PL249053B1

PL249053B1 - Cienkowarstwowe ogniwo słoneczne i sposób jego wytwarzania

Info

Publication number: PL249053B1
Application number: PL447296A
Authority: PL
Inventors: Marek Szindler; Magdalena Szindler; Krzysztof Lukaszkowicz
Original assignee: Politechnika Slaska Im Wincent
Priority date: 2023-12-22
Filing date: 2023-12-22
Publication date: 2026-02-23
Also published as: PL447296A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest cienkowarstwowe ogniwo słoneczne i sposób jego wytwarzania. Cienkowarstwowe ogniwo słoneczne charakteryzuje się tym, że składa z fotoelektrody (1), którą stanowi podłoże w postaci płytki szklanej lub folii polimerowej lub folii metalowej z warstwą transparentnego tlenku przewodzącego TCO (2), do której przylega warstwa krzemu krystalicznego o przewodnictwie elektrycznym typu P (3) o grubości od 100 nm do 1000 nm, na której osadzona jest warstwa krzemu krystalicznego o przewodnictwie elektrycznym typu N (4) o grubości od 50 nm do 1000 nm z umieszczoną na niej nanowarstwą tlenku aluminium (5) o grubości od 10 nm do 50 nm, na której osadzone są srebrne kontakty metaliczne (6).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest cienkowarstwowe ogniwo słoneczne i sposób jego wytwarzania, mające zastosowanie w turystyce.

Obecnie rynek fotowoltaiczny, zdominowany jest przez ogniwa krzemowe. Krzem jest drugim najczęściej występującym pierwiastkiem na Ziemi, a jego własności są bardzo dobrze poznane ze względu na jego istotną rolę w przemyśle elektronicznym. Ogniwa słoneczne wykonane z krzemu monokrystalicznego osiągają sprawności 21,4% w produkcji seryjnej i wykazują stabilność warunków pracy w długotrwałej eksploatacji. Ponadto, w 2021 roku zarejestrowano rekord sprawności osiągniętej przez komercyjne ogniwa monokrystaliczne, który wyniósł 24,9% (firma JinkoSolar) co opisano w LiB., Zhang W.: Improving the stability of invertedperovskite solar cells towards commercialization, Communications Materials 3/65 (2022). Konieczność zmniejszenia kosztów produkcji spowodowała zainteresowanie krzemem polikrystalicznym, lecz ogniwa z niego wykonane cechuje mniejsza wytrzymałość i niższa sprawność niż ogniwa z krzemu monokrystalicznego.

Rozwój nowych technologii wykorzystujących ogniwa słoneczne wymaga jednak dalszych badań, a kluczowym czynnikiem, który może znacząco przyspieszyć postęp w tej dziedzinie nauki, jest zwiększenie zakresu zastosowań ogniw słonecznych przy obniżonych kosztach produkcji. Dlatego leż cienkowarstwowe ogniwa słoneczne stały się alternatywą dla klasycznych krzemowych ogniw słonecznych. Ogniwa słoneczne cienkowarstwowe to rodzaj technologii fotowoltaicznej, w której warstwa półprzewodnikowa jest znacznie cieńsza, niż w tradycyjnych ogniwach krzemowych. Ich zaletą jest niższy koszt materiałów półprzewodnikowych oraz możliwość wytwarzania na różnych, w tym elastycznych, podłożach (szkło, folie metalowe i polimery) co wskazano w Kowsar A., Rahaman M., et al.: Progress in Major Thin-film Solar Cells: Growth Technologies, Layer Materials and Efficiencies, International Journal Of Renewable Energy Research 2019 9/2.

Można wyróżnić kilka produktów w zakresie cienkowarstwowej fotowoltaiki. Jednym z rozwiązań jest zastosowanie tellurku kadmu (CdTe) co opisano w Romeo A., Artegiani E.: CdTe-Based Thin Film Solar Cells: Past Present and Future, Energies 2021, 14(6), 1684 oraz w europejskim patencie. EP4163983. Niedogodnością powyższych rozwiązań jest występowanie telluru jako pierwiastka rzadkiego, co utrudnia masową produkcję. Występowanie kadmu, który jest toksyczny, wymaga zachowania szczególnych środków bezpieczeństwa.

Innym popularnym rozwiązaniem jest zastosowanie związków miedzi, indu, galu i selenu (GIGS) co opisano w Ramanujam J., Singh UP.: Copper indium gallium selenide based solar cells - a review, Energy & Environmental Science 2017, 10, 1306-1319 oraz w patentach CN108231915A i WO2004100250A. Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne oparte na diselenku miedziowo-indowo-galowym (CIGS) charakteryzują się wysoką sprawnością oraz stabilną pracą w trudnych warunkach atmosferycznych. Wadą tego typu rozwiązania jest wysoki koszt produkcji.

Najczęściej stosowane rozwiązanie w technologii cienkowarstwowej oparte jest na krzemie amorficznym, który umożliwia otrzymanie ogniwa słonecznego o sprawności około 14% przy zastosowaniu wielozłącza i relatywnie niskich kosztach produkcji co opisano w Sreejith S., AjayanJ.: A Comprehensive Review on Thin Film Amorphous Silicon Solar Cells, Silicon, 2022, 14 oraz w patencie nr US6307146B1. W ich produkcji zazwyczaj stosuje się metodę CVD i jej odmiany, która wymaga wysokich temperatur i niebezpiecznych gazów. Dodatkowo rozwiązanie to ogranicza zakres stosowanych podłoży. Złącze wykonane z krzemu amorficznego, zarówno czystego, jak i uwodornionego, charakteryzuje się niską ruchliwością nośnika co opisano w Wang Qi.: Hot-wire CVD amorphous Si materials for solar cell application, Thin Solid Films, 2009, 517/12.

Wykonany przegląd literatury wskazuje, że znane są przykłady zastosowania różnych materiałów oraz technologii do wytworzenia cienkowarstwowych ogniw słonecznych, jednak dotychczas nie wykazano w publikacjach próby wytworzenia cienkowarstwowych ogniw słonecznych z wykorzystanie cienkich warstw krzemu krystalicznego wytworzonego metodą rozpylania magnetronowego oraz cienkiej warstwy antyrefleksyjnej z wykorzystaniem metody atomowego osadzania warstw.

Cechą odróżniającą tego typu ogniwa od konwencjonalnych jest mniejsza masa, mniejsze zużycie materiałów półprzewodnikowych, niska temperatura wytwarzania oraz możliwość osadzenia na elastycznym podłożu.

Zagadnieniem technicznym wymagającym rozwiązania jest opracowanie nowego sposobu wytwarzania cienkowarstwowego ogniwa słonecznego, który zminimalizuje koszt wytwarzania, zwiększy sprawność oraz rozszerzy zakres stosowania technologii cienkowarstwowej.

Cel ten osiągnięto poprzez zastosowanie metody rozpylania magnetronowego w celu osadzenia krystalicznych warstw krzemu o przewodnictwie typu P oraz krystalicznych warstw krzemu o przewodnictwie typu N. Metoda rozpylania magnetronowego nie wymaga stosowania wysokich temperatur oraz umożliwia osadzenie warstw na elastycznym podłożu. Ponadto zastosowano metodę atomowego osadzania warstw (ALD) w celu osadzenia nanostrukturalnej warstwy antyrefleksyjnej. Metoda ta umożliwia osadzenie jednorodnej warstwy i kontrole grubości z dokładnością do 0,1 mm co jest nie możliwe do osiągnięcia inną metodą.

Cienkowarstwowe ogniwo słoneczne charakteryzuje się tym, że składa się z fotoelektrody, którą stanowi podłoże w postaci płytki szklanej lub folii polimerowej lub folii metalowej z warstwą transparentnego tlenku przewodzącego TCO, do której przylega warstwa krzemu krystalicznego o przewodnictwie elektrycznym typu P o grubości od 100 nm do 1000 nm, na której osadzona jest warstwa krzemu krystalicznego o przewodnictwie elektrycznym typu N o grubości od 50 nm do 1000 nm z umieszczoną na niej nanowarstwą tlenku aluminium o grubości od 10 nm do 50 nm, na której osadzone są srebrne kontakty metaliczne.

Sposób wytwarzania cienkowarstwowego ogniwa słonecznego polega na tym, że na fotoelektrodę, którą stanowi podłoże w postaci płytki szklanej lub folii polimerowej lub folii metalowej z warstwą transparentnego tlenku przewodzącego TCO, nanosi się metodą rozpylania magnetronową warstwę krzemu krystalicznego o przewodnictwie elektrycznym typu P o grubości od 100 nm do 1000 nm oraz warstwę krzemu krystalicznego o przewodnictwie elektrycznym typu N o grubości od 100 nm do 1000 nm przy częstotliwości radiowej (RFMS) stosując następujące warunki procesu dla każdej z warstw: moc na zasilaczu P = 50 W: 70 W, napięcie polaryzujące = 30 V: 60 V, proces prowadzi się przy ciśnieniu 3:5-10^-3 Torr, w temperaturze 50°C:600°C w czasie 30 min:20 min, zabieg powtarza się od 2 do 5 razy, następnie na tak przygotowane podłoże osadza się metodą ALD warstwę tlenku aluminium o grubości od 10 nm do 50 nm, proces prowadzi się w temperaturze od 50°C do 200°C, po czym nanosi metodą rozpylania magnetronowego srebrne kontakty metaliczne stosując następujące warunki procesu; moc na zasilaczu P = 60 W :90 W, napięcie polaryzujące = 30 V:50V ,proces prowadzi się przy ciśnieniu 3:5-10^-3 Torr, w temperaturze 50°C:600°C w czasie 10 min:60 min.

Przedmiot wynalazku został objaśniony poniższymi przykładami wykonania oraz pokazany w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia cienkowarstwowe ogniwo słoneczne w przekroju w ujęciu schematycznym.

Cienkowarstwowe ogniwo słoneczne składa się z fotoelektrody 1, którą stanowi podłoże w postaci płytki szklanej lub folii polimerowej lub folii metalowej z warstwą transparentnego tlenku przewodzącego TCO 2, na której znajduje się warstwa krzemu krystalicznego o przewodnictwie elektrycznym typu P 3 oraz warstwy krzemu krystalicznego o przewodnictwie elektrycznym typu N 4 osadzone metodą rozpylania magnetronowego, nanowarstwa tlenku aluminium osadzona metodą ALD 5 oraz srebrne kontakty metaliczne osadzone metodą rozpylania magnetronowego 6. Ogniwo oświetlone jest promieniami słonecznymi 7.

Przykład 1

W celu wytworzenia cienkowarstwowego ogniwa słonecznego na fotoelektrodę 1 w postaci płytki szklanej, połączonej z warstwą transparentnego tlenku przewodzącego TCO 2, naniesiono warstwę krzemu krystalicznego o przewodnictwie elektrycznym typu P 3, następnie warstwę krzemu krystalicznego o przewodnictwie elektrycznym typu N 4, metodą rozpylania magnetronowego przy częstotliwości radiowej (RFMS) stosując następujące warunki procesu dla każdej z warstw:

moc na zasilaczu P = 50 W, napięcie polaryzujące = 30 V, ciśnienie w komorze urządzenia p = 3-10^-3 Torr, temperatura procesu T = 50°C, czas nanoszenia warstwy wynosił t = 30 min.

Otrzymano warstwy o grubości 100 nm każda. Zabieg ten powtórzono 2 razy. Następnie na tak przygotowane podłoże osadzono metodą ALD warstwę tlenku aluminium 5 z wykorzystaniem trimetyloaluminium (TMA) jako prekursora, wody jako reagent oraz azotu jako gazu obojętnego, stosując następujące parametry:

Czas wstrzyknięcia TMA = 0,1 sek.,

Czas wystrzyknięcia wody = 0,2 sek.,

Czas płukania azotem pomiędzy pulsami = 4 sek.,

Przepływy azotu w liniach = 200 sccm,

Liczba cykli 100 razy,

Temperatura w komorze = 50°C.

Otrzymano warstwę o grubości 10 nm. W końcowym etapie naniesiono metaliczne kontakty srebrne 6 metodą rozpylania magnetronowego przy częstotliwości radiowej (RFMS) stosując następujące warunki procesu dla każdej z warstw:

moc na zasilaczu P = 60 W, napięcie polaryzujące = 30V, ciśnienie w komorze urządzenia p = 3-10-3 Torr, temperatura procesu T = 50°C, czas nanoszenia warstwy wynosił t = 10 min.

Uzyskano: warstwę o grubość i 50 nm.

Przykład 2

moc na zasilaczu P = 70 W, napięcie polaryzujące = 60 V, ciśnienie w komorze urządzenia p = 5-10-3 Torr, temperatura procesu T = 60°C, czas nanoszenia warstwy wynosił t = 120 min.

Otrzymano warstwy o grubości 1000 nm każda. Zabieg ten powtórzono 5 razy. Następnie na tak przygotowane podłoże osadzono metodą ALD warstwę tlenku aluminium 5 z wykorzystaniem trimetyloaluminium (TMA) jako prekursora, wody jako reagent oraz azotu jako gazu obojętnego, stosując następujące parametry:

Czas wstrzyknięcia TMA = 0,1 sek.,

Czas wstrzyknięcia wody = 0,2 sek.,

Czas płukania azotem pomiędzy pulsami = 4 sek.,

Przepływy azotu w liniach = 200 sccm,

Liczba cykli = 500 razy,

Temperatura w komorze = 200°C

Otrzymano warstwę o grubości 50 nm. W końcowym etapie naniesiono metaliczne kontakty srebrne 6 metodą rozpylania magnetronowego przy częstotliwości radiowej (REMS) stosując następujące warunki procesu dla każdej z warstw:

moc na zasilaczu P = 90 W, napięcie polaryzujące = 50 V, ciśnienie w komorze urządzenia p = 5-10-3 Torr, temperatura procesu T = 600°C, czas nanoszenia warstwy wynosił t = 60 min.

Uzyskano warstwę o grubości 300 nm.

Przykład 3

moc na zasilaczu P = 60 W, napięcie polaryzujące = 45 V, ciśnienie w komorze urządzenia p = 4-10-3 Torr, temperatura procesu T = 325°C, czas nanoszenia warstwy wynosił t = 75 min.

Otrzymano warstwy o grubości 750 nm każda. Zabieg ten powtórzono 3 razy. Następnie na tak przygotowane podłoże osadzono metodą ALD warstwę tlenku : aluminium 5 z wykorzystaniem trimetyloaluminium (TMA) jako prekursora, wody jako reagent oraz azotu jako gazu obojętnego, stosując następujące parametry:

Czas wstrzyknięcia TMA = 0,1 sek.,

Czas wstrzyknięcia wody = 0,2 sek.,

Czas płukania azotem pomiędzy pulsami = 4 sek.,

Przepływy azotu w liniach = 200 sccm,

Liczba cykli = 250 razy,

Temperatura w komorze = 100°C.

Otrzymano warstwę o grubości 25 nm. W końcowym etapie naniesiono metaliczne kontakty srebrne 6 metodą rozpylania magnetronowego przy częstotliwości radiowej (RFMS) stosując następujące warunki procesu dla każdej z warstw:

moc na zasilaczu P = 75 W, napięcie polaryzujące = 45 V, ciśnienie w komorze urządzenia p = 4-10^-3 Torr, temperatura procesu T = 325°C, czas nanoszenia warstwy wynosił t = 30 min.

Uzyskano warstwę o grubości 150 nm.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest zastosowanie niskiej temperatury osadzania skutkującą zmniejszeniem kosztów wytwarzania oraz rozszerzeniem zakresu stosowania technologii cienkowarstwowych ogniw słonecznych. Ogniwo słoneczne według wynalazku może znaleźć zastosowanie w fotowoltaice zintegrowanej z budownictwem (BlPV) jako element stanowiący alternatywę dla konwencjonalnych materiałów budowlanych oraz w turystyce.

Claims

1. Cienkowarstwowe ogniwo słoneczne znamienne tym, że składa się z fotoelektrody (1), którą stanowi podłoże w postaci płytki szklanej lub folii polimerowej lub folii metalowej z warstwą transparentnego tlenku przewodzącego TCO (2), do której przylega warstwa krzemu krystalicznego o przewodnictwie elektrycznym typu P (3) o grubości od 100 nm do 1000 nm, na której osadzona jest warstwa krzemu krystalicznego o przewodnictwie elektrycznym typu N (4) o grubości od 50 nm do 1000 nm z umieszczoną na niej nanowarstwą tlenku aluminium (5) o grubości od 10 nm do 50 nm, na której osadzone są srebrne kontakty metaliczne (6).

2. Sposób wytwarzania cienkowarstwowego ogniwa słonecznego znamienny tym, że na fotoelektrodę (1), którą stanowi podłoże w postaci płytki szklanej lub folii polimerowej lub folii metalowej z warstwą transparentnego tlenku przewodzącego TCO (2), nanosi się metodą rozpylania magnetronową warstwę krzemu krystali cznego o przewodnictwie elektrycznym typu P (3) o grubości od 100 nm do 1000 nm oraz warstwę krzemu krystalicznego o przewodnictwie elektrycznym typu N (4) o grubości od 100 nm do 1000 nm przy częstotliwości radiowej (RFMS) stosując, następujące warunki procesu dla każdej z warstw: moc na zasilaczu P = 50 W: 70 W, napięcie polaryzujące = 30 V: 60 V, proces prowadzi się przy ciśnieniu 3:5-10^-3 Torr, w temperaturze 50°C:600°C w czasie

30 min:120 min, zabieg powtarza się od 2 do 5 razy, następnie na tak przygotowane podłoże osadza się metodą ALD warstwę tlenku aluminium (5) o grubości od 10 nm do 50 nm, proces prowadzi się w temperaturze od 50°C do 200°C, po czym nanosi metodą rozpylania magnetronowego srebrne kontakty metaliczne (6) stosując następujące warunki procesu: moc na zasilaczu P = 60 W:90 W, napięcie polaryzujące = 30 V:50 V, proces prowadzi się przy ciśnieniu 3:5-10^-3 Torr, w temperaturze 50°C:600°C w czasie 10 min:60 min.