Технологии

Поликремний

Производственная цепочка поликремния начинается с диоксида кремния (кремнезема). Кремнезем широко распространен в природе в виде песка, кварца и глины. В результате карботермического восстановления диоксида кремния в дуговой печи при температуре 1800C1 получается технический (металлургический) кремний, который затем проходит очистку химическими (через хлорсиланы) или физическими (прямыми) методами .

В настоящее время, наиболее распространен метод производства поликремния с использованием процесса и реактора Сименс (Siemens). Сименс-процесс это процесс химического осаждения поликремния из газовой фазы (chemical vapore deposition, CVD). В этом процессе нагретые до высокой температуры поликремниевые стержни-затравки помещаются в Сименс-реактор имеющий охлаждаемый куполообразный корпус. В реактор подается газообразный трихлорсилан (ТХС) . При прохождении через реактор ТХС разлагается на поверхности нагретых стержней-затравок с образованием поликремния. Когда стержни достигают нужного размера, они извлекаются из реактора и затем могут подвергаться дроблению.

В 2007 г. Сименс-процесс использовался на 90% действующих мощностей по производству поликремния. Кроме того, 70% строящихся проектов также планируют использовать технологию Сименс.

В то же время, сегодня ведутся активные разработки различных альтернативных технологий, основными преимуществами которых является экономия времени и энергии, а, следовательно, и снижение стоимости конечного продукта. К примеру, процесс производства поликремния в реакторах кипящего слоя (Fluidized Bed Reactor, FBR) постепенно наращивает свою долю рынка, поскольку ожидается, что он позволит снизить себестоимость поликремния.

Еще одна развивающаяся технология – прямая очистка технического (металлургического) кремния с получением улучшенного металлургического кремния (UMG), отвечающего требованиям т.наз. «солнечного качества». На сегодняшний день более 20 компаний работают в этом направлении. Хотя детали процесса в каждом случае могут отличаться, как правило, такие технологии подразумевают удаление примесей металлов и снижение содержания бора и фосфора. Чистота конечного продукта – свыше 99.99%.

Тем не менее, согласно прогнозам, технология Сименс сохранит свои доминирующие позиции в течение ближайших лет, хотя и уступит свою долю рынка таким технологиям как FBR, UMG и др.:

Источник: Photon Consulting, Lehman Brothers

Пластины/Фотоэлементы

В настоящее время около 90% производимых в мире солнечных фотоэлементов (ФЭП) изготавливается на основе кристаллического кремния. В 2007 г. 42,2% ФЭП были изготовлены на основе монокристаллического кремния, 45,2% - на основе поли- или мультикристаллического кремния, 2,2% - в виде микрокристаллических кремниевых лент.

Около 10,4% мирового рынка солнечных фотоэлементов сегодня составляют ФЭП, производимые в виде тонких пленок таких материалов, как аморфный кремний, теллурид кадмия, диселенид меди и индия (CIS) и других, нанесенных на различные подложки.

При сравнении различных технологий учитываются, прежде всего, такие факторы как стоимость и эффективность. Эффективность фотоэлектрического преобразования солнечной энергии в электрическую в помощью полупроводниковых фотоэлементов оценивается коэффициентом полезного действия фотоэлемента (КПД).

Максимальные значения КПД фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях

Тип Коэффициент фотоэлектрического преобразования, %

Кремниевые

    Si (кристаллический) 24,7

    Si (поликристаллический) 20,3

    Si (тонкопленочная передача) 16,6

    Si (тонкопленочный субмодуль) 10,4

III-V

    GaAs (кристаллический) 25,1

    GaAs (тонкопленочный) 24,5

    GaAs (поликристаллический) 18,2

    InP (кристаллический) 21,9

Тонкие пленки халькогенидов

    CIGS (фотоэлемент) 19,9

    CIGS (субмодуль) 16,6

    CdTe (фотоэлемент 16,5

Аморфный/Нанокристаллический кремний

    Si (аморфный) 9,5

    Si (нанокристаллический) 10,1

Фотохимические

    На базе органических красителей 10,4

На базе органических красителей (субмодуль) 7,9

Органические

    Органический полимер 5,15

Многослойные

    GaInP/GaAs/Ge 32,0

    GaInP/GaAs 30,3

    GaAs/CIS (тонкопленочный) 25,8

    a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль) 11,7

Источник: PROGRESS IN PHOTOVOLTAICS: RESEARCH AND APPLICATIONS, Prog. Photovolt: Res. Appl. 2008; 16:61–67

Технологии производства ФЭП, использующие кристаллический кремний, в настоящее время преобладают; ожидается, что они сохранят свои доминирующие позиции и в ближайшее десятилетие. Эти технологии обеспечивают максимальные КПД фотоэлементов, производимых в промышленных масштабах (в среднем, 16%, лучшие образцы достигают КПД свыше 20%; средний КПД должен подняться до 17.5% к 2010 г.):

Источник: EPIA, Lehman Brothers

В основу технологий производства монокристаллического кремния и PV-пластин на его основе положены два метода:

метод Чохральского (Czochralski method, CZ) – выращивание монокристалла кремния из расплава поликристаллического кремния, с последующим его распилом на пластины и их полировкой;

метод бестигельной зонной плавки (Float-Zone method, FZ) – выращивание монокристалла по направлению перемещения узкой зоны его расплава, созданной индукционным нагревом, с последующим распилом на пластины и их полировкой.

Производство мультикристаллического кремния и PV-пластин основано на методе направленной кристаллизации с последующим распилом мультикристалла кремния на прямоугольные блоки и далее – на пластины.

Большинство производимых в настоящее время (2007 г.) кремниевых PV-пластин имеют толщину 210-240 мкм (лучшие показатели – 180 мкм) и размер пластин 100Х100 мм (4 дюйма), 125Х125 мм (5 дюймов), 150Х150 мм (6 дюймов), 210Х210 мм (8 дюймов). Согласно прогнозам, к 2010 г. толщина пластин уменьшится до 150 мкм, что должно привести к снижению коэффициента расхода кремния с 9 г/Вт до 7,5 г/Вт в 2010 г:

Source: EPIA

Для производства фотоэлементов в виде тонких пленок используются различные модификации метода химического осаждения из газовой фазы (CVD). Основные виды тонкопленочных ФЭП изготавливаются на основе таких материалов, как аморфный кремний (a-Si), теллурид кадмия (CdTe) и диселенид меди и индия (CIS).

Тонкопленочные технологии позволяют снизить стоимость конечного продукта благодаря тому, что они используют небольшое количество кремния, либо используют вместо него другие материалы. В то же время, тонкопленочные модули уступают по эффективности (на сегодня их КПД варьируется от 6% до 10%) и, таким образом, пока не могут серьезно конкурировать с технологиями, использующими кристаллический кремний.

С развитием тонкопленочных технологий производства фотоэлементов и, в особенности, повышения их КПД (на сегодняшний день, лучшие показатели КПД тонкопленочных модулей достигают 12%), доля тонкопленочных ФЭП будет расти с относительно более высокими темпами и в течение ближайших 5 лет может завоевать до 20% глобального рынка фотоэлементов.