (550700). Апробация работы.

Полученные в рамках диссертационной работы результаты были использованы при подготовке раздела, посвященного тонкопленочным солнечным батареям в курсе "Полупроводниковые нетрадиционные источники энергии", читаемого в НИУ МЭИ специалистам по направлению 210100 (550700).

Результаты диссертации изложены в 8 работах (в том числе 3 из списка изданий, рекомендуемых ВАК), которые приведены в списке работ автора, опубликованных по теме диссертации, а также докладывались и обсуждались на перечисленных ниже конференциях и семинарах:

1. Международные научно-методические семинары "Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" МНТОРЭС им. A.C. Попова в 2011 и 2012 гг.

2. XV, XVIII и XIX международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Секция "Полупроводниковая электроника", Москва, МЭИ, 2011 и 2013 г.

3. II всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноматериалы», Рязань, 2009

4. VIII Международная конференция «Аморфные и микрокристаллические полупроводники». Научно-образовательный центр нанотехнологий РАН, Санкт-Петербург, 2012.

5. Всероссийская межвузовская конференция молодых учёных, студентов и аспирантов НИУ МИЭТ, 2013

Личный вклад автора.

Автору принадлежат идеи по постановке основных экспериментов и их реализация, включающая конструирование и создание измерительных установок, подготовку образцов к измерениям, сами измерения. Автору принадлежат так же

основные идеи, положенные в основу предложенных в работе моделей численной оценки эксплуатационных потерь наземных солнечных электростанций как на стадии их проектирования, так и эксплуатации. Автором разработаны модели деградации тонкоплёночных солнечных батарей на основе а-БкН и СсГГе, которые могут быть использованы при инженерном проектировании солнечных электростанций. Им же предложено осуществлять классификацию солнечных батарей не только по их электрическим характеристикам, но и группам надежности с использованием статистического описания деградационных отказов в каждой из групп. Также автором составлены программы по автоматизации измерений и обработке их результатов.

1. Основные типы солнечных элементов второго поколения и их

надёжность

1.1. Основные типы солнечных элементов второго поколения

Изучение вопросов, связанных с влиянием солнечного света на твёрдые тела, привело Эдмона Беккереля к открытию в 1839 году фотогальванического эффекта. Понадобилось почти 45 лет, чтобы был создан первый фотоэлемент на селене с КПД всего 1% (1883 г., Нью-Йорк, Чарльз Фритте) и ещё 70 лет ушло на создание первого кремниевого фотоэлектрического преобразователя с КПД 4% (1953 г., «Bell Laboratories», Джеральд Персон). Солнечные элементы сегодня -это сложные полупроводниковые приборы, КПД которых варьируется от 5 до 44% (см. Приложение 1), а единственным, что роднит их с первенцами индустрии солнечной энергетики, являются базовые принципы генерирования электрического тока (рис. 1.1).

В (А

Движение электронов ^у^ПроВодник

и L

Контакт

-rOjb

а.

Направление тона

3L

t & С

I

Ш.

Ж

о

Рис. 1.1. Генерирование электрического тока солнечным элементом (элемент дан в

разрезе) [4]:

а) - фотоны А и В образовали электронно-дырочные пары аа' и ЬЪ'. Электрон с и дырка с', образованные предыдущим фотоном, движутся к контактам солнечного элемента. Электроны ¿/, е,/, g, перемещаются по внешней цепи, образуя электрический ток;

б) — дырка, образованная фотоном А, прошла через переход и направляется к положительному контакту. Электрон, образованный фотоном В, также прошёл через переход и движется к отрицательному контакту. Электрон с перешёл из полупроводника в проводник. Электрон g перешёл в полупроводник и прорекомбинировал с дыркой с'

К СЭ «второго поколения» относят тонкоплёночные преобразователи на основе:

• гидрогенезированного аморфного кремния (а-БкН),

• микро- и нано-кремния (шс-81/пс-81, ис-81)

• теллурида кадмия (Сс1Те),

• (ди)селенида меди-(индия-)галлия (С1(С)8).

Исторически первыми появились СЭ на основе аморфного гидрогенезированного кремния. Этот класс СЭ первым перешёл к использованию тандемных солнечных элементов (рис. 1.2). В данном случае примеси германия позволяют изменять ширину запрещённой зоны аморфного кремния, условно разделяя спектр на красный, синий и зелёный участки, каждый из которых преобразуется наиболее эффективно отдельным слоем.

па

ITO

р

a-Si:H

п

Р

a-SiGe:H

п

Р

a-SiGe:H

п

BR

Stainless Steel

Рис. 1.2. Пример структуры современного трёхкаскадного СЭ на основе аморфного

гидрогенезированного кремния

База технологии производства СЭ второго поколения на основе аморфного кремния - осаждение тонкой плёнки из плазмы, содержащей силан. Конкретные технологии отличаются только способом возбуждения плазмы. Если силан не

содержит примесей водорода, то получится плёнка аморфного гидрогенезированного кремния. Если в рабочую камеру вводить дополнительно к силану водород, то получится смесь аморфной фазы и поликремния [3].

Основным недостатком батарей этого типа является Эффект Стеблера -Вронского: СЭ теряет значительную часть начального КПД под действием света (см. параграф 1.3 данной диссертации). Тем не менее, из всех СЭ второго поколения, батареи на основе аморфного кремния показывают самый высокий КПД (до стабилизации) и их стоимость производства самая низкая.

Микро - и нано-кремний стали логическим продолжением развития поликремния. Структура прибора на основе этих новых материалов приведена на рис. 1.3. Поликремний осаждается непосредственно на подложку из стекла обычно методом газофазной эпитаксии. Верхний слой (отмечен красным на рис. 1.3) дополнительно перекристаллизовывают с помощью мощного лазерного импульса, который повторяется с частотой до 100 кГц [5]. Смысл подобных операций заключается в контроле размера кристаллитов в тонких плёнках, уже осаждённых на сте�