Солнечная батарея на основе мультикристаллического кремния

Изготовление почти всех солнечных батарей сейчас происходит на основе кремния. И, что не удивительно, самые высокие показатели коэффициента полезного действия получаются при использовании наиболее очищенного монокристаллического кремния. Поэтому очевиден и недостаток, ведь процесс получения подобного кристалла чрезвычайно сложен и требует повышенного внимания к соблюдению правил технологических процессов, от которых зависит рост кристалла. Изготовление мультикристаллического кремния намного легче, так как этот материал состоит из случайно собранных разных монокристаллических решеток кремния. А использованные в ходе опытов экспериментальные образцы такого кремния дают также неплохие результаты эффективности – до 15 процентов. А самое главное, что себестоимость  такой батареи меньше из-за простоты ее изготовления.

Команда учёных из НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ  совместно с научно-производственной фирмой «Кварк» первые в мире сумели получить солнечные элементы LGCell конструкции на основе мультикристаллического неструктурированного кремния. Полученная эффективность экспериментального образца стала равняться 15,9 процентов. Исследования проводились при поддержке и Министерства образования и науки РФ, и Российского фонда фундаментальных исследований. После проведения эксперимента все данные были опубликованы в научно-популярном журнале «Физика и техника полупроводников».

В основе работы всех фотоэлементов лежало известное всему миру явление фотоэффекта, суть которого в том, что вещество способно испускать электроны под любым воздействием света. Конструкция солнечных элементов представлена двумя частями: полупроводниковая структура, внутри которой осуществляется выделение электронов, и вторая часть – токособирающая система. В состав пластин солнечных батарей из мультикристаллического кремния дополнительно включаются атомы фосфора и бора. Такой внедрение материалов обеспечивает создание областей с различной степенью проводимости. В первой течение тока обеспечивается за счет свободных электронов, а во второй вакансиями электронов или дырками. Именно на стыке этих двух областей и можно заметить высокоинтенсивный фотоэффект. На поверхности полупроводниковых структур наносится специальный проводящий оксид, поверх которого накладывается контактная сетка из меди, которая обеспечит снятие тока. Именно эта новинка и стала ключевой особенностью разработанной технологии LGCell.

Геннадий Унтила и другие ученые, работавшие с ним, сумели не только изготовить опытные образцы фотоэлементов новой конструкции LGCell, но и крайне подробно проанализировать и исследовать процессы, происходящие с ними, если их дополнительно обрабатывать атомарным водородом. По уже доказанным предположениям создателей, подобная обработка способна привести к относительной упорядоченности структуры мультикристалического кремния и увеличивает эффективность батарей.

На основе созданных полупроводниковых пластин были собраны экспериментальные образцы солнечных батарей. Во время первых испытаний учёные узнали, что КПД батарей будет уменьшаться, если освещение представлено коротковолновым светом – не более 300 нм. Также было сделано предположение, что подобный провал вызван структурой поверхностного слоя самих батарей. За этим последовала демонстрация, суть которой заключалась в доказательстве того, что химическое травление поверхностей может привести к заметному росту эффективности фотоэлементов.