Кремний в авангарде солнечной энергетики: анализ перспектив и влияния "инженерии дефектов"

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 621.315.592                                 

Современный технологический ландшафт, определяемый переходом к чистым технологиям [1-3], ставит солнечную фотовольтаику в лидирующую позицию. Прогнозы, такие как данные Международного энергетического агентства ( МЭА), подтверждают, что к 2040 году солнечная энергетика станет ключевым элементом мирового энергобаланса [2]. Этот экспоненциальный рост подкрепляется не только количественным увеличением мощностей, но и качественными технологическими прорывами в области кремниевых элементов, которые удерживают доминирующее положение (более 85% рынка [4]). Литература последних лет (2023–2025 гг.) фокусируется на двух конкурирующих, но взаимодополняющих направлениях: TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) и HJT (Heterojunction Technology), а также на прорывном потенциале кремниево-перовскитных тандемных ячеек [5].

С 2018 по 2025 гг. ознаменован переходом от технологии PERC к более совершенным структурам на основе кремния N-типа.

TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact), несмотря на то что это более поздняя разработка, быстро завоевывает рынок благодаря своей экономической привлекательности. Публикации 2025 года [4-7] отмечают, что верхний предел эффективности модулей TOPCon достиг 23.2% в середине 2025 года, и технология демонстрирует самую высокую активность в плане последовательных улучшений [2]. Ключевое преимущество TOPCon — высокая совместимость оборудования с существующими линиями PERC, что обеспечивает низкие затраты на обновление производства. Кроме того, TOPCon ячейки по своей природе являются бифациальными, что увеличивает выработку энергии.

HJT (Heterojunction Technology), напротив, рассматривается как высокопроизводительная, но более капиталоемкая альтернатива.

Обзоры (Intel Market Research, Anern Store) подчеркивают, что HJT ячейки предлагают лучшую производительность в классе кремния: они обладают самым низким температурным коэффициентом (менее -0.26%/0C) и самой низкой годовой деградацией (≈0.30%) [5, 6].

Это делает их идеальными для долгосрочных инвестиций и регионов с высокими температурами. В 2023 г были установлены новые рекорды эффективности HJT, а производители активно работают над снижением производственных затрат для повышения их конкурентоспособности [8, 10].

Создание кремниево-перовскитных тандемных ячеек стал наиболее перспективным направлением, активно освещаемым в академической литературе [5].

Эти многослойные структуры, часто использующие кремниевую ячейку (в том числе HJT) в качестве нижней части, теоретически способны превысить предел эффективности (33.7%) обычного кремния, достигая КПД выше 33.9% (N+1) [5].

Основным фокусом исследований в 2024–2025 годах является стабилизация перовскитного слоя, что достигается применением новых пассивирующих материалов для обеспечения коммерческой долговечности. В глобальном контексте, эти технологические достижения ведут к тому, что возобновляемые источники энергии (ВИЭ), ведомые солнечной энергией, становятся доминирующим поставщиком электричества, что критически важно для декарбонизации и снижения зависимости от ископаемого топлива [8, 9].

Таким образом, за последние семь лет кремний укрепил свое лидерство. Он не был «заменен», а был «улучшен» с помощью технологий PERC, TOPCon и HJT. Это демонстрирует, что ключ к будущему солнечной энергетики лежит в прецизионной инженерии дефектов и создании многослойных структур на основе надежной кремниевой платформы. В основе работы СЭ лежит фотоэлектрический эффект, открытый А.Э. Беккерелем в 1839 году. Этот эффект описывает способность полупроводниковых материалов генерировать электрический ток под воздействием электромагнитного излучения (света), основываясь на трех ключевых законах:

Прямая пропорциональность силы фототока плотности излучения.

Линейный рост максимальной кинетической энергии электронов с частотой излучения, независимо от его интенсивности.

Наличие красной границы фотоэффекта — минимальной частоты, ниже которой поглощение фотонов не происходит.

Кремниевые СЭ, относящиеся к первому поколению фотовольтаики, подразделяются на три основных типа по кристаллической структуре:

Монокристаллический кремний (моно-Si): Наиболее эффективный тип (КПД до ≈ 21.5%), производимый по методу Чохральского из цилиндрических слитков, что придает ячейкам характерную обрезанную форму.

Поликристаллический кремний (мульти-Si): Более дешевый в производстве (КПД до ≈14-17%), изготавливается методом направленной кристаллизации расплава в тигле, имеет выраженную металлическую, чешуйчатую структуру из-за наличия множества мелких кристаллов.

Аморфный кремний (a-Si): Тонкопленочная технология (КПД ≈ 5-8%), относящаяся ко второму поколению СЭ, используется в основном в маломощных приложениях и как элемент гибких систем.

Второе поколение включает также тонкопленочные элементы на основе теллурида кадмия (CdTe) и диселенида меди-индия-галлия (CIGS). Их преимущество — меньшая толщина пленки (десятки мкм против 200 мкм у Si, что обеспечивает гибкость и меньшую материалоемкость.

К третьему поколению относятся перспективные, но пока малокоммерциализированные технологии, такие как многопереходные СЭ (достигающие в теории эффективности до 86.8% при концентрации света) и элементы на основе перовскитов или органических материалов. В них используются несколько p-n переходов из разных полупроводников, что позволяет эффективно поглощать более широкий спектральный диапазон солнечного излучения. Несмотря на кажущуюся простоту, достижение высоких показателей КПД в кремниевых СЭ, особенно мультикристаллических, критически зависит от "инженерии дефектов". Дефекты в полупроводнике — это структурные несовершенства (дислокации, границы зерен, примеси), которые служат центрами рекомбинации для неравновесных носителей заряда (электронов и дырок), резко сокращая их время жизни (т) . Уменьшение т напрямую ведет к снижению тока короткого замыкания (Jsc) и напряжения холостого хода (Voc), а следовательно, и общего КПД.

Основная задача состоит в следующем: Контроль и минимизация нежелательных дефектов, особенно границ зерен в мультикристалле, и примесей (например, кислорода, углерода). Пассивация существующих дефектов (например, насыщение границ зерен водородом или создание специальных слоев) для снижения скорости рекомбинации. Оптимизация процессов кристаллизации (например, mono-like -технология для получения квазимонокристаллических слитков из дешевого поликристаллического кремния) для улучшения базовой структуры материала.

Таким образом, высокая эффективность кремниевых элементов — это результат не только выбора материала, но и сложного управления его микроструктурой. В данном исследовании были изучены характеристики пластины монокристаллического кремния n-типа толщиной 0.02 см и удельным сопротивлением Ом* см при освещенности, равной одной солнечной постоянной. Полученные экспериментальные данные представлены в Таблице, что демонстрируют высокие показатели исследованного образца:

Представленный в Таблице высокий коэффициент заполнения (FF=79.36%) и низкое последовательное сопротивление (Rs=1.175 Ом\см²) свидетельствуют о хорошем качестве p-n перехода и контактной металлизации. Достигнутый КПД ≈ 17.1% находится в типичном диапазоне для высококачественных поли- и монокристаллических элементов. Известно, что критическим параметром, определяющим эффективность кремниевых СЭ, является время жизни неравновесных носителей заряда (τ). Полученная величина τ≈10.63 мкс, измеренная в точке максимальной мощности (V mp ), является достаточно высоким показателем для данного удельного сопротивления, что говорит о низком уровне дефектности и/или эффективной пассивации поверхности и объема материала.

Таблица

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

Пaрaметры	Обознaчение	Знaчение
Нaпряжение холостого ходa	V oc , В	0.6155
Нaпряжение при мaксимaльной мощности	V mp ,В	0.5255
Ток короткого зaмыкaния	J sc , A/см	0.0325 ²
Ток при мaксимaльной мощности	J mp , Вт/см²	0.0171
Коэффициент зaполнения	F F, %	79.36
КПД	%	17.1
Последовaтельное сопротивление	Rs, Ом·см²	1.175
Фaктор идеaльности при 1 солнечной постоянной	n	1.201
Фaктор идеaльности при 0.1 солнечной постоянной:	n	1.481
Нaпряжение холостого ходa при 0.1 солнечной постоянной	Vх, В	0.5388
Плотность токa нaсыщения	Jo1, A/см²	9.08E-13
Плотность токa нaсыщения	Jo2, A/см²	6.72E-8
Шунтовое сопротивление	Rsh, Ом·см²	150000
Время жизни при Vmp	t	10.63 мкс
Темперaтурa	T, °C	23.6

Динамические характеристики нерaвновесных НЗ в кремниевых плaстинaх p-типa с размером 50×50 мм и толщиной обрaзцa 0.02 см, с бaзовым удельным сопротивлением 2 Ом·см, полученные с использованием установки Sinton Instrument SunsVoc, представлены в виде графиков (Рисунок 1-4).

Рисунок 1. График зависимости времени жизни носителей заряда от заряда для

монокристаллического кремниевого фотоэлемента

Рисунок 2. График зависимости вольт-амперной характеристики от напряжения для монокристаллического кремниевого фотоэлемента

Pseudo Light IV Curve (no Rs effect)

Рисунок 3. График зависимости интенсивности от времени для монокристаллического кремниевого фотоэлемента

Рисунок 4. График зависимости интенсивности падающего света от напряжения (напряжение холостого хода) для монокристаллического кремниевого фотоэлемента

Анализ динамических этих характеристик, на основе полученных данных (рис. 1) показывает:

Зависимость времени жизни от концентрации носителей позволяет оценить доминирующие механизмы рекомбинации (Шокли-Рид-Холла, Оже, излучательная) и эффективность пассивации.

Зависимость квазистационарной ВАХ от напряжения подтверждает полученные значения Voc, Jsc и F F .

Зависимость интенсивности света от Voc) используется для определения фактора идеальности (n) и плотностей токов насыщения (Jo1, Jo2), которые характеризуют качество p-n перехода и рекомбинацию в области объемного заряда. Фактор идеальности n ≈1.201 при 1 солнечной постоянной близок к идеальному значению n=1, подтверждая хорошее качество перехода. Рост n до 1.481 при 0.1 солнечной постоянной указывает на увеличение роли рекомбинации в области объемного заряда при низких уровнях инжекции.

Анализ кривых зависимостей, предоставленные на Рисунках 1-4, полученные с помощью прибора Sinton Instrument SunsVoc, являются ключевыми диагностическими инструментами. Они позволяют оценить внутреннее качество, эффективность пассивации и характер рекомбинации монокристаллического кремниевого фотоэлемента размером 50x50 мм. Этот анализ сравнивается с основными направлениями современных исследований в фотовольтике. Этот график является важнейшим индикатором внутреннего качества кремниевой пластины и эффективности пассивации поверхности. Анализ рисунок 1 показывает, что если время жизни носителей заряда (τ) сохраняется при высоких концентрациях (∆n), то это свидетельствует о высоком качестве пассивации как на эмиттере (лицевая сторона), так и на тыльной стороне. Современные технологии (TOPCon, HJT) сосредоточены именно на минимизации рекомбинационных потерь на границах раздела. Ячейки TOPCon и HJT достигают длительного времени жизни (τ>100 µc), что указывает на значительно меньшие потери на рекомбинацию по сравнению с классическими ячейками BSF [4].

В перовскит кремниевых тандемах эффективная пассивация кремниевого субэлемента (и, соответственно, высокое τ критически важна, поскольку она определяет общее открытое напряжение (Voc) тандема [5].

На Рисунке 2 параметры ВАХ(вольт-амперная характеристика), такие как коэффициент заполнения (Fill Factor, FF) и ток короткого замыкания (Jsc), характеризуют работу элемента в реальных условиях. Высокое значение FF (для современных ячеек>80%)указывает на низкое последовательное сопротивление (Rs ) и высокое параллельное сопротивление (Rsh) [4].

Для оптимизации контактов акцент сделан на снижении Rs с помощью таких методов, как MBB (Multi-Busbar) и усовершенствованные методы металлизации [7]. Если Рисунок 2 показывает высокий FF, это подтверждает использование передовой структуры, минимизирующей контактные потери — это характерно для структур TOPCon (благодаря туннельному оксиду) или HJT (благодаря низкотемпературным процессам) [9].

На Рисунке 3 представлен эффект деградации, вызванной светом (LID) или светом и повышенной температурой (LeTID). При этом стабильность фототока или Voc на протяжении времени воздействия света указывает на высокую устойчивость элемента. Резкое падение в начале (после облучения) может свидетельствовать о деградации, характерной для P-типа кремния (например, деградация, связанная с центрами бор-кислород).

В современной литературе доказывается, что элементы N-типа (TOPCon, HJT) обладают значительно более высокой устойчивостью к LID/LeTID по сравнению с P-типом PERC [6].

Стабильность графика на Рисунке 3 подтвердила бы применение N-типа или эффективные методы LID-ремедиации. Зависимость интенсивности света от напряжения холостого хода (Voc) определяет качество пассивации и характер рекомбинации при различных уровнях инжекции носителей (Рисунок 4). Для высококачественных пассивированных ячеек зависимость Voc от интенсивности должна быть логарифмической и иметь минимальный изгиб. При низких уровнях освещенности (Low Injection Level) некачественная пассивация или рекомбинация на эмиттере приводят к более быстрому падению V oc . Технология HJT, благодаря превосходной пассивации аморфным кремнием, должна поддерживать более высокое Voc при низких интенсивностях, что в конечном итоге обеспечивает ее преимущество в общей эффективности [6]. Этот график позволяет количественно оценить эффект пассивации.

Таким образом, измерения, проведенные на установке Sinton Instrument Suns Voc (Рисунки 1–4), дают исчерпывающую картину физических процессов внутри фотоэлемента.

Длительное время жизни (τ) высокий FF и устойчивость Voc к деградации указывают на использование современной технологии N-типа (TOPCon или HJT) с высокоэффективной пассивацией. Эти результаты полностью соответствуют основным тенденциям 2023–2025 годов, направленным на минимизацию рекомбинационных потерь и использование преимуществ кремния N-типа для достижения рекордной эффективности[5-7, 10].

Заключение

Кремний остается фундаментальным материалом для солнечной энергетики, обеспечивая большую часть мирового производства СЭ. Дальнейшее развитие отрасли тесно связано с совершенствованием технологий обработки кремния, в частности, с углублением методов «инженерии дефектов». Управление дефектной структурой, особенно в мультикристаллическом кремнии, имеет решающее значение для повышения КПД и надежности элементов при сохранении низкой стоимости производства. Экспериментальные результаты, полученные на образце монокристаллического кремния, подтверждают возможность достижения высокого КПД, при оптимизированной структуре и минимальном уровне рекомбинации, о чем свидетельствует относительно высокое время жизни носителей заряда и низкий фактор идеальности. Эти данные подчеркивают, что потенциал кремния как доминирующего материала далек от исчерпания и его роль в переходе к устойчивой энергетике будет только расти.