Международный коллектив ученых, в состав которого вошел старший научный сотрудник лаборатории разреженных газов Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, старший преподаватель Новосибирского государственного университета кандидат физико-математических наук Александр Олегович Замчий, разработал высокоэффективный кремниевый солнечный элемент, коэффициент полезного действия которого приближается к рекордным значениям. Созданный исследователями концепт может использоваться в сфере возобновляемой энергетики для преобразования солнечного излучения в электричество. Итоги многолетней работы опубликованы в журнале Nature Energy.

В наши дни всё чаще можно услышать мнение, что из-за увеличения численности населения Земли и экономического роста к середине столетия мировое потребление энергии вырастет более чем вдвое. При этом добыча, транспортировка и использование традиционных ископаемых ее источников оказывает сильное негативное влияние на климат. Всё это приводит к существенному усилению роли возобновляемых источников энергии, которые должны стать одним из важнейших факторов глобального развития в недалеком будущем. Самой перспективной для выработки электроэнергии является солнечная — главным образом за счет колоссального потока излучения, поступающего на нашу планету, которое, тем не менее, необходимо эффективно улавливать и преобразовывать в полезную форму энергии для последующего использования.

Здесь на помощь приходит солнечный элемент (СЭ) — фотовольтаическое устройство, обеспечивающее прямую конвертацию солнечного излучения в электричество, минуя стадии тепловой и механической форм энергии. «В основе работы СЭ лежит явление внутреннего фотоэлектрического эффекта в полупроводниковой структуре с p-n-переходом. Так называется область соприкосновения двух полупроводников с разными типами проводимости — дырочной (p) и электронной (n). Поглощение оптического излучения такой структурой (при условии, что его энергия превышает значение ширины запрещенной зоны полупроводника) приводит к возникновению фотоэлектродвижущей силы. При этом, если p-n-переход соединен с внешней цепью, в ней протекает электрический ток», — рассказывает Александр Олегович Замчий. 

В настоящее время на мировом рынке фотовольтаики доминируют солнечные элементы на основе пластин из кристаллического кремния. Доля таких устройств — около 95 %. Этому классу СЭ свойственна высокая эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую и долговременная стабильность характеристик. При этом кремний до сих пор остается основным материалом солнечной фотовольтаики. Главными его преимуществами являются экологическая безвредность, наличие практически неисчерпаемых запасов дешевого сырья для получения данного полупроводникового материала, а также высокий уровень развития технологий современной электроники на основе кремниевой элементной базы. 

Сегодня основной задачей кремниевой фотовольтаики является увеличение коэффициента полезного действия (КПД) устройств, преобразующих энергию Солнца в электричество. Однако эффективность большинства СЭ на основе кристаллического кремния ограничена процессами рекомбинации носителей заряда, в том числе в области контакта кремниевой пластины с металлическими электродами устройства. Каждый акт рекомбинации приводит к исчезновению электронно-дырочной пары, что негативным образом сказывается на эффективности функционирования СЭ. Для того чтобы уменьшить вероятность рекомбинации на поверхности пластины кристаллического кремния и тем самым улучшить КПД солнечного элемента, используют технологии пассивации ее поверхностных дефектов, покрывая пластину тонкими пленками различных материалов. «На сегодняшний день варианты пассивирующих контактов, реализуемые при создании солнечных элементов, базируются на применении тонких пленок аморфного и поликристаллического кремния, то есть материалов, обладающих значениями ширины запрещенной зоны близкими к монокристаллическому кремнию. В нашей работе представлено исследование по разработке и оптимизации качества высокопрозрачного пассивирующого контакта (ВПК), созданного на основе ультратонкого слоя диоксида кремния (SiO2), двухслойного нанокристаллического гидрогенизированного карбида кремния n-типа (nc-SiC:H(n)), а также пленки оксида индия-олова (ITO) и выполняющего роль лицевой стороны СЭ на основе кристаллического кремния. В целом использование ВПК в структуре солнечного элемента — абсолютное ноу-хау», — добавляет Александр Замчий. 

Потенциально предложенный учеными ВПК может сочетать отличные пассивационные свойства поверхности пластины кристаллического кремния, высокую проводимость и оптическую прозрачность — характеристики, необходимые для создания высокоэффективного солнечного элемента. Однако одновременная оптимизация указанных свойств ранее оставалась сложной задачей, которую исследователи решили при помощи использования низкотемпературных процессов. Сперва специалисты путем окисления пластины из монокристаллического кремния в жидком реагенте создали ультратонкий (толщиной около 1 нм) пассивирующий слой SiO2, после чего еще повысили качество пассивации путем последующего нанесения слоя карбида кремния, который получили методом химического осаждения с горячей нитью (hot wire chemical vapor deposition, HWCVD). Учитывая высокое удельное поверхностное сопротивление карбида кремния, для эффективного сбора фотогенерируемых носителей заряда на структуру напылили слой оксида индия — олова (ITO). При этом тыльная сторона получаемого СЭ формировалась на основе тонких слоев классического аморфного кремния. В итоге ученые создали солнечный элемент с лицевой стороной на основе ВПК, коэффициент полезного действия которого равен 24 % (на сегодняшний день мировой рекорд эффективности для СЭ в двухконтактной конфигурации составляет около 26 %). Последний штрих — нанесение на готовую структуру ВПК антиотражающего покрытия из фторида магния помогло повысить КПД солнечного элемента. 

«Создание высокоэффективных устройств на основе ВПК стало возможным благодаря решению фундаментальной проблемы, связанной с синтезом слоев карбида кремния методом HWCVD. Чтобы одновременно обеспечить высококачественную пассивацию и низкое значение последовательного сопротивления устройства, в структуре ВПК мы использовали двухслойный nc-SiC:H(n). При этом нижний слой был синтезирован при низких, а верхний слой при более высоких температурах нити. Вторая проблема, которая стояла перед нами, — это воздействие на структуру ВПК, оказываемое ультрафиолетовым излучением кислородной плазмы и распыленными ионами в процессе синтеза оконного слоя оксида индия-олова, что значительно ухудшало качество пассивации контакта. Эту проблему мы решили путем систематических исследований и оптимизации условий распыления ITO в сочетании с последующими низкотемпературными отжигами, оказывающими эффект залечивания дефектов», — комментирует Александр Замчий. 

Помимо этого, ученые исследовали механизм пассивации и принцип работы высокопрозрачного пассивирующого контакта, а также проанализировали оптические потери, основываясь на численном моделировании, с указанием путей достижения КПД солнечного элемента на основе ВПК на уровне 26 %. Исследователи полагают, что проделанная ими работа заинтересует производителей фотовольтаических устройств.

Работа была выполнена в Институте энергетических исследований (IEK5 — Фотовольтаика) Исследовательского центра Юлих (Германия) группой кремниевых гетероструктурных солнечных элементов и модулей под руководством доктора философии К. Динга. А. О. Замчий участвовал в проекте благодаря поддержке Германской службы академических обменов (DAAD) и Министерства науки и высшего образования России в рамках совместной программы.

 

Андрей Фурцев

Источники

Солнечные элементы будущего
Наука в Сибири (sbras.info), 15/07/2021
Солнечные элементы будущего
Научная Россия (scientificrussia.ru), 15/07/2021
Сибирские ученые разработали кремниевый солнечный элемент с почти рекордным показателем эффективности
Популярная механика (popmech.ru), 15/07/2021
Сибирские ученые разработали кремниевый солнечный элемент с почти рекордным показателем эффективности
Pcnews.ru, 15/07/2021
Сибирские ученые разработали кремниевый солнечный элемент с почти рекордным показателем эффективности
Новости для гиков (supreme2.ru), 15/07/2021
Солнечные элементы будущего
Национальная ассоциация нефтегазового сервиса (nangs.org), 15/07/2021
Сибирские ученые разработали кремниевый солнечный элемент с почти рекордным показателем эффективности
Softo-Mir.ru, 16/07/2021
Сибирские ученые разработали кремниевый солнечный элемент с почти рекордным показателем эффективности
Мировое обозрение (tehnowar.ru), 16/07/2021
Солнечные элементы будущего
Академгородок (academcity.org), 20/07/2021
Электроток из солнечных лучей
Бумеранг (bumerang.nsk.ru), 22/07/2021

Похожие новости

  • 25/09/2017

    Совещание пяти космических агентств прошло в Новосибирске

    Заслуги нашей страны в освоении космоса трудно переоценить. Но время диктует необходимость кооперации: в последние годы большинство масштабных экспериментов на Международной космической станции осуществляются содружеством исследователей из разных стран.
    1592
  • 09/07/2019

    НГУ и «Газпромнефть» создали НОЦ по развитию технологий добычи нефти и газа

    ​Компания «Газпромнефть» создала на базе Новосибирского государственного университета (НГУ) Научно-образовательный центр (НОЦ) по развитию нефтегазовых технологий. Центр объединяет исследователей научных институтов, студентов и сотрудников НГУ для решения научно-прикладных задач.
    1579
  • 03/09/2017

    Дмитрий Маркович: Масштабы молодёжи нас устраивают

    ​2017 год стал для Института теплофизики СО РАН годом перемен — здесь впервые за 20 лет сменился директор. Коллектив одного из крупнейших академических институтов энергетического профиля России возглавил доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Дмитрий Маркович.
    3104
  • 31/10/2016

    В НГУ проходит российско-японская конференция по перспективным наноматериалам

    ​Новосибирский государственный университет совместно с Институтом химии твёрдого тела и механохимии СО РАН и Университетом Тохоку проводит с 30 октября по 2 ноября 2016 года российско-японскую конференцию «Advanced Materials: Synthesis, Processing and Properties of Nanostructures», посвящённую перспективным материалам и наноструктурам.
    5111
  • 25/08/2020

    Беспилотный летательный аппарат проекта «Циклон» продемонстрировали на форуме «Армия-2020»

    Беспилотный летательный аппарат (БПЛА) проекта "Циклон" способен транспортировать до 20 килограммов, оставаясь незамеченным, отметил представитель фонда перспективных исследований Ян Чибисов.
    1618
  • 11/03/2019

    Делегация представителей научных институтов СО РАН посетила Омский НИИ приборостроения

    ​6 марта делегация представителей научных институтов Сибирского отделения Российской академии наук, возглавляемая председателем президиума СО РАН академиком Валентином Пармоном, посетила Омский НИИ приборостроения.
    2270
  • 01/12/2017

    Новосибирский Академгородок посетила делегация Франции

    Новосибирский Академгородок посетила делегация Департамента по сотрудничеству и культуре посольства Французской Республики в России. Встречая дипломатов в Выставочном центре СО РАН, главный ученый секретарь Сибирского отделения член-корреспондент РАН Дмитрий Маркович Маркович отметил, что на основе предварительного анализа информации, на совещание приглашены представители институтов СО РАН, наиболее активно сотрудничающих с французскими университетами и Национальным центром научных исследований (CNRS).
    2100
  • 26/05/2017

    Статья новосибирского ученого о новом типе волоконных лазеров опубликована в журнале Nature Communications

    ​​Заведующий лабораторией волоконных лазеров НГУ, старший научный сотрудник ИАиЭ СО РАН Дмитрий Чуркин вместе с коллегами из Университета Астон Марией Сорокиной и Шурикантом Сугаванамом опубликовали работу, посвященную актуальной теме: исследованию спектральных корреляций в случайном волоконном лазере.
    3430
  • 23/04/2021

    Академпарк новосибирского научного центра представил новые технологии сити-фермерства

     Технологии сити-фермерства – выращивания в условиях искусственного микроклимата в вертикальных фермах овощных культур и клубники, а также микрозелени и съедобных цветов, 23 апреля в ходе пресс-тура в Академпарк Новосибирского научного центра (ННЦ) представлены заместителю Губернатора Новосибирской области Ирине Мануйловой и представителям СМИ региона.
    947
  • 15/01/2019

    Энергетика: инновации и безопасность

    В ноябре 2018 года Совет безопасности одобрил новую доктрину национальной энергобезопасности. Этот документ в том числе предусматривает меры по импортозамещению важнейших для ТЭК технологий и оборудования, т.
    2187