Инженеры из американского Университета Юта разработали новый способ нанесения германиевого покрытия для использования в более мощных солнечных элементах. По задумке ученых, новый метод снизит стоимость солнечных элементов за счет снижения потерь и ломкости хрупкого полупроводникового компонента.

«Дорогостоящие солнечные элементы используются главным образом в космических кораблях, но в случае усовершенствования метода нанесения германия такое оборудование можно будет использовать для получения солнечной энергии на Земле, – рассуждает профессор Эберхард Бамберг (Eberhard «Ebbe» Bamberg).  – И разместить их даже на Вашей крыше».

Аспирант Dinesh Rakwal в лаборатории машиностроения считает, что группа приблизилась к внедрению эффективного способа получения бездефектных германиевых пластин, который уменьшит стоимость и вес солнечных батарей. Эти разработки уже описаны в статье для Journal of Materials Processing Technology и будут опубликованы онлайн в начале октября 2008 года, а появятся в журнале в начале 2009 года.

В современной практике получения солнечных пластин покрытые латунью стальные лезвия используются для получения круглых пластин германия из цилиндрических монокристаллических заготовок. Но такие хрупкие химические элементы легко ломаются, а их сломанные части снова идут на переработку. Толщина пластин и потери германия при использовании такого метода весьма существенны, метод нарезания изначально был изобретен для силиконовых пластин, в 100 раз более прочных.

Новый метод нанесения пластин для солнечных батарей основан на методе WEDM – проволочном электроэрозионном вырезании. В этом методе используются очень тонкие провода из молибдена, по которым протекает электрический ток. Ранее этот метод использовался для изготовления металлических деталей.

Рис.1. Германиевая пластина, использующаяся в качестве полупроводникового нижнего слоя высокоэффективных солнечных элементов

Германий служит наиболее эффективным полупроводниковым материалом для нижнего слоя солнечных батарей, но его использует в основном NASA в военных и коммерческих спутниках, поскольку он очень дорог – его стоимость около 680 долларов за фунт. Четырехдюймовая пластина стоит около 100 долларов. Новый метод снижает эту стоимость на 10 процентов. Это означает и снижение стоимости киловатт-часа получаемой энергии, и более широкое использование солнечной энергии. Дальнейшая задача – перевести новую технологию в массовое и коммерческое производство. Сейчас проводится патентная проверка на использование известного проволочного метода в расширенном диапазоне задач, в том числе для нанесения германия, массовое использование этого метода Бамберг сравнивает с яйцерезкой.

Опуская высокоэффективные солнечные батареи на Землю

Германий используется в качестве полупроводника в нижнем слое «многостыковых» солнечных элементов. Выше него расположены слои галлий-индий-арсенида и галлий-индий-фосфида. Все слои работают вместе, улавливая различные длины волн в солнечном свете, а германий служит также субстратом, на котором «выращиваются» такие солнечные элементы. Когда солнечный свет попадает на солнечный элемент, его энергия преобразуется в энергию перетекающих электронов, то есть в электричество.

Используемые сейчас на Земле солнечные элементы, основанные на силиконе, имеют эффективность всего лишь в 20 процентов. В космосе германиевые батареи превращают 28 процентов солнечной энергии в электричество, но на Земле при использовании солнечных концентраторов теоретически они могут иметь мощность свыше 50 процентов.

Несмотря на большую эффективность германиевых солнечных элементов, исследования 2005 года показали, что 94 процента используемых батарей  – силиконовые, поскольку они дешевле и менее хрупкие, чем германиевые. Чтобы сделать германиевые батареи экономически более привлекательными, например, для использования на крышах домов, вес и размер солнечных панелей должен быть уменьшен, они должны стать более эстетичными. Новый метод может подтолкнуть германиевые батареи к конкуренции с силиконовыми на рынке.

Меньше потерь, больше слоев

В новом методе молибденовые провода используются в качестве электрода, который контактирует с пульсирующим в течении процесса разрезания источником энергии. Германиевый монокристаллический цилиндрический слиток находится в горизонтальном положении, и провода непрерывно протягиваются через слиток, разматываясь из катушки. Тонкое синтетическое масло подается на провода для увеличения электрического заряда и удаления расплавленного материала из процесса. Процесс протекает медленно. Для того чтобы разрезать кристалл, требуется 14 часов непрерывного WEDM-процесса. Поскольку германий хрупкий, процесс должен осуществляться аккуратно. Бамберг надеется ускорить его до 6 часов.

Обычные WEDM-проволочные лезвия сделаны из покрытой латунью стали толщиной 170–180 микронов (миллионных долей метра). Исследователи из Университета Юта используют молибденовую проволоку 75–100 микронов, немного толще человеческого волоса. Меньшие потери германия в процессе резки обусловлены меньшей толщиной проволоки. При использовании 75-микронных проводов можно получить не только меньшие потери, но и большее количество пластин.

«Стандартные пластины, которые мы получаем, 300 микронов в толщину,  – рассказывает Бамберг. – И мы можем получить на 30% больше пластин, используя 75-микронные провода. С тех пор как мы делаем менее хрупкие пластины, мы смогли уменьшить их толщину. Теперь мы работаем с 100-микронной пластиной, которую получаем с помощью разрезания 75-микронными проводами, таким образом получая на 57 процентов больше пластин из того же количества исходного материала. Это очень большая цифра. Делая слои тоньше, мы также уменьшаем их стоимость».

Для разрезания 2.6-дюймовых монокристаллов на 350-микронные слои уменьшаются и «керф» – потери германия в течение процесса. Выигрыш составляет 22 процента при использовании 75-микронных проводов по сравнению с обычной резкой. Исследования также показали, что потери германия зависят не только от толщины проволочного лезвия, но и от подаваемого на него электрического заряда.

Исследования спонсируются NSF (National Science Foundation), Исследовательским Фондом Университета Юта и Sylarus Technologies.

Мария Костюкова