Оглавление

1. Аннотация 3

2. Введение 4

3. Устройство и принцип работы солнечной пластины 4

4. Проблемы нахождения и использования конструкций и материалов для солнечных элементов 5

5. Сравнение тонкопленочных и кристаллических фотоэлектрических модулей 6

6. Этапы производства солнечных элементов 8

7. Диффузия в производстве солнечных элементов 13

8. Источники примесей для диффузионного легирования кремния 14

9. Составление математической модели для расчета глубины легирования 20

10. Расчет движения скорости ленты и передаточных коэффициентов привода 22

11. Заключение 23

12. Литература 24

Аннотация

Ключевые слова: СОЛНЕЧНАЯ ЯЧЕЙКА, СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ, ДИФФУЗИЯ.

Курсовой проект посвящён разработке технологии изготовления фотоэлектрических кремниевых солнечных коллекторов.

Расчётно-пояснительная записка выполнена в текстовом редакторе MS Word 2010, а 5 листов формата А1 выполнены в редакторе CoralDraw X5.

Расчётно-пояснительная записка содержит: 24 страницы машинописного текста, 7 рисунков, 1 таблицу.

Устройство и принцип работы солнечной пластины.

Существуют различные альтернативные возобновляемые источники энергии: энергия ветра и солнечного света, гидро- и геотермальная энергия. Особое место среди них занимает фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии, изучение которых превратилось в отдельную науку – фотовольтаику.

Простейшая конструкция солнечного элемента показана на рисунке 1.

Рис.1 Конструкция солнечного элемента

На подложке располагаются полупроводники n- и р-типа с контактами, покрытые защитным стеклом для предотвращения внешних повреждений. Восприятие элементом падающих солнечных лучей улучшается с помощью специального поглощающего покрытия. Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрон-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область. Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой. В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение.

Солнечные элементы собираются в солнечные модули(рис.2), которые, в свою очередь являются основой солнечной пластины.

Рис.2 Солнечный модуль

Проблемы нахождения и использования конструкций и материалов для солнечных элементов
Для эффективной работы солнечных элементов необходимо соблюдение ряда условий:

• оптический коэффициент поглощения активного слоя полупроводника должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение существенной части энергии солнечного света в пределах толщины слоя;

•  генерируемые при освещении электроны и дырки должны эффективно собираться на контактных электродах с обеих сторон активного слоя;

•  солнечный элемент должен обладать значительной высотой барьера в полупроводниковом переходе;

• полное сопротивление, включенное последовательно с солнечным элементом (исключая сопротивление нагрузки), должно быть малым для того, чтобы уменьшить потери мощности (джоулево тепло) в процессе работы;

• структура тонкой пленки должна быть однородной по всей активной области солнечного элемента, чтобы исключить закорачивание и влияние шунтирующих сопротивлений на характеристики элемента.

Сравнение тонкопленочных и кристаллических

фотоэлектрических модулей

Тонкопленочные модули в общем случае дешевле кристаллических за счет меньшего расхода кремния и более простой технологии изготовления. Однако разница в цене не очень большая, так как в последние годы цена на кристаллические солнечные модули сильно снизилась. Эффективность обеих технологий быстро растет, а различие в цене уменьшается. Для конечных потребителей и установщиков важно рассмотреть некоторые важные особенности, которые имеют место при проектировании солнечной электростанции на основе различных типов солнечных элементов. На основе этой информации проектировщик может решить, какую технологию солнечных элементов - тонкопленочную или кристаллическую - лучше использовать в конкретном проекте.

Параметры, по которым следует сравнивать тонкопленочные и кристаллические фотоэлектрические модули(сравнение приведено в таблице 1):

1. Отношение напряжения в рабочей точке к напряжению холостого хода (Vmp/ Voc)
   (выше - лучше, т.к. меньше разница между Voc и Vmp). Напряжение, при котором ток равен 0, называется напряжением холостого хода (V_oc). С другой стороны, ток, при котором напряжение равно 0, называется током короткого замыкания (I_sc). В этих крайних точках ВАХ мощность модуля равна 0. На практике, система работает при комбинации тока и напряжения, когда вырабатывается достаточная мощность. Лучше сочетание называется точкой максимальной мощности (рабочей точкой). Соответствующие напряжение и ток обозначаются как V_p (номинальное напряжение) и I_p (номинальный ток). Именно для этой точки определяются номинальная мощность и КПД солнечного модуля;

2. Температурные коэффициенты (низкий температурный коэффициент лучше при работе при высоких температурах окружающей среды);

3. Заполнение вольт-амперной характеристики (идеальный элемент имеет 100% заполнение);

4. Конструкция модуля;

5. КПД модуля;

6. Совместимость с инверторами;

7. Монтажные конструкции;

8. Соединения постоянного тока;

9. Типовое применение;

10. Требуемая площадь.

Табл.1 Сравнение тонкопленочных и кристаллических фотоэлектрических модулей

Этапы производства солнечных элементов

Существует несколько этапов производства солнечных батарей на основе поликристаллического кремния:

- Подготовка кремниевой пластины, очистка ее после резки, промывка;

Пластины на производство поступают практически готовыми к дальнейшему их использованию, необходимо только удалить повреждения, образующиеся на поверхности при резке. В этих целях применяется оборудование для выполнения жидкостной химической обработки. Помимо этого, установки компании, а в частности система серии InTex, улучшает светоудерживающие свойства пластин путем создания структуры на их поверхности. 

- Структурирование поверхности пластины, создание топологии на ее поверхности, травление;

Так как для получения более эффективных солнечных элементов важно преобразовать в электричество как можно больше солнечного света, то поверхность стараются сделать неровной на микроуровне. Для кремниевых пластин такая операция называется текстурированием.

Текстурированная поверхность представляет собой множество на первый взгляд хаотично расположенных микропирамид (рис.3). Излучение, попадая на поверхность пирамиды, отражается под тем же углом и в большинстве случаев попадает на грань соседней пирамидки. При этом, только за счет создания текстурированной поверхности удается снизить коэффициент отражения кремния с 35% до 11%.

Рис.3 Текстурированная поверхность кремниевой пластины

Для решения обеих рассмотренных задач (удаление нарушенного слоя и формирование текстуры на поверхности пластин) применяется химическая обработка пластин. Обычно, для кремниевых пластин применяют травление в щелочных растворах и одну или несколько кислотных обработок. При этом главное - не переусердствовать, так как в погоне за равномерной текстурой поверхности можно существенно снизить толщину пластин. А это приведет в итоге к повышенному их бою на последующих операциях и, как следствие, к снижению процента выхода годных изделий.

В конце, после проведения всех необходимых операций, пластины промываются в воде и сушатся. Это тоже очень важные операции. Так, например, от качества сушки очень сильно параметры создаваемого на следующей операции диффузионного слоя.

- Легирование, нанесение фосфора;

  Обычно в производстве солнечных элементов используются исходные пластины с проводимостью p-типа. Для этого кремний еще на этапе выращивания слитков легируют соответствующими примесями, например, бором. Поэтому для создания в нем n-слоя необходимо в одну из поверхностей элемента внедрить другую примесь, которая скомпенсирует действие бора и насытит полупроводник носителями заряда n-типа. Это можно сделать, введя в кремний фосфор или другую подходящую примесь из соответствующей части таблицы Менделеева.

- Диффузия фосфора, вжигание;

Одним из наиболее традиционных и экономически обоснованным способом насыщения кремния фосфором является диффузия, т.е. процесс при котором фосфор под действием высоких температур проникает в полупроводник. Традиционно диффузию фосфора проводят в трубчатых или конвейерных печах при температурах около 1000⁰ С. В первом случае пластины помещают в кварцевые кассеты, а трубу печи заполняют парами вещества, содержащего фосфор. Регулируя время нахождения пластин в реакторе, температуру и потоки газов внутри него, технологи получают p-n переход с необходимыми им свойствами. Во втором случае фосфорсодержащее вещество наносят распылением на поверхность пластин, лежащих на ленте конвейерной печи. После этого пластины при помощи конвейера передвигаются в следующую зону, где также подвергаются высокотемпературной обработке.