Новая технология удешевит солнечные батареи вдвое

Стоимость серийных фотоэлектрических ячеек можно снизить до 40 центов за ватт против 80 у самых дешёвых сегодняшних образцов – таково обещание стартапа, представившего перспективную технологию обработки кремния.

Кристаллический кремний в батарее от Twin Creeks столь тонок, что гнётся, несмотря на наличие ещё и металлической подложки (фото Twin Creeks Technologies).

Калифорнийская компания Twin Creeks Technologies объявила о внедрении на своём заводе солнечных батарей, расположенном в штате Миссисипи, технологии изготовления ультратонких пластин монокристаллического кремния.

В теории этот метод был предложен много лет назад, но заслуга Twin Creeks заключается в разработке и создании промышленного оборудования, способного реализовать данную идею при серийном выпуске СБ.

Цель новации заключается в радикальном (до 90%) сокращении расхода кремния на квадратный метр панели при сохранении высокого КПД устройства. Ведь при производстве СБ большие денежные затраты во многом обусловлены самим чистым кремнием и всеми технологическими цепочками, которые он проходит, пока превращается в готовый фотоэлемент. При этом существует, по меньшей мере, два проблемных места.

Во-первых, батареи классической конструкции используют относительно толстый кристаллический кремний (от 100 до 300 мкм, но, обычно, 200 мкм). Во-вторых, при резке полупроводника на пластины возникает немало отходов (иной раз, до половины от начальной массы).

Учёные и инженеры уже предлагали способы отрезания сверхтонких пластин от заготовок (различные виды пил и лазеры), поскольку для работы СБ достаточно куда более тонкого слоя материала.

Но или способы получались затратными, или просто готовые пластины далее невозможно было приспособить к имеющимся производственным линиям – хрупкий кремний легко ломался.

А вот Twin Creeks Technologies внедрила у себя почти безотходный метод отрезания листов кремния толщиной всего в 20 мкм – в десять раз меньше обычного.

Для этой задачи она использует собственный ускоритель ионов Hyperion 3, совмещённый с большой вакуумной камерой. Аппарат бомбардирует поверхность исходной пластины ионами водорода (фактически — протонами) со строго рассчитанной энергией. Ионы проникают в толщу кремния и останавливаются на глубине 20 микрометров. Там создаётся насыщенный протонами слой.

Принцип имплантации протонов (иллюстрация Twin Creeks Technologies).

Далее облучённую заготовку быстро помещают в печь и нагревают. Ионы создают слой микроскопических пузырьков водорода. Теперь достаточно слабого механического воздействия, чтобы по этой границе от исходной пластины аккуратно откололся 20-микрометровый пласт.

Оставшийся материал запускается в новый цикл: с одной донорской пластины кристаллического кремния Twin Creeks получает 10-14 ультратонких заготовок.

Ускоритель Hyperion 3 в десять раз производительнее предшественников, так как приспособлен к облучению большого количества пластин одновременно. Они помещаются внутрь вакуумной камеры и раскладываются вдоль обода вращающегося колеса. Процесс установки и удаления заготовок роботизирован. Одна машина Hyperion 3 может выпускать кремниевые пластины для СБ на «сумму» в 5-6 мегаватт в год (фотографии Twin Creeks Technologies).

Следующий шаг – добавление к этому кремнию достаточно тонкой металлической подложки. Она позволяет запускать листы дальше по производственной цепочке, без опасения, что будущие фотоэлементы треснут от малейшего удара.

Twin Creeks Technologies утверждает, что её процесс совместим с другими монокристаллическими материалами, например, с арсенидом галлия. Это ещё один фактор привлекательности технологии.

Компания рассчитывает не столько сама выпускать СБ по новому методу (мощности фирмы малы – до 25 мегаватт в год), сколько продавать ускорители ионов и иное необходимое в данном случае оборудование другим производителям солнечных батарей. В ближайший год американцы надеются разместить на рынке 5-10 таких комплексов.