автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Совершенствование конструкции и технологии изготовления фотоэлектрических преобразователей на основе кремния

Введение.

Глава 1. Обзор основных направлений развития фотопреобразователей на основе кремния.

1.1. Основные направления развития производства кремниевых фотопреобразователей.

1.2. Анализ параметров матричных и планарных кремниевых фотопреобразователей.

1.3. Анализ областей применения фотопреобразователей на основе кремния.

Постановка задач диссертации.

Глава 2. Исследование технологии изготовления фотопреобразователей ® на основе кремния.

2.1. Исследование процессов изготовления матричного фотопреобразователя на основе кремния.

2.2. Исследование технологических процессов создания планарных фотопреобразователей большой площади.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Исследование электрических характеристик фотопреобразователей на основе кремниевых п-р-р+ структур.

• Ф 3.1. Анализ методов расчета электрических параметров матричных многопереходных фотопреобразователей.

3.2. Исследование выходных параметров больших планарных фотопреобразователей.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Конструкции на основе кремниевых фотопреобразователей.

4.1. Бесконтактные фотодиодные матрицы для управления электронными устройствами.

4.2. Солнечные модули на основе планарных фотопреобразователей с полутороидальными концентраторами.

4.3. Технико-экономический расчет.

Выводы по главе 4.

Самым мощным, экологически чистым, естественным и общедоступным источииком энергии на нашей планете является Солнце. Запасы энергии Солнца практически неисчерпаемы и могут обеспечить все потребности человечества. Развитие науки и промышленности позволяет сегодня говорить о реальной возможности обеспечения человечества электричеством с помощью преобразования энергии Солнца.

Одним из перспективных методов преобразования солнечной энергии в электрическую является метод прямого преобразования с помощью фотопреобразователей (ФП). В свою очередь, в фотоэнергетике, базирующейся на использовании ФП, можно выделить два направления - фотоэлектрическое преобразование концентрированного и некопцентрированиого солнечного излучения. Оба эти направления являются перспективными для создания солнечных фотоэлктрических систем (ФЭС) - как наиболее экологически чистых, ресурсообеспечепных и в перспективе экономичных источников электрической энергии.

Актуальность исследований обусловлена следующим.

Мировая фотоэнергетика является одной из самых перспективных и бурно развивающихся отраслей современной промышленности. Ни в одной отрасли за последние годы не наблюдался такой рост производства — 30 и более % (за 2004г. — 57%). Экологические проблемы, связанные с традиционными источниками энергии, программы правительственной поддержки и целый ряд преимуществ, характерных для фотоэнергетики, определяют все возрастающий спрос и обеспечивают рост объемов производства. Стремление к снижению стоимости и повышению технических характеристик фотоэлектрических систем стимулирует многочисленные исследования и разработки в этой области. Актуальны всесторонние исследования по совершенствованию технологий, конструкций ФП и ФЭС. При этом кремний - наиболее используемый в фотоэнергетике и распространенный в природе материал, поэтому наибольший интерес представляют исследования в области кремниевых ФП.

Потенциал фотоэнергетического рынка России очень велик. Наиболее перспективным является сектор автономных потребителей, особенно в сельском хозяйстве. Использование ФЭС чрезвычайно актуально для сельского хозяйства, поскольку оно характеризуется как правило рассредоточенностью, значительной удаленностью сельскохозяйственных объектов, большим количеством нестационарных потребителей и высокой энергоемкостью отдельных видов производства.

Фотопреобразователи - самая дорогая часть ФЭС, поэтому наряду с улучшением их показателей актуально использование концентрированного излучения, которое позволяет повысить КПД, снизить стоимость, снизить количество полупроводникового материала — солнечного кремния. Актуальным является создание концентрирующих систем на основе планарных ФП для малых концентраций (3-10) и на основе матричных фотопреобразователей (МФП) для высоких концентраций (100-1000) солнечного излучения.

Работа проводилась в два этапа. В 1990-1994 гг. была разработана технология производства крупногабаритных ФП и освоено их производство в ЦОПКБ ВИЭСХ. Были проведены теоретические и экспериментальные исследования планарных ФП диаметром 100мм и матричных фотопреобразователей (МФП). Предложены новые методы изготовления МФП с использованием эпитаксиальной технологии. Разработаны бесконтактные фотодиодные матрицы для управления электронными устройствами. В последующие годы проводилось внедрение разработанных устройств. Второй этап работы посвящен проблеме создания солнечных фотоэлектрических модулей на основе полутороидальных концентраторов и двухсторонних ФП. В 2003 году были разработаны полутороидальные концентраторы, которые позволяют увеличить эффективный диаметр планарных ФП со 100мм до 200-^400мм. В 2005г. созданы солнечные модули (СМ) с полутороидальными концентраторами и проведены их исследования

Исследования выполнялись в соответствии с Федеральной целевой программой "Энергоэффективная экономика", утвержденной постановлением Правительства РФ №796 от 17.11.2001г. и программой фундаментальных исследований Россельхозакадемии на 2001-2005 гг.

Целью работы является совершенствование и разработка конструкций и технологий матричных и планарных кремниевых фотоэлектрических преобразователей, устройств на их основе.

Основными задачами диссертации являются.

Совершенствование технологии изготовления матричных и планарных ФП на основе кремния.

Повышение электрических характеристик ФП на основе кремниевых п-р-р+ структур.

Создание стационарных солнечных модулей на основе планарных ФП и полутороидальных концентраторов, концентрирующих прямую и диффузную солнечную радиацию с апертурным углом ±60°.

Повышение точности позиционирования, технологичности устройств и создание бесконтактных оптических клавиатур.

Технико-экономическое обоснование производства и использования разработанных солнечных модулей.

Научная новизна работы заключается в следующем.

Разработан способ изготовления МФП на основе многослойной эпитаксиальной структуры и пробоя обратносмещённых р-п переходов и исследованы показатели его эффективности. Новизна способа подтверждена патентом РФ на изобретение.

Проведена систематизация методов расчёта различных конструкций МФП. Рассчитана модель микроэлемента МФП, получены аналитические зависимости для токов, рассчитаны параметры и определены оптимальные размеры микроэлемента.

Разработаны оптоэлектронные устройства на основе кремниевых ФП различных конструкций для управляющих систем, новизна которых подтверждена двумя авторскими свидетельствами и тремя патентами на изобретение.

Разработаны стационарные солнечные модули с полутороидальными концентраторами и планарными ФП с двухсторонней чувствительностью, предложены варианты конструкций для различного тина потребителей.

Основные положения, выносимые на защиту.

Способ изготовления МФП па основе многослойной эпигаксиалыюй структуры и пробоя обратносмещёппых р-п переходов. Результаты исследований процесса изготовления и полученных структур МФП.

Систематизация методов расчёта различных типов МФП. Расчет и оптимизация параметров микроэлемента МФП с р-n переходами на пяти гранях и изотипным р-р+ переходом на шестой для случая трехстороннего освещения.

Модели стационарных солнечных модулей па основе планарных ФП и полутороидальных концентраторов. Схемы устройств па основе солнечных модулей. Результаты исследований характеристик стационарных солнечных модулей с полутороидальиыми концентраторами.

Устройства для управляющих систем па основе планарных и матричных

ФП.

Достоверность результатов исследований, теоретических и методических обоснований подтверждена совпадением результатов расчётов с данными экспериментальных исследований МФП и планарных ФП в лабораторных условиях и данными испытаний ФП и солнечных модулей в условиях естественного солнечного освещения.

Практическая значимость. Предложенный способ изготовления кремниевых МФП на базе многослойной эпитаксиальпой структуры и пробоя обратносмещёппых р-п переходов позволяет повысить технологичность и производительность, увеличить выходное напряжение до 0,3-Ю,6 В па р-п переход, увеличить мощность, обеспечить высокое качество МФП.

Работы по систематизации методов расчета МФП дают возможность создать программу оптимизации и выбора конструкций МФП при проектировании солнечных модулей и систем, оптимизировать параметры конструкций, повысить КПД, минимизировать затраты па их производство.

Разработанные стационарные солнечные модули на основе плапарных ФП и полутороидальиых концентраторов с геометрической концентрацией 3-И, концентрируют прямую и диффузную солнечную радиацию с апергурпым углом ±60°, повышают КПД и снижают стоимость электроэнергии, увеличивают эффективный диаметр ФП до 200-И00мм.

Разработанные устройства для управляющих систем па основе плапарных и матричных ФП имеют более высокую точность срабатывания, надёжность и срок службы относительно устройств аналогичного назначения, позволяют повысить точность позиционирования, технологичность. Разработанные устройства па основе ФП использованы при создании робототехпического комплекса.

Реализация результатов работы:

Разработанные методики контроля времени жизни неосновных носителей заряда и слоевого сопротивления используются при производстве ФП 0100мм и 1 ООх 100мм в ГНУ ВИЭСХ.

Разработанные устройства па основе кремниевых ФП для информационно-управляющих систем внедрены при производстве САУ робототехпического комплекса в производственном кооперативе УИК УТ-Глобал М.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались па 4-ой Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Москва, 2004), па Международной конференции "Energetika 2006" ( Zlatibor, 2006).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, включая 2 авторских свидетельства, 1 патент СССР, 3 патента Российской Федерации па изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 92 источников и приложений. Работа изложена на 99 страницах текста, содержит 42 иллюстрации и 12 таблиц.

Выводы по главе 4.

1. Предложено использование ФП в управляющих системах. Разработаны устройства па базе планарных и матричных ФП для управляющих систем. Использование ФП повышает технологичность, точность срабатывания, увеличивает надежность и срок службы, расширяет функциональные возможности, обеспечивает точность позиционирования, точность и достоверность сигнала. Разработанные устройства защищены двумя авторскими свидетельствами и тремя патентами, использованы при создании робототехиического комплекса.

2. Разработаны стационарные солнечные модули с полутороидальпыми концентраторами на основе планарных кремниевых ФП с двухсторонней чувствительностью. Исследованы технологические и электрофизические параметры солнечных модулей. СМ концентрируют прямую и диффузную солнечную радиацию с апертурпым углом ±60°, имеют коэффициент концентрации 3+4, повышают КПД и снижают стоимость электроэнергии, увеличивают эффективный диаметр ФП до 200+400мм.

3. Испытаны образцы солнечных модулей с внутренним диаметром концентратора 0,1м; 0,2м; 0,8м. Результаты исследований показали, что СМ с полутороидальиым концентратором D2=0,8m обладает максимальной рабочей мощностью Pi max=41,384 Вт ( г/] =8,24%) при последовательном соединении

ФП и Р2 тах=41,632 Вт ( 772 = 8,28%) при последовательно-параллельном соединении при а = 70°, КПД лицевой поверхности ПИ Т] m =10% и стандартных условиях освещенности. При г/пи =15%: 77, = 12,36% и ?72 — 12,43%.

4. Исследованы варианты конструкций составляющих солнечного модуля с полутороидальиым концентратором. Определены варианты для различных условий эксплуатации и технологий изготовления. Оптимальным является приемник излучения квадратной формы с последовательно-параллельным соединением ФП 100x100, максимальной плотностью заполнения и выводом контактов в центре. При отсутствии технологических ограничений и ограничений по массе предпочтителен вариант крепления 3. Соотношение выходных параметров цельного и фацетного концентраторов 1 к 0,952.

5. Предложены конструкции на основе солнечных модулей с установкой на земле, на поверхностях зданий, в составе СЭС. Рассмотрены варианты использования солнечных модулей. СМ позволяют расширить область применения фотопреобразователей, повысить привлекательность и потребительский спрос, более полно удовлетворить запросы потребителей. Солнечные модули с полутороидальными концентраторами могут быть использованы как в качестве автономных источников электрической и тепловой энергии, так и в системах электроснабжения при создании высокоэффективных солнечных электростанций.

6. Проведено технико-экономическое обоснование использования и производства разработанных модулей. Использование полутороидальных концентраторов и плапарных ФП с двухсторонней чувствительностью снижает расход кремния на единицу пиковой мощности модуля в 3 раза, стоимость установленной пиковой мощности на 36,5% с 4 до 2,54 долл. за 1Вт и стоимость 1кВт-ч вырабатываемой энергии па 24% с 31 до 24 центов по сравнению с плоскими фотоэлектрическими модулями.

Заключение

По результатам выполненной работы были сделаны следующие выводы.

1. Разработан новый способ изготовления кремниевых матричных фотопреобразователей путем создания многослойной эпитаксиальиой структуры и пробоя обратносмещенных р-п переходов, позволяющий увеличить плотность микроэлементов в матрице с 10 см"2 до 100-1000 см"2 при напряжении 0,3-0.6В на микрофотопреобразователь. В результате исследований технологических процессов получены экспериментальные зависимости и теоретические выражения для определения напряжения пробоя, определены технологические режимы и параметры процесса изготовления. КПД образцов МФП составляет 8-8,6% для МФП с 10 n-р переходами и 8,2-8,5% для МФП с 12 n-р переходами.

2. В результате теоретических исследований электрофизических характеристик матричных фотопреобразователей получены выражения для фототока и темпового тока насыщения, рассчитаны параметры микрофотопреобразователя с р-п переходами на пяти гранях и изотипным р-р+ переходом па шестой для случая трехстороннего освещения и определены эффективность собирания Qna% =0,876 и КПД:^пих =14,5%; rjhv |гах =33,8%.

Проведена систематизация методов расчета микрофотопреобразователей, что позволяет выбирать конструкцию МФП с определенной конфигурацией р-п переходов при проектировании солнечных модулей и систем.

3. В результате исследований технологических и электрофизических параметров больших планарных фотопреобразователей разработаны методики контроля времени жизни неосновных носителей заряда и слоевого сопротивления, которые применяются при производстве ФП 0100мм и 100x100мм на опытном производстве ВИЭСХ.

4. Разработаны онтоэлектронные устройства на базе планарных и матричных ФП для управляющих систем. Использование ФП повышает технологичность, точность срабатывания, увеличивает надежность и срок службы предложенных устройств по сравнению с устройствами аналогичного назначения, обеспечивает точность позиционирования, точность и достоверность сигнала. Разработанные устройства защищены двумя авторскими свидетельствами и тремя патентами, использованы при создании робототехнического комплекса.

5. Разработаны стационарные солнечные модули на основе полутороидальных концентраторов и планарных кремниевых ФП с двухсторонней чувствительностью. В результате исследований технологических и электрофизических параметров солнечных модулей с внутренним диаметром концентратора 0,1м; 0,2м; 0,8м показано, что коэффициент концентрации модулей составляет 3-^-4, максимальная рабочая мощность 41,632 Вт и КПД 8,28% при КПД лицевой поверхности приемника излучения 10% и стандартных условиях освещенности. При КПД лицевой поверхности приемника излучения 15% КПД солнечных модулей составляет 12,43%. Использование полутороидальных концентраторов и планарных ФП с двухсторонней чувствительностью снижает расход кремния на единицу пиковой мощности модуля в 3 раза, стоимость установленной пиковой мощности на 36% с 4 до 2,54 долл. за 1Вт и стоимость 1кВт-ч вырабатываемой энергии на 24% с 31 до 24 центов по сравнению с плоскими фотоэлектрическими модулями.

1. Безруких П.П., Стребков Д.С. Возобновляемая энергетика: стратегия, ресурсы, технологии. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2005. - 264с.

2. Стребков Д.С. О развитии солнечной энергетики в России // Теплотехника. 1994. № 2. С. 53-60.

3. Bezrukikh P.P., Strebkov D.S., Tyukhov I.I. Reneweable Energy for Russian Economy Problems and Goals // The 4lh ISES Europe Solar Congress. June 23-26, 2002, Proceedings Univercity of Bologna, Bologna, Italy. 6p.

4. Стребков Д.С., Пинов А.Б. Развитие фотоэлектричества в России// Возобновляемая энергия. Ежеквартальный информационный бюллетень. 2001. № 1.С. 6-7.

5. Maycock P. Annual review of the PV market // Renewable energy world.2003, Vol. 6. № 4. P. 20, 84-90, 138.

6. Maycock P.D., Maycock P. PV market update // Renewable energy world.2004, Vol. 7. №4. P. 78-86.

7. Maycock P. PV market update // Renewable energy world. 2005, Vol. 8. №4. P. 86-99.

8. Мартиросов С.II. Фотоэнергетика мира // Возобновляемая энергия. Ежеквартальный информационный бюллетень. 2001. № 1. С. 1-5.

9. PV module manufacturing // Renewable energy world. 2004. Vol. 7. №4. P.151-159.

10. Стребков Д.С. Возобновляемая энергетика: для развивающихся стран или для России? // Энергия: экономика, техника, экология. 2002. № 9. С. 11-14.

11. Jones J. The growth challenge// Renewable energy world. 2005, Vol. 8. №4. P. 146-157.13