По имеющимся на данный момент оценкам годовой уровень потребления человечеством электроэнергии будет заметно увеличиваться и удвоится (по сравнению с нынешним уровнем) уже к середине XXI в. Причем дальнейшее увеличение производства энергии за счет «традиционных» ископаемых ресурсов (нефть, газ, уголь) невозможно вследствие их исчерпаемости и быстрого роста потребностей в энергии. Даже если запасы «традиционных» ресурсов не будут полностью истощены, будет наблюдаться их острый дефицит и резкий рост цен. К счастью развитие науки и технологий уже сейчас позволяет использовать альтернативно произведенную энергию ветра, геотермальных источников, биомассы, водных потоков и солнца. Наиболее привлекательно и перспективно с точки зрения широкого круга применений выглядит прямое преобразование солнечной энергии в электрическую. Подсчитано, что установка солнечных элементов с эффективностью порядка 10% и общей площадью 1250*1250 км2 обеспечит все потребности человечества в электроэнергии до 2050 г.

Рисунок 1. Схематичное изображение поглощения света в многокаскадных солнечных элементах. Коротковолновые фотоны поглощаются в материалах с большой шириной запрещенной зоны Eg, длинноволновые — в материалах с меньшей шириной запрещенной зоны

На данный момент самые высокие значения КПД достигаются в многокаскадных солнечных элементах (СЭ). Такой элемент представляет собой несколько последовательно сформированных p-n переходов, выполненных из различных полупроводниковых материалов. Материалы подбираются так, чтобы ширина запрещенной зоны полупроводника, ближайшего к поверхности солнечного элемента, на которую падает свет, была максимальной. По мере удаления от поверхности используются полупроводники со все меньшей шириной запрещенной зоны (рис. 1). Подобная схема позволяет уменьшить тепловые потери и эффективно использовать весь солнечный спектр. Сегодня применяются в основном двухкаскадные и трехкаскадные (состоящие из двух и трех p-n переходов соответственно) солнечные фотопреобразователи. Использовать большее число каскадов трудно из-за резкого возрастания внутреннего сопротивления солнечного элемента. В многокаскадных СЭ используют различные полупроводниковые материалы; пока наиболее распространены СЭ на гетеропереходах тройных соединений (Al) GaInP/ (In) GaAs/Ge. КПД трехкаскадных солнечных элементов составляет более 40%.

СЭ на основе кристаллических полупроводников (Si, Ge, GaAs, GaInP и др.) наравне с целым рядом достоинств, к которым следует отнести большие значения КПД, имеют один существенный недостаток — высокую стоимость вырабатываемой ими электроэнергии. Дело в том, что цена производимой электроэнергии определяется, прежде всего, стоимостью материала, из которого изготовлен СЭ, и затратами технологического процесса производства самого СЭ. Для эффективного поглощения солнечного света в кристаллических полупроводниках толщина структур из дорогостоящего полупроводникового сырья должна быть на уровне сотен микрометров. Кроме того, велики общие потери материала в результате его обработки и резки при создании таких СЭ, а сам технологический процесс нередко требует больших энергетических затрат.

Существенно снизить стоимость вырабатываемой электроэнергии позволяет технология формирования тонкопленочных СЭ на основе некристаллических полупроводников. Она не требует больших производственных энергетических затрат и значительного количества полупроводникового материала. Далее, однородные тонкие пленки можно осаждать на больших площадях, что позволяет экономить средства при формировании последовательных цепей из тонкопленочных СЭ. Наконец, тонкопленочная технология имеет ряд специфических достоинств, таких как возможность создавать СЭ на гибких подложках и производить прозрачные солнечные модули.

В настоящее время разработка технологий получения тонкопленочных СЭ осуществляется по четырем направлениям: 1) СЭ на основе гидрогенизированного аморфного кремния (a-Si:H); 2) СЭ на основе поликристаллических соединений CdS и CdTe; 3) СЭ на основе соединений типа Cu- (InGa) -Se (S) (CIGSS) и 4) органические СЭ. Стоит отметить, что все указанные технологии, за исключением технологии, использующей органические материалы, уже используются в промышленных масштабах производства СЭ. Каждая из представленных выше групп СЭ имеет как свои преимущества, так и недостатки. Например, к преимуществам СЭ на основе CdTe/CdS относят наименьшую из указанных СЭ стоимость преобразованного ватта мощности. В то же время один из существенных недостатков данных СЭ — высокая токсичность используемого при их создании Cd. А ограниченного количества Te в земной коре хватит для создания элементов лишь на несколько гигаватт мощности. СЭ на основе CIGSS обладают высокими значениями эффективности преобразования солнечной энергии (для лабораторных образцов значения КПД превышают 20%). Еще один их плюс — использование соединений различных составов с разной шириной запрещенной зоны дает возможность формировать многокаскадные СЭ. Но технология изготовления СЭ, использующая 5 различных элементов, достаточно сложна, и разведанного содержания In на Земле хватит на производство СЭ, которые смогут обеспечить не более 10 ГВт мощности. Что касается СЭ на основе гидрогенизированного аморфного кремния, то они обладают большими значениями коэффициента поглощения в видимой области спектра (> 10_5 см-1) и требуют малых температур для процесса их осаждения на подложки. Кроме того, технология получения данных СЭ «дружественна» к «зеленым» технологиям. Стоит также добавить, что кремний — самый распространенный элемент в природе после кислорода. На рисунке 2 приведена фотография солнечного модуля на основе аморфного кремния, находящегося на крыше здания в Санкт-Петербурге.

Рисунок 2. Солнечный модуль на основе аморфного кремния на крыше здания в г. Санкт-Петербург

Первое сообщение о СЭ на основе аморфного гидрогенизированного кремния в 1976 г. вызвало бурный интерес к полупроводниковым материалам, ему подобным. Вскоре после начала использования a-Si:H для создания СЭ был обнаружен главный недостаток аморфного кремния — фотоиндуцированная деградация его фотоэлектрических свойств, так называемый эффект Стеблера-Вронского. Этот эффект приводит к ухудшению со временем параметров СЭ из а-Si:H. Целесообразно отметить, что прогресс в улучшении свойств материалов, дизайне устройств и процессах производства приводит к постоянному росту стабилизированной эффективности СЭ на базе аморфного кремния. Тем не менее, огромный потенциал роста фотовольтаической индустрии указывает на то, что прогресс по разработке Si-технологии еще далек от завершения.

Относительно недавно было показано, что введение кремниевых нанокристаллов в а-Si:H существенно снижает деградацию его свойств под действием освещения и увеличивает подвижность носителей заряда в нем. Для эффективного использования такого наномодифицированного аморфного кремния (двухфазного материала, состоящего из аморфного гидрогенизированного кремния с включениями кристаллического кремния нанометрового размера) в СЭ необходимо детально исследовать его структуру, оптические, электрические и фотоэлектрические свойства.

В результате проведенных сотрудниками кафедры общей физики и молекулярной электроники физического факультета МГУ исследований существенно расширены представления об электронных процессах, определяющих оптические, электрические и фотоэлектрические свойства наномодифицированного аморфного кремния. Установлены общие закономерности по влиянию объемной доли нанокристаллов, их размера и поверхностного покрытия на электронные процессы, происходящие в наномодифицированном аморфном кремнии. Этот позволило разработать метод получения наномодифицированного аморфного кремния с электрическими и фотоэлектрическими параметрами, обеспечивающими создание эффективных и деградационно-стойких тонкопленочных солнечных элементов (патент на изобретение RU 2536775 C2 «Способ получения пленок аморфного кремния, содержащего нанокристаллические включения», авторы П. К. Кашкаров, А. Г. Казанский, П. А. Форш, Д. М. Жигунов). Кроме того, была показана возможность создания люминесцентных слоев на поверхности аморфного кремния фемтосекундным лазерным излучением. Максимум фотолюминесценции таких слоев лежит в видимой области спектра (675 нм). Это позволяет использовать данные слои для переизлучения ультрафиолетовой части солнечного спектра в эффективно преобразуемый СЭ на основе кремния видимый свет, что приводит к увеличению КПД СЭ.

Доктор физико-математических наук, доцент кафедры общей физики и молекулярной электроники, П. А. Форш

Назад