OSNOVNI POJMI

Tehnologije
Sončne celice
Zgodovina
Slovarček

IZJAVA

Avtorske pravice

VEČ

Domov
Več

IŠČI

Vesel bom vsakršnih pripomb ali kritik, tako glede terminologije, kot tudi glede vsebine strani. Pripombe, kritike ali pohvale naslovite na elektronski naslov:


 

Materiali sončnih celic - pridobivanje in lastnosti

Silicij

Glavni element za izdelavo sončnih celic je silicij, ki je zaenkrat praktično še vedno edina surovina za masovno proizvodnjo sončnih celic. Kot najpogosteje uporabljani polprevodnik ima več dobrih lastnosti:

V naravi se nahaja v zelo velikih količinah. Silicij v obliki oksidov sestavlja 1/3 zemeljske skorje.
Je nestrupen, okolju prijazen, tudi odpadki ne predstavljajo težav.
Lahko se tali, obdeluje in ga je sorazmerno enostavno oblikovati v monokristalno obliko. Njegove električne lastnosti (obstojnost do 125°C) omogočajo uporabo Si polprevodniških elementov tudi v najzahtevnejših primerih uporabe.

Čisti silicij je edini, v tehniki široko uporabljan element, ki ga pridobivamo tako čistega. Odstotek čistega silicija v materialu dosega najmanj 99.9999999%. Glede na gostoto silicija, ki znaša 5x10²² atomov/cm³, to pomeni 5x10¹³ atomov nečistoč/cm³. ©tevilčne vrednosti atomov primesi v materialu se določajo z različnimi metodami, kot so masna spektrometrija, meritve s pomočjo Hallovega efekta in z vrsto drugih specifičnih fizikalnih metod. Pridobivanje čistega silicija iz peska (SiO₂) poteka s sledečimi postopki:

Osnovna surovina za izdelavo čistega silicija je metalurški surovi silicij, ki ga v pridobivamo z redukcijo v elektropečeh pri temperaturi pri 1800°C. Èistota tako pridobljenega metalurškega silicija znaša 98-99%. Kot reducent služijo ogljene elektrode, celotna reakcija pa je sledeča:

SiO₂ + C -> Si + CO₂

Silicij - kristalna struktura
(vir/copyright: Hahn-Meitner-Institut Berlin)

Takšen silicij se uporablja kot surovina za izdelavo čistega silicija, uporaben pa je tudi v jeklarstvu in v proizvodnji aluminija, kot dodajni material. Letna proizvodnja znaša več kot pol milijona ton, glavne proizvajalke pa so države z veliko poceni električne energije (hidroelektrarne), kot so Kanada, Norveška in Brazilija. Za proizvodnjo takšnega silicija je sicer potrebno 15 do 25kWh električne energije/kg pridobljenega metalurškega silicija. S kloriranjem fino mletega metalurškega silicija v posebnem reaktorju dobimo silicijev tetraklorid (plin). Primesi oziroma nečistoče se izločajo v obliki klorovih soli.

Si + 2Cl -> SiCl₄

Nadaljne reakcije vodijo do nastanka plina triklorsilan:

SiCl₂ + HCl -> SiHCl₃

V nadaljnem postopku se triklorsilan še dodatno prečiščuje, tako da se odstranijo morebitni ostanki tetraklorsilana in drugih silanov. Čiščenju sledi še redukcija v vodikovi atmosferi pri 950°C:

4SiHCl₃ + H₂ -> 2Si + SiCl₄ + SiCl₂ +6HCl

Poleg čistega silicija v tem postopku dobimo tudi množico stranskih produktov. Večina stranskih produktov iz reaktorja izhaja v plinasti obliki in nato kondenzira. Tudi tu je eden od stranskih produktov tetraklorsilan. Tudi v tem primeru ga s sledečo reakcijo pri 1200°C pretvorimo v triklorsilan:

SiCl₄ + H₂ -> SiHCl₃ + HCl

Ni pa to edini način, saj lahko uporabljamo tudi druge metode, kjer je reakcija drugačna, končni rezultat pa je enak.

Proizvodnja polikristalnega silicija

Postopek pridobivanja čistega polikristalnega silicija iz triklorsilana se lahko (med drugim) izvaja v posebnih pečeh, ki so jih razvili v Siemensu. Peči se ogrevajo s tokom, ki teče skozi (v večini primerov) Si elektrode. Elektrode imajo premer do 8 mm, dolge pa so 2 m. Tokovi, ki tečejo skozi elektrode lahko znašajo tudi 6000 A. Stene peči dodatno hladimo, kar preprečuje nastajanje neželjenih reakcij zaradi plinskih stranskih produktov. Rezultat procesa je čisti polikristalni silicij, ki ga nato uporabljamo kot surovino za izdelavo sončnih celic. Polikristalni silicij pridobivamo tudi iz silicija, ki ga segrevamo na 1500°C in nato ohlajamo na 1412°C, kar je tik nad strdiščem materiala. Pri ohlajanju nastaja blok polikristalnega silicija vlaknaste strukture dimenzij 40x40x30 cm. Pri polikristalnem siliciju je zgradba v delu materiala urejena, vendar ni usklajena z zgradbo v drugem delu materiala.

Pridobivanje monokristalnega silicija

Monokristalni silicij pridobivamo iz čistega silicija, pridobljenega po predhodno opisanem postopku z dvema postopkoma:

Metoda Czochralskega

Silicij po tej metodi pridobivamo iz taline v indukcijski peči z grafitno oblogo pri temperaturi 1415°C. Na palico nanesemo silicijev kristal določene orientacije, nakar z vrtenjem palice v talini kristal narašča. Hitrost vrtenja palice znaša 10 do 40 obratov na minuto, pomikanje po dolžini pa med 1 mikrometrom in 0,1 milimetrom na sekundo. Na ta način lahko izdelamo palice premera 30 cm in dolžine nekaj metrov. Vse skupaj poteka v inertni atmosferi, morebitne nečistoče pa zgorijo, oziroma se izločajo v talini.

More about Czochralski method... (1600 kB)

Conska rafinacija

Prednost tega postopka je v večji čistoči silicija, z njim pa lahko izdelamo palico silicija premera 10 cm in dolžine 1 m. Tudi ta postopek poteka v inertni atmosferi, pri čemer indukcijski grelec potuje vzdolž palice in tali silicij, pri čemer pri ohlajanju nastaja monokristal silicija. Bloki monokristalnega ali polikristalnega silicija se nato žagajo in obdelujejo do končne oblike sončnih celic. Samo pri žaganju gre v izgubo okrog polovica materiala.

Pridobivanje amorfnega silicija

Amorfni silicij pridobivamo v visokofrekvenčnih pečeh v delnem vakuumu, skozi katere ob prisotnosti električnega polja visokih frekvenc prepihujemo pline silan in B₂H₆ ali PH₃ s pomočjo katerih v silicij dodajamo bor ali fosfor.
 

Materiali za izdelavo sončnih celic in spektralna občutljivost
(vir/copyright: Hahn-Meitner-Institut Berlin)

Galijev arzenid (GaAs)

Pogost material za izdelavo visokoučinkovitih PV celic. Pogosto se uporablja v koncentrirnih sistemih in v astronavtiki. Učinkovitosti so do 25%, pri koncentriranem sončnem sevanju do 28%. Posebne izvedbe pa presegajo učinkovitost 30%.

Kadmijev telurid (CdTe)

Tankoplastni material, ki ga pridobivamo z elektrodepozicijo in naprševanjem veliko obeta, kot potencialna osnova nizkocenovnih fotonapetostnih sistemov. Slabost postopka so strupene surovine, ki se uporabljajo pri proizvodnji. Laboratorijske izvedbe dosegajo učinkovitost 16%, komercialne izvedbe okrog 8%.

Bakrov indijev diselenid (CuInSe₂, ali CIS)

Tankoplastni material, dosega učinkovitosti okrog 17 % (boljši sistemi). Sicer material, ki veliko obeta vendar zaenkrat še manj uporabljan zaradi težav pri proizvodnji.

CIS sončna celica
(vir/copyright:
Hahn-Meitner-Institut Berlin)

Tehnologije

Kristalne sončne celice

V to skupino prištevamo tako polikristalne, kot tudi monokristalne sončne celice. Osnova za izdelavo celic je blok kristalnega silicija, katerega proizvodnja je bila opisana v predhodnem poglavju. Rezine silicija, ki so osnova za izdelavo sončnih celic režemo iz bloka z diamantno žago. Izrezane rezine, debeline 1mm, ki so rezane na 1/10 mm natančno se nato položi med dve planparalelni, nasproti rotirajoči, kovinski plošči s čimer dosežemo izravnanje obeh ravnin rezine na nekaj tisočink mm natančno. Nato sledi postopek izdelave celic, ki je sestavljen iz sledečih korakov:

Najprej se dopirane rezine jedka do globine nekaj mikrometrov. Na ta način odstranimo nepravilnosti v strukturi kristala, ki so nastale zaradi žaganja, obenem pa se rezine na ta način tudi očisti. Material se sicer dopira kot talina pri polikristalnem siliciju ali pa se dodajajo ustrezni plini, ko se iz silana pridobiva čisti silicij.
Temu postopku sledi difuzija. Pri temperaturi 800°C pride do difuzije fosforja, ki ga dovajamo v plinasti obliki, v notranjost materiala. Nastane N dopirana plast in oksidna plast, bogata s fosforjem, na vrhu rezine, zaradi reakcije s kisikom.
Rezine se nato zložijo v obliko kocke, ki se nato jedka v kisikovi plazmi, s čimer odstranimo N plast na robovih.
V naslednji fazi s pomočjo mokrega kemijskega jedkanja odstranimo še oksidne plasti na površinah rezin.
Na zadnji strani se nato izdela površina kontaktov iz srebra, ki vsebuje 1% aluminija. Srebro se na površino celic tiska preko maske, s posebnim postopkom.
Nato se potiskano celico sintra pri visokih temperaturah.
Na podoben način tiskamo še kontake za povezavo na prednji strani celic.
Tudi antirefleksno plast nanašamo na podoben način. Na izbiro imamo titanove paste, ki pri sintranju tvorijo titanov dioksid TiO₂, ali pa silicijev nitrid Si₃N₄.

Amorfne sončne celice

Amorfne sončne celice izdelujemo s podobnimi postopki, kot integrirana vezja. Zaradi tega tovrstne module večkrat imenujemo tudi tankoplastni moduli (thin-film modules). Postopek izdelave amorfnih sončnih celic je sledeč:

Najprej steklen substrat temeljito očistimo.
Najprej steklen substrat temeljito očistimo.
Sledi nanašanje spodnje kontaktne plasti.
Površina se nato strukturira - razdeli v trakove
V vakuumu se pod vplivom visokofrekvenčnega električnega polja nanaša plast amorfnega silicija.
Ponovno sledi delitev v trakove.
Nato sledi še nanašanje zgornjih kovinskih elektrod.

Druge vrste sončnih celic

Ostale, manj uporabljane sončne celice so še celice izdelane z EFG (Edge Defined Film fed Growth) metodo in APex celice iz silicija, celice izdelane iz kadmijevega telurida in celice izdelane iz bakrovega-indijevega selenida (CIS). EFG celice, ki po zgradbi spadajo med polikristalne po lastnostih pa jih uvrščamo med polikristalne celice, se izdelujejo neposredno iz taline silicija, s čimer odpade žaganje na rezine, kar pomeni prihranek proizvodnih stroškov in prihranek materiala, saj ni odpadnega materiala zaradi žaganja. Pri proizvodnem postopku izdelave EFG celic se iz taline silicija vleče trak silicija v obliki pravilne cevi z osmimi ravnimi stranicami. Dolžina cevi znaša nekaj m. Ravne stranice cevi se nato z laserjem razžagajo v posamezne sončne celice. Dimenzije posameznih sončnih celic znašajo 100x100 mm in so v večini primerov pravilne kvadratne oblike. To ima za posledico večjo moč modula ob manjši površini za razliko od kristalnih modulov, kjer so celice v obliki kvadrata s prisekanimi robovi. Kontakti so izvedeni v obliki bakrenih trakov, posamezne celice pa se nato združujejo na podoben način, kot pri ostalih vrstah celic. EFG celice izdeluje proizvajalec ASE. Za razliko od EFG celic so Apex celice polikristalne z zaščitenim proizvodnim postopkom, proizvaja pa jih le en proizvajalec. Celice iz kadmijevega telurida in bakrovega-indijevega selenida (CIS) se zaenkrat uporabljajo v manjši meri in še to pretežno v laboratorijskih raziskavah. Komercialni moduli iz zadnjih omenjenih materialov so zaenkrat še zelo redki. V tabeli je prikazana primerjava posameznih vrst sončnih celic s prednostmi in slabostmi posameznih vrst celic.

Pregled materialov za izdelavo sončnih celic
 

Proizvodnja opreme

Applied Films - is a leading provider of technologically advanced thin film deposition equipment and service.

Languages:
Webmaster's choice - some interesting editions of precision on-line magazine available as html or pdf files.

GT Solar - Company offers wide range of photovoltaic (PV) fabrication lines and PV manufacturing equipment.

Languages:

NPC group - The NPC group, whose headquarters is located in Tokyo, Japan, has been providing its clients with the most advanced vacuum-related and automated machines over 40 years.

Languages:

Spire - Spire Corporation is the world's leading supplier of the manufacturing equipment and technology needed to manufacture solar photovoltaic power.

Languages:

Fotovoltaične tehnologije - spletna mesta

Key Centre for Photovoltaic Engineering UNSW - Information sheets; solar cell principles and applications.

Languages:
Webmaster's choice - interesting information sheets with basic information about solar cells.

Laboratory for Photonics and Interfaces, Swiss Federal Institute of Technology - Dye Sensitized Solar Cells (DYSC) based on Nanocrystalline Oxide Semiconductor Films.

Languages:

Christian Doppler Laboratory for plastic solar cells - Physical Chemistry Johannes Kepler University Linz, Austria.

Languages:

Wafernet, is an innovative silicon resource on the web. Many interesting information about silicon and wafer manufacturing.

     "How To Make Silicon"
     Silicon Training

Languages:
Webmaster's choice - interesting presentation about silicon wafer manufacturing available on-line.

Zanimive ali posebno obetajoče tehnologije

Evergreen Solar - brief description of perspective string ribbon production procedure.

Languages:

Nove tehnologije

Spheral Solar Power - Spheral Solar Power cells produce electricity at considerably lower cost than conventional solar technology, and on a cost-par with fossil-fuel based electricity in many regions of the world.

Languages:
Webmaster's choice - spherical solar cells, principles and applications.

Kyosemi Corporation - provides high reliability products of opto-electronics to be used for optical communications, ATM, auto-vending machines, OA/FA equipments, precision optical instruments and hazard prevention equipments.

Languages:

Global Photonic Energy Corporation - Incorporated in 1994 Global Photonic Energy Corporation, Inc. is a renewable energy technology development company. GPEC is harnessing photonic energy (Sunlight) using small-molecule organic materials to produce electricity and hydrogen - or - "Photo Fuel™".

Languages:

Literatura in dodatne informacije

Jäger-Waldau, A.: Environmentally Research, Solar Cell Production and Market Implementation in Japan, USA and the European Union, EUR 20850 EN - European Commission, DG JRC, Institute for Environment and Sustainability, Renewable Energies Unit, Ispra, Italia (655 kB).
Jäger-Waldau, A.: Environmentally Status of PV Research, Solar Cell Production and Market Implementation in Japan, USA and the European Union, EUR 20245 EN - European Commission, DG JRC, Institute for Environment and Sustainability, Renewable Energies Unit, Ispra, Italia (383 kB).
EREN - Overview of photovoltaic technologies (360 kB).
Tsuo, Y.S., Gee, J.M., Menna, P., Strebkov, D.S., Pinov, A. and Zadde, V.: Environmentally Benign Silicon Solar Cell Manufacturing, NREL/CP-590-23902, 1998 (58 kB).
Lauinger, T., Schmidt, W., Wösten, B.: EFG-Silicium: Material, Technologie und zukünftige Entwicklung, ForschungsVerbund Sonnenenergie, 2000 - Germany (183 kB).
Schönecker, A., Laas, L., Gutjahr, A., Goris, M., Wyers, P., Hahn, G., Sontag, D.: Ribbon-Growth-on-Substrate: Status, Challenges and Promises of High Speed Silicon Wafer Manufacturing, 12th Workshop on Crystalline Silicon Solar Cells, Materials and Processes (102 kB).
Blakers, A.W.: Substrates for Thin-film Crystalline Silicon Solar Cells, Engineering Department, Australian National University, Canberra, 1997 (29 kB).
Madou, M.: Si crystal growth, Si crystal orientation, oxidation and interface defects-3 (3496 kB).
Ciszek, T.F., Wang, T.H.: Growth and Properties of Silicon Filaments for Photovoltaic Applications; 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, September 29 – October 3, 1997, Anaheim, California (63 kB).