Тонкопленочные фотоэлементы на основе халькогенидов

Дергачева М.Б., Уразов К.А., Кабдулов С.З., Кенжалиев Б.К., Бейсембаева Г.Ж.

Институт органического катализа и электрохимии им. Д.В.Сокольского

E-mail: m_dergacheva@mail.ru
Все более и более признается, что фотопреобразование солнечной энергии станет в ближайшем будущем главнейшим источником мировой энергии. Тонкопленочные поликристаллические фотопреобразователи солнечного излучения и тонкопленочные гетероструктуры относятся к новейшим полупроводниковым материалам. Разработка надежных и дешевых методов изготовления таких структур позволяет широко применять их наряду с традиционными фотоэлементами на основе кремния.

Фотовольтаическая индустрия будет основной индустрией по производству солнечных модулей со сравнительной единицей 1 кв. км. Все разработанные технологии, основанные и на кремнии, и на тонкопленочных халькогенидах (CuInGaSe₂(CIGS) или CdTe), стремятся достичь этой объективной цели. Ключевой точкой является развитие процессов на больших площадях при низкой стоимости модуля с сохранением или даже улучшением эффективности конверсии. Соединения, основанные на Cu(In,Ga,Al)(S,Se)₂ халькопиритных абсорберах уже продемонстрировали высокую эффективность конверсии и сравнительно большую площадь.

Фотоэлектрическая энергетика является новым научно-техническим направлением развития энергетического комплекса Казахстана. Создание промышленного производства нетрадиционных источников энергии – одно из приоритетных научных направлений Республики Казахстан и «Стратегии индустриально-инновационного развития Республики Казахстан на 2003-2015 годы” в части создания отечественных производств, выпускающих наукоемкую продукцию.

Темпы роста «солнечной» энергетики и планы промышленно развитых стран по ее дальнейшему развитию позволяют прогнозировать возрастание интереса к новым разработкам в области преобразователей солнечной энергии.

К 2031 году в мире планируется иметь совокупную установленную мощность фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) в 1700 ГВатт (для сравнения - в 2000 г. эта цифра равнялась 287.7 МВатт, а в 2004 г. – 1256 МВатта. На рисунке 1 представлена диаграмма роста мощности рынка мировой фотовольтаики с 1988 по 2004 гг. За это время мощность увеличилась в 25 раз.

Рисунок 1 – Рост совокупной установленной мощности фотоэлектрических преобразователей

Рисунок 2 – Производство ФЭП по видам технологии и типам используемых материалов

Все современные технологии, использующие в виде преобразующего материала кремний либо тонкопленочные халькогениды (CdTe ,CdSe, CdS, CuInSe₂), ставят перед собой цель увеличения доли солнечных элементов в производстве электроэнергии. Главным при этом является развитие процессов на больших площадях при низкой стоимости модуля с сохранением или даже улучшением эффективности преобразования.

Положительные результаты получены путем осаждения тонких пленок в высоком вакууме, в частности при изготовлении абсорбирующего слоя методом соиспарения или напыления /1/. Эти методы энергозатратны и дороги. Значительное понижение цены может быть достигнуто, если эти стадии, осуществляемые в глубоком вакууме, будут заменены на более дешевые, такие как экранная печать или электроосаждение.

Соединения, основанные на Cu(In,Ga,Al)(S,Se)₂ халькопиритных абсорберах уже продемонстрировали высокую эффективность преобразования солнечного излучения /1-7/. Разработка технологии электроосаждения таких соединений в одну стадию на больших площадях является актуальной задачей.

Методом электроосаждения полупроводниковые свойства гораздо труднее получить, чем металлические, поскольку они включают контроль носителей заряда на уровне ppm, который хуже достижим в процессах из растворов, чем в вакуумных процессах. Главным прорывом в применении электрохимического метода стало приготовление CdTe слоев для солнечных элементов и модулей. В этом случае около 20 лет исследователи шли к созданию электроосажденных модулей CdTe, с рекордной эффективностью 10.6% на большой площади 0.9 m², что привело к производству модулей фирмы BP Solar (British petroleym) в 2001 г. Это значительно стимулировало развитие технологий электроосаждения для халькопиритных солнечных элементов.

CIGS во многом более сложное соединение, чем CdTe, и как четверное, и как более сложное в поверхностной обработке. Несмотря на это, можно отметить рост интереса к электроосаждению, который демонстрируется ростом публикаций в этой области (60 работ 2005г, 40 -2000г., 28 для 1995-99, 20 для 1990-94, 12 для 1985-89, source: Inspec and Current Contents data bases) по CIGS.

Возможная стратегия уменьшения стоимости CIGS тонкопленочных солнечных элементов описана не однажды и имеет целью заменить прямое осаждение пленок фотовольтаического качества соиспарением на двух стадийный процесс.

– В первой стадии прекурсорный слой приготавливается методом с низкой стоимостью, таким как электроосаждение или screen печать, которые не обеспечивают подходящих электронных свойств. Эти свойства формируются во второй стадии.

– Вторая стадия основана на специальной термической подготовке. Оптимизация свойств прекурсора (состав, структура) и стадии термического отжига (температура, давление, атмосфера, продолжительность) должна привести к финальному качеству р-типа электронного материала, достигаемому в одностадийном процессе. Прекурсорный слой может быть уже смешанной CIGS матрицей или содержать множественные слои, либо элементные либо бинарные.

Рисунок 3 – Схема элемента

Электрохимический метод получения пленок соединения CuInSe₂

Разработанный авторами электрохимический метод получения тонких пленок соединения CuInSe2 имеет отличия от известных, что обусловливает новизну разработок.

• 
  Вводится предварительная подготовка поверхности подложки, на которую наносится пленка полупроводника
  
• 
  Разработана новая методика напыления токопроводящего слоя на неэлектропроводную подложку
  
• 
  Используется каскадная структура пленки, включающая прозрачный Мо- токопроводящий слой, затем собственно слой полупроводника, поглощающего излучение, над ним слой полупроводника с большой шириной запрещенной зоны CdS(оптическое окно). Это позволяет увеличить к.п.д. преобразования за счет создания дополнительных р-n переходов
  
• 
  Абсорбирующий слой наносится путем электроосаждения
  
• 
  Разработаны новые составы электролитов, которые обеспечивают лучшее качество осадков и гарантируют монофазный состав полупроводника и его оптимальные структурные характеристики. Такие электролиты обеспечивают получение стехиометрических осадков сложных соединений CuInSe₂ /8-14/
  
• 
  Используются оптимальные режимы отжига для формирования р-проводимости на поверхности полупроводника
  

Фотохарактеристики монопленки CuInSe_2, полученной электроосаждением на стеклоуглеродной подложке, свидетельствуют о достижении тока 6 мА/см² при нестандартном освещении.

а б

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что имеются реальные возможности для создания дешевых тонкопленочных элементов с использованием метода электроосаждения. Возможности технической электрохимии позволяют использовать низкие температуры, покрывать большие площади, вести процесс в мягких условиях.

1. Woodcock J.M., Turner A.K., Özsan M.E., Summers J.G. // Proc.10^th Europ. Photovolt. Solar

2. Emery K. // Semicond.Sci.Technol.,2003.V.18.P.812

3. М.Б.Дергачева. Электроосаждение полупроводников // Вестник КазНУ. -2007. -№2 (46), -С.128-139.

11. Дергачёва М.Б., Чайкин В.В., Пантилеева Е.П. // Вестник КазНУ. Сер. хим.- 2004, №3.-С.158-164.

12. Дергачёва М.Б., Чайкин В.В., Григорьева В.П., Пантилеева Е.П. // Журнал прикладной химии.- 2004. Т.77, вып.8.-С. 230-234.

13. Дергачева М.Б., Чайкин В.В., Гуделева Н.Н., Пенькова Н.В. Тонкопленочные фотоэлементы на основе медь-индиевого диселенида // Докл. II Междунар.научно-практ. семинара «Физико-хим. основы преобразования солнечной энергии». - Алматы,2005.-С.80-85.