Солнечные батареи: технология и экономика

Поговорил сегодня немного с человеком, занимавшимся полупроводниками (к.ф.-м.н., диссер как раз по эпитаксии, но просто вакуумной, без химии - однако сейчас человек не совсем в теме).

Извлёк некоторые любопытные сведения.

Вроде бы одно время возлагали большие надежды на теллурид кадмия, т.к. он особенно чувствителен как раз в области максимума солнечного излучения. Однако почему-то не слышно о широком распространении такиъ СБ. Что-то не вышло?

Частично разрешился вопрос о том, почему с GaAs сложнее работать, чем с кремнием: двойные и тройные полупроводники сложнее растить по причине "неоднородности", хороший стехиометрический кристалл не так просто получить. С кремнием в этом отношении проблем меньше. В чём разница при эпитаксии (если есть) - не выяснил. Но при эпитаксии путём вакуумного напыления на подложку возникают тонкости, связанные с влиянием решётки подложки - если подложка кристаллическая, напр., сапфир, то её решетка в области контакта искажает решётку полупроводника, если же подложка стеклянная, то полупроводник получается "псевдоаморфным", вроде как распадается на отдельные мелкие кристаллики. Может быть, где-то здесь тоже проявляется разница между GaAs и Si.

Говорят, что двойные, тройные и так далее полупроводники обладают большей радиационной стойкостью за счёт того, что в них изначально больше дефектов, так что им типа как терять нечего. Соответственно, по идее, GaInP2 и тому подобные сложные соединения должны быть еще более радиационно стойкими, чем GaAs, и чем больше намешано - тем выше стойкость.


Еще вопрос нарисовался: в курсе кто-нибудь, из чего сейчас делают сами контакты на СБ? Оксид олова, или что-то еще?

Так а тут все сказали уже, вроде.

С теллуридами - очень хреново работать. В нашей лабе до нас как раз с теллуридами и работали - лет 20 назад. До сих пор кое-где запах. Ядовитые они еще... Я еще слышал, что есть проблемы с получением чистого материала в достаточных количествах - дорого очищать, а все примеси достаточно сильно гадят. Скажем, "ОСЧ" приходилось доочищать по многим примесям, а это и в лаборатории удовольствие маленькое.

Вообще, материалов для СБ - масса (тот же нитрид индия )... просто требуется немеренно денег на доведение их до ума и запуск. Кремний - привычный, с ним умеют работать. Кстати, ядерное легирование - тоже чисто кремниевая штука, а когда надо "подешевле да побольше" - самое оно.

Как проводник используется оксид индия еще, точно знаю.

Татарин
>Так а тут все сказали уже, вроде.

"Маловато будет! Хошь как хошь, а маловато!" (с) м/ф "Падал прошлогодний снег"

>С теллуридами - очень хреново работать.

Ага, то, что мне про теллурид рассказали, тоже примерно 20-летней свежести... Млин, неужели за такой срок никто не соблазнился?! Профиты-то миллионные!

>Вообще, материалов для СБ - масса (тот же нитрид индия )... просто требуется немеренно денег на доведение их до ума и запуск.

Ну а "чей нос лучше"? Что теоретически может обеспечить максимальный КПД, рад. стойкость, причём желательно не при заоблачной цене?

>Кремний - привычный, с ним умеют работать.

Ну блин, привычней-то привычней - а ежели КПД и радиационная стойкость не те?! Всё равно только с кремнием ковыряться будем, триплексы и прочие навороты на откуп Спектролабу отдадим, и будем у них за миллионы покупать?!
Нет, я решительно не понимаю - почему у нас для космоса пока только кремний применяют...

>Кстати, ядерное легирование - тоже чисто кремниевая штука, а когда надо "подешевле да побольше" - самое оно.

А это что за зверь?

И что про технологии можешь сказать? В чём различия между разными полупроводниками, что эффективнее, дешевле и даёт меньший процент брака - выращивание кристаллов, эпитаксия, что-то еще?

> А скульптуры от микеланджело по цене мрамора на вес...
Не скульптуры, а их пластиковые копии... Если тебе такое предложат по цене оригинала - купишь?

Блин, просил же не флудить!

Да, и еще вопрос: вроде бы при изготовлении полупроводников всегда велик процент брака, чуть не 95%. По всей видимости, при изготовлении солнечных батарей для космического применения процент брака еще выше из-за высоких требований к характеристикам. Мелькало объяснение, что именно поэтому цена так велика. Но неужели же некондиция целиком идёт на переплавку? Разве нельзя изделие с чуть худшими характеристиками пристроить в менее ответственное место, чтобы добро не пропадало?

Fakir> Ну блин, привычней-то привычней - а ежели КПД и радиационная стойкость не те?! Всё равно только с кремнием ковыряться будем, триплексы и прочие навороты на откуп Спектролабу отдадим, и будем у них за миллионы покупать?!
Fakir> Нет, я решительно не понимаю - почему у нас для космоса пока только кремний применяют...
В меру моих скромных познаний ключевую проблему тебе уже назвали - чистота. В Союзе вроде только в Армении был институт имеющий дело со сверхчистыми материалами. Если правильно помню монокристал чистого олова при комнатной температуре изгибается силами поверхностного натяжения

Факир:
Отослал. Многие вопросы обязаны исчезнуть

Вот тут полазьте, почитайте что они делают: 404 Not Found

>>С теллуридами - очень хреново работать.
Fakir> Ага, то, что мне про теллурид рассказали, тоже примерно 20-летней свежести... Млин, неужели за такой срок никто не соблазнился?! Профиты-то миллионные!
А затраты - миллиардные. Ну или примерно того порядка. Это ж целая индустрия - от сырья до конечной продукции.

Fakir> Ну а "чей нос лучше"? Что теоретически может обеспечить максимальный КПД, рад. стойкость, причём желательно не при заоблачной цене?
Вот прям так все сразу...
ИМХО, твердые растворы какие-нить из серии А3В5, причем, возможно с плавной сменой как А, так и В.
Почему твердые растворы? Потому что легко управлять шириной зоной и технологично наносить слои.
Тут все не только на физику завязано, но и в большой степени на технологию.

Вон, какие публикации теоретиков были по многозонным материалам (сульфид цинка, вроде, выпускается тоннами). Материал - дешевый-дешевый, КПД - чуть ли не максимум от возможного... дело за технологами.
" ...- а вы, мышки, станьте ежиками. Ежики колючие, их никто не трогает.
- Мудрый Филин, но КАК нам стать ежиками?!
- Отстаньте, ребята. Я стратегией занимаюсь." (С)

>>Кремний - привычный, с ним умеют работать.
Fakir> Ну блин, привычней-то привычней - а ежели КПД и радиационная стойкость не те?! Всё равно только с кремнием ковыряться будем, триплексы и прочие навороты на откуп Спектролабу отдадим, и будем у них за миллионы покупать?!
Россия - случай особый. Нету почти смычки горо... тьфу, производства и науки.
Но тем же вот теллуридом кадмия занимаются потихоньку, ковыряются что-то.
Единственное, чего нет - направленности на конечный продукт.

Fakir> Нет, я решительно не понимаю - почему у нас для космоса пока только кремний применяют...
>>Кстати, ядерное легирование - тоже чисто кремниевая штука, а когда надо "подешевле да побольше" - самое оно.
Fakir> А это что за зверь?
Это когда сверхчистый кремний в реакторе облучают нейтронами.
Si28+n -> Si29 (где-то 3 дня) -> P29.
Очень однородное легирование чистым-чистым фосфором (n-Si) без кучи промежуточных процессов. Пока кремний рулит в массовом производстве, это могло бы быть классной фишкой.
РБМК для таких вещей - безальтернативны. Чисто российская тема. И Кириенко этим, вроде, озаботился.

Fakir> И что про технологии можешь сказать? В чём различия между разными полупроводниками, что эффективнее, дешевле и даёт меньший процент брака - выращивание кристаллов, эпитаксия, что-то еще?
Ой. Но ведь это же от организации производства конкретного очень плотно зависит.
"Кого ты любишь больше - маму или папу?" (С)
Но эпитаксия для батарей с высоким КПД - единственный путь (разве что нечто совсем непредставимое сейас придумают). Из самых общих соображений, причем: раз монокристалл - значит, один материал, и никакой тебе игры с множеством зон.
Некоторые вещи еще, вроде, "мокрым" способом (осаждение из раствора) хорошо получаются.

Татарин
>Но тем же вот теллуридом кадмия занимаются потихоньку, ковыряются что-то.
>Единственное, чего нет - направленности на конечный продукт.

Дык и говорю - по моим данным, у нас им еще чёрт-те когда занимались, как раз с прицелом на СБ. Даже в Кишинёве был филиал НИКИЭТ вроде, там этим занимались. А вся прикладуха тогда была вроде направлена на конечный продукт - у Инст-та Прикладной физики был опытный завод, делали станки (электроискровая обработка, упрочнение всякое и пр.), полупроводники вроде тоже производили по военным заказам...

>Это когда сверхчистый кремний в реакторе облучают нейтронами.
>Si28+n -> Si29 (где-то 3 дня) -> P29.
>Очень однородное легирование чистым-чистым фосфором (n-Si) без кучи промежуточных процессов. Пока кремний рулит в массовом производстве, это могло бы быть классной фишкой.

Да, красиво. А почему так не делают?
И на какие параметры продукции можно рассчитывать?
Каких осложнений ожидать? Там же и на Si29 могут быть захваты, так, т.е. лишние примеси? И что насчёт повреждений решётки нейтронами?

>Ой. Но ведь это же от организации производства конкретного очень плотно зависит.
>Но эпитаксия для батарей с высоким КПД - единственный путь (разве что нечто совсем непредставимое сейас придумают).

Ну так а что можно сказать о проценте брака при эпитаксии? Тем более что, как я понял, она тоже разная бывает?

au
>Отослал. Многие вопросы обязаны исчезнуть

Спасибо, получил - буду штудировать

>>Но тем же вот теллуридом кадмия занимаются потихоньку, ковыряются что-то.
>>Единственное, чего нет - направленности на конечный продукт.
Fakir> Дык и говорю - по моим данным, у нас им еще чёрт-те когда занимались, как раз с прицелом на СБ. Даже в Кишинёве был филиал НИКИЭТ вроде, там этим занимались. А вся прикладуха тогда была вроде направлена на конечный продукт - у Инст-та Прикладной физики был опытный завод, делали станки (электроискровая обработка, упрочнение всякое и пр.), полупроводники вроде тоже производили по военным заказам...
Ну так то был Союз.
А то - нынешняя Россия.
Не то, чтобы я плохо о России думал, но по факту сейчас те из денежных, кому реально нужны технологии НЕ рассматривают российскую науку, как источник оных. Считается (возможно, обоснованно), что дешевле и надежнее купить необходимое на Западе. Развалилась связь, нет промежуточных звеньев...
Скажем, тот же "Норильский никель" купил за сотню лимонов американскую контору, которая топливными батареями занимается, а не проплатил местным. И, НЯЗ, это общее место.

>>Это когда сверхчистый кремний в реакторе облучают нейтронами.
>>Si28+n -> Si29 (где-то 3 дня) -> P29.
>>Очень однородное легирование чистым-чистым фосфором (n-Si) без кучи промежуточных процессов. Пока кремний рулит в массовом производстве, это могло бы быть классной фишкой.
Fakir> Да, красиво. А почему так не делают?
Еще не начали... вообще долго телятся... Идее скоро уж десяток лет стукнет.

Fakir> И на какие параметры продукции можно рассчитывать?
Меня спрашиваешь?
Я так, краем уха слышал. Понравилось именно своей нетривиальностью.

Fakir> Каких осложнений ожидать? Там же и на Si29 могут быть захваты, так, т.е. лишние примеси? И что насчёт повреждений решётки нейтронами?
Повреждения - отжигать будут, наверное.
А вот что касается цепочек... сейчас посмотрел: у фосфора один стабильный изотоп - фосфор-31, его производит только кремний-30 (157 минут полураспад, а три дня - видимо, кампания облучения).
Сечения на фосфоре-31:

Кремния-31 равновесно должно быть пренебрежимо мало (сечений его реакций с нейтронами по понятным причинам нет )...
В общем, мне говорили, что это зашибись, как круто. Я поверил.

Fakir> Ну так а что можно сказать о проценте брака при эпитаксии? Тем более что, как я понял, она тоже разная бывает?
Вне жесткого контекста вопрос смысла не имеет. Для электроники делают качественные пленки, с стабильным и с большим выходом. Куча (чтобы не говорить "вся" ) силовой электроники, НЯЗ, - эпитаксия. Дома валялся справочник 89-го года "Мощные транзисторы". Там сплошные пленки.

Эх, ну если эпитаксия позволяет делать хорошие плёнки, материалы - не что-то сверхъестественное, тогда не пойму -

НУ ТАК КАКОГО Ж ХЕРА КОСМИЧЕСКИЕ СБ ТАКИЕ ДОРОГИЕ?!

Fakir> Эх, ну если эпитаксия позволяет делать хорошие плёнки, материалы - не что-то сверхъестественное, тогда не пойму -
Fakir> НУ ТАК КАКОГО Ж ХЕРА КОСМИЧЕСКИЕ СБ ТАКИЕ ДОРОГИЕ?!

А какова реальная цена космической СБ за 1 кв. см?

>А какова реальная цена космической СБ за 1 кв. см?
- КОгда-то в начале 90-х купил в магазине (продавец не хотел отпускать - мол нафига пацану такая штука) панельку 10*10см (явно советскую) за 3 лита.. Обещалось, что якобы 1 вольт дает, реально половины не давало... Даже прямо у стоваттной лампы...
(не то чтобы прямой ответ на вопрос, но всё о ценах.. )

>>А какова реальная цена космической СБ за 1 кв. см?
Bredonosec> - КОгда-то в начале 90-х купил в магазине (продавец не хотел отпускать - мол нафига пацану такая штука) панельку 10*10см (явно советскую) за 3 лита.. Обещалось, что якобы 1 вольт дает, реально половины не давало... Даже прямо у стоваттной лампы...
Bredonosec> (не то чтобы прямой ответ на вопрос, но всё о ценах.. )
Запусти поиск по eBay, обхохочешься над ценами...
Вопрос был про цену за площадь на космические СБ.

Ну, цены на мощность я приводил в первом посте.
На площать можно вычислить - исходя из того, что инсоляция на орбите порядка 1 кВт/м² , а КПД порядка 30%. За см² выходит около 30 $ для GaAs и 15 $ для кремния.

Fakir> Ну, цены на мощность я приводил в первом посте.
Fakir> На площать можно вычислить - исходя из того, что инсоляция на орбите порядка 1 кВт/м² , а КПД порядка 30%. За см² выходит около 30 $ для GaAs и 15 $ для кремния.
Копейки.

вот такая штука ~$1 за кв. см. и ~$10 за Ватт. $100000/kW

Вот ещё интересно посчитать: сколько стоит 1 кВт выведенный на орбиту с учётом себестоимости + стоимости выведения? Стоимость одного кг на орбите примерно известна.

Fakir> Ну, цены на мощность я приводил в первом посте.
Fakir> На площать можно вычислить - исходя из того, что инсоляция на орбите порядка 1 кВт/м² , а КПД порядка 30%. За см² выходит около 30 $ для GaAs и 15 $ для кремния.
С учётом углепластиковой рамы, магниевого каркаса, индиевого токосборника, сапфировой крышки (а иначе как 15 лет прослужить?) - даже не копейки, гроши.

Кстати, а кто-нибудь в курсе, как устроен каркас СБ-гармошки, какая доля массы на него приходится?
И какой толщины покрытие - сапфир это, стекло, что-то еще?
Как отдельные ячейки соединяются в электросхему?

>Запусти поиск по eBay, обхохочешься над ценами...
- и какого порядка? (не лазил я туда как-то ранее)

Еще раз спасибо au за статью. Много интересного, что-то прояснилось, но и новых вопросов возникла куча.
(кстати, au, а почему бы саму pdf-ку прямо здесь не вывесить? Могут быть какие-то проблемы?)

Однако из рисунков (см.) я так до конца и не понял - где же там, пардон, три перехода? Кто-то может откомментировать?

И еще мне неясно, что обозначено на рисунках как AR, и почему поверх первого слоя "выступает" полоска GaAs и поверх неё - контакт (из чего, кстати?). Какую площадь в реальном элементе имеет эта полоска, зачем вообще нужна такая неоднородность?
Что за слои обозначены на первом рисунке как p" и n" ?

Рисунок, показывающий соотношение мощностей, выдаваемых разными слоями (при солнечном спектре).

Мне не совсем понятно, почему переходы, использующие менее энергичные фотоны, располагаются в глубине слоя, по убывающей.

Любопытный момент:
В статье, в частности, говорится, что КПД растёт при использовании концентраторов, причём максимум КПД - 32,3% - достигается при "47 солнцах".

Гистрограмма, показывающая, какую долю составляют фотоэлементы с различным КПД в партии из 17 000 штук.
Как я понимаю, другого источника брака вроде бы нет.