Проект «Организация производства тонкопленочных кремниевых солнечных модулей на гибких подложках на базе нового струйного плазмохимического метода» Цель проекта: Организация производства тонкопленочных солнечных модулей на гибких подложках, годовой производительностью 5МВт солнечных модулей в год, с последующим расширением по модульному принципу до 25МВт/год

1. Что является товаром Солнечной Энергетики (фотовольтаики)?

1.1. СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГОСИСТЕМА 1. Солнечный модуль - преобразование солнечного света в электричество. 2. Контролер заряда - регулирование процессов заряд/разряд, мониторинг параметров системы. 3. Блок аккумуляторных батарей - накопление энергии выработанной солнечными модулями. 4. Инвертор - преобразование постоянного напряжения с аккумуляторных батарей в переменное. 5. Монтажный комплект - коммутация оборудования. СТРУКТУРА ЦЕНЫ ТИПОВОЙ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ (установленная мощность 10 кВт) ТИПОВАЯ СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ

1.2. Структура солнечного модуля из солнечных элементов (СЭ) на гибкой подложке + Однокаскадная структура СЭ - + Солнечный модуль Солнечный элемент Гибкая подложка Трехкаскадная структура СЭ

1.3. Схема производства тонкопленочных кремниевых солнечных модулей на гибкой стальной подложке Получаемые слои солнечного элемента Световозвращающий cлой Al ТСО (ZnO:Al) p - слой i- слой n - слой Технологические операции 4. Нанесение фотогенирирующих слоев (p-i-n структуры) 6. Формирование солнечного модуля 1. Очистка ленты Промывка в жидкостях 3. Нанесение ТСО (ZnO:Al) 7. Ламинирование 5. Нанесение ТСО (ZnO:Al) Магнетронно е распыление Плазмохимическое осаждение слоев (PE CVD) Термическое испарение Метод получения 2. Нанесение Al В вакууме Торр 1 Торр10 -4 Торр ТСО (ZnO:Al) Контактная сетка Ламинат Подложка

1.4. Различные секторы применения тонкопленочной продукции Переносные системы Освещение Солнечные электростанции Солнечная архитектура (BIPV) Grid Connected System Сетевые системы Stand Alone System Независимый потребитель Мощность PV системы, kW Солнечные палатки, тенты Вывод: Тонкопленочные солнечные модули имеют преимущества: а) при двухфункциональном применении; б) при использовании в переносных системах.

1.5. Преимущества и недостатки тонкопленочных СЭ (в сравнении с элементами на кристаллическом кремнии) Преимущества: Экономия сырья; Низкая себестоимость; Стабильные характеристики при повышенных температурах; Большее количество вырабатываемой за год энергии на единицу установленной мощности; Лучшие потребительские свойства. Недостатки: Низкие значения КПД и, как следствие, большая площадь, необходимая для размещения модулей; Низкие скорости осаждения слоев СЭ на существующем промышленном оборудовании и, как следствие, большие капитальные затраты на оборудование для производства солнечных элементов. Разрабатываемые новые технологии (большинство из них тонкопленочные) имеют общие цели: снижение цены фотоэлектричества и расширение областей применения.

1.6. Товар на рынке и пути возврата вложенных средств 1. Интеллектуальная собственность (технология, патенты, технологические карты) 2. Рулон ленты (гибкая подложка) с нанесенной p-i-n структурой 3. Солнечные модули 4. Солнечные системы 5. Оборудование Достоинства: Способ контроля всего проекта и его рисков, быстрая окупаемость проекта. Недостатки: Малый рынок реализации., необходима демонстрация конечного продукта. Достоинства: Рентабельность проекта -300%, мало конкурентов, нет необходимости реализации полного технологического цикла СЭ (снижение инвестиционных затрат). Недостатки: Не конечный продукт, требуются стабильные партнеры. Достоинства: Конечный продукт, большой рынок реализации, высокая рентабельность (200%), минимальные риски. Недостатки: высокая продолжительность возврата вложенных средств. Достоинства: Конечный продукт, большой рынок реализации, высокая рентабельность(200%). Недостатки: высокая продолжительность возврата вложенных средств, высокие кап. вложения, необходима кооперация для комплектации СС. Достоинства: Конечный продукт, быстрая окупаемость, высокий спрос. Недостатки: малый рынок реализации.

2. Концептуальные основы проекта «Организация производства тонкопленочных кремниевых солнечных модулей на гибких подложках на базе нового струйного плазмохимического метода» Газоструйный плазмохимический метод осаждения 2.3. Однокаскадная архитектура солнечного элемента 2.4. Гибкая подложка (roll-to-roll технология) 2.5. Модульность технологической линии производства тонкопленочных кремниевых СЭ 2.2. Фотогенерирующий слой (i-слой) – смесь nc-Si:H и a-Si:H (~50÷50)%

2.1.1.Основы газоструйного плазмохимического метод в сравнении с RF PECVD Зона активации и область осаждения совмещены. Незначительные изменения в зоне активации сильно влияют на качество получаемых слоев. Доставка активированных частиц к подложке определяется процессами диффузии. Нежелательные столкновения в газовой фазе приводят к образованию высокодисперсного порошка. Молекулы фонового газа влияют на процессы в области осаждения. Это приводит к ограничению скоростей осаждения (не более 1-3 A/сек). Как следствие огромные габариты установок и высокие затраты на оборудование Базовыми элементами метода являются: Электронный пучок Сверхзвуковая струя Электронно-пучковая плазма в сверхзвуковом потоке Это обеспечивает устойчивость, воспроизводимость и контролируемость процесса. Время доставки частиц к подложке меньше на 3 порядка. Струя защищает зону осаждения от молекул фонового газа. Метод может обеспечивать очень высокие скорости осаждения до 100 А/сек. Как следствие: малогабаритные установки и небольшие затраты на оборудование, (меньшие в разы инвестиционные вложения) Технологические режимы полученные на одиночном струйном источнике в лаборатории переносятся без изменений на промышленную установку (экономия в несколько лет на масштабировании)

Промышленное применение метода для осаждения тонких пленок. Коаксиальная конфигурация электронного пучка и сверхзвуковой газовой струи позволяет применять газоструйный плазмохимический метод для осаждения тонких пленок по «roll-to-roll» технологии на двух подложках. Осаждение слоев осуществляется в непрерывном режиме на больших площадях. Струйный источник радикалов доведен до промышленной реализации. Основные принципы метода защищены Российским и международным патентами: International patent No. WO 03/ A R.G. Sharafutdinov, V.M. Karsten, A.A. Polisan, O.I. Semenova, B.V. Timofeev, S. Ya. Khmel. "The method for carrying out homogeneous and heterogeneous chemical reactions using plasma". Priority of invention of Струйный источник радикалов (СИР)

На каких технологических этапах может быть использован газоструйный плазмохимический метод ? «Сердцем» такой структуры является i-слой, его толщина определяет требования к скоростям осаждения и производительности оборудования. Структура СЭ на гибкой подложке

Блок-схема установки «СТЭЛПП» («СТруйная ЭЛектронно-Пучковая Плазма») 1.Рабочие камеры установки. 2.Вакуумная станция. 3.Вакуумные магистрали. 4.Струйные источники радикалов. 5.Вакуумная система струйных источников радикалов. 6.Система газового обеспечения. 7.Централизованный пульт управления технологическим оборудованием. 8.Пульт управления вакуумной станции.

Сравнение участков нанесения p-i-n структуры СЭ Установка для нанесения p-i-n структуры тонкопленочного кремниевого солнечного элемента по газоструйной плазмохимической технологии имеет небольшие габариты и стоимость. Плазмохимическая линия нанесения p-i-n структуры СЭ фирмы «Uni-Solar» (США) Экспериментальная установка плазмохимического осаждения p-i-n структуры СЭ «СТЭЛПП» (Россия) Ограничение в скорости осаждения приводит к увеличению габаритов технологического оборудования для повышения производительности технологии Высокие скорости осаждения позволяют иметь высокую производительность при малых габаритах оборудования

Выводы Новый газоструйный плазмохимический метод: обеспечивает выполнение основных технологических операций нанесения слоев структуры кремниевого солнечного элемента с высокими скоростями осаждения; позволяет получать перспективный материал, для создания нового поколения тонкопленочных солнечных элементов – нанокристаллический кремний, растворенный в аморфной матрице; позволяет создать на его базе сравнительно недорогое, компактное и высокотехнологичное оборудование для производства кремниевых солнечных элементов; Технологические режимы полученные на одиночном струйном источнике в лаборатории переносятся без изменений на промышленную линию (экономия времени при масштабировании).

Осаждение i-слоя с различной кристаллической структурой Предложенным методом можно получать слои кремния с различной степенью кристалличности в очень широком диапазоне параметров процесса. Наиболее устойчив в технологии материал i- слоя со степенью кристалличности в диапазоне % Зависимость фото- и темновой проводимости пленок Si от степени кристалличности. R d =50 А/сек ПЭМ – изображение пленки нанокристаллического кремния Морфология поверхности пленки mc-Si. Кристалличность c = 90% L = 20 мкмL = 8 мкм Поперечный срез пленки Si Кристалличность c = 50%

Выводы «Фотогенерирующий слой»: Наиболее перспективный вариант структуры i-слоя – это нано (микро) кристаллический кремний, «растворенный» в аморфной матрице. Этот материал: а) воспроизводим в технологии при высоких скоростях осаждения; б) имеет высокие значения КПД (~10%) в однокаскадной структуре СЭ; в) имеет меньшую, чем полностью аморфный, деградацию КПД со временем.

S.J. Jones et. al. Novel use of gas jet plasma to prepare a-Si:H alloy. Progress report. Energy Conversion Devices, Inc. June Уменьшение габаритов и цены технологического оборудования; Повышение надежности (воспроизводимости) технологии; Сокращение времени отладки технологии (в разы). Отказ от дефицитных и дорогостоящих исходных материалов (GeH 4, Si 2 H 6 ) Что это дает с точки зрения цели проекта? Однокаскадная архитектура солнечного элемента (структура СЭ)

Анализ подложек тонкопленочных СЭ Применяемые в промышленности варианты: Стекло; Металлическая лента; Пластиковая лента. ПодложкаТехнологические преимущества Технологические недостатки Потребительские преимущества Потребительские недостатки Стекло Отработанная технология (использование опыта изготовления ЖК-панелей) Большие габариты установок осаждения; Приспособленная технология. ПрозрачностьХрупкость Большой вес Металлическая лента Roll-to-roll технология (непрерывный процесс; уменьшение габаритов технологического оборудования) Высокая прочность; Гибкость; Малый вес. Пластиковая лента Roll-to-roll технологияОграничения по температуре процесса Прочность; Гибкость; Малый вес. 1. Использование гибкой подложки расширяет сферу применения СЭ. 2. Большинство новых технологий ориентировано на использование гибкой пластиковой подложки. ВЫВОДЫ:

2.5.1.Блок- схема производства тонкопленочных кремниевых солнечных элементов на гибкой подложке Предложенная схема производства позволяет: 1.Модульно (поэтапно) наращивать объем выпускаемой продукции; 2.Изменять архитектуру СЭ (возможность создания тандемных двухпереходных структур), путем ввода в эксплуатацию соответствующих модулей; 3.Сократить срок начала возврата инвестиций.