SONČNE CELICE V DEBELOPLASTNI TEHNOLOGIJI Marko Pavlin, Hipot-HYB, d.o.o., Trubarjeva 7. 8310 Šentjernej, Slovenija Screen Printed Solar Cells ABSTRACT Historical invention and solar cells research is introduced with several facts. Technology and materials for cell manufacturing are presented. Thick film technology with three major steps (print, dry, fire) are chosen. Pastes preparation and production steps are descrit^ed. Basic materials are CdTe and CdS, electrode materials are carbon and indium, substrate is borsilicate glass. POVZETEK V uvodu je opisan zgodovinski nastanek sončnih celic in nekaj splošnih podatkov. Sledi primer izbire tehnologije in materialov za izdelavo sončne celice. Izbrana je debeloplastna tehnologija, ki ima tri osnovne postopke: tiskanje, su&enje in žganje. Opisan je primer priprave past in postopkov izdelave celice. Osnovni pasti sta CdTe in CdS, elektrode so iz ogljika, srebra in indij-srebra. Tiskajo jih na podlago iz bor-silikatnega stekla. 1 Uvod Hitro povečevanje porabe energije, pridobljene predvsem iz fosilnih goriv, je eden glavnih virov onesnaževanja okolja. Nove in čistejše tehnologije, ki bi omogočale pridobivanje energije brez onesnaževanja, so zato velikega pomena za bodoči razvoj. Ena takih je pretvorba sončne energije v električno s sončnimi celicami, Ta oblika pridobivanja energije ima več prednosti: • sonce je brezplačen vir, ki je prisoten povsod • pretvorba je neposredna, brez premikajočih se delov • izkoristek pretvorbe je neodvisen od velikosti sistema. Raziskovanja polprevodnikov, ki so leta 1947 pripeljala do iznajdbe transistorja, so postavila tudi temelje sodobnim raziskavam sončnih celic. Pn/a sončna celica, ki je lahko pretvorila zadovoljivo količino sončne energije, je bila narejena iz silicija v Bellovih laboratorijih. Predstavili so jo leta 1954. Razvoj in uporaba sončnih celic je bila dolgo časa omejena na uporabo v vesolju. Uporaba na zemlji, predvsem pri pridobivanju večje količine energije, je omejena s previsoko ceno. Znižamo jo lahko z: • uporabo cenejših materialov • zniževanjem cene proizvodnih postopkov • večanjem izkoristka pretvorbe • daljšanjem obstojnosti celic Od sončne celice pričakujemo, da ima čimvečji izkoristek, da je sposobna proizvesti čimveč energije na čimmanjši površini po najnižji ceni. Pri izbiri materialov in tehnologij za izdelavo sončnih celic moramo upoštevati vsa našteta dejstva. Precejšnjemu napredku v razvoju sončnih celic so pripomogle tudi mnoge subvencije vladnih institucij, predvsem v ZDA in bivši Sovjetski zvezi. Primer takega projekta je iz leta 1978, ko so odobrili 1.5 milijarde dolarjev za razvoj, raziskave in demonstracijo uporabe sistemov sončnih celic pri pretvorbi sončne energije v elektriko. Danes je proizvodnja sončnih celic dosegla mejo 5000 DEM za kilovat maksimalne izhodne moči. Uravnavanje energije in dodatna oprema za proizvodnjo elektrike stane tudi približno toliko, kar podvoji ceno na 10000 DEM na kilovat. Za primerjavo: hidroelektrarna stane 300 DEM na kilovat, termoelektrarana pa 1400 DEM na kilovat. Poleg proizvodnje energije za električna omrežje je prednost sončnih celic predvsem v tem. da je cena neodvisnaod velikosti sistema. Kol zgled naj navedem, da je osvetlitev telefonske kabine s sončnimi celicami cenejša od napeljave električnih kablov iz omrežja, ki je oddaljeno 200 metrov. Takih primerov je mnogo, prednost pridobivanja elektrike iz sonca pa se pokaže povsod, kjer ni na voljo priključkov do omrežja ali pa je to predaleč. Vsako leto proizvedejo za okrog 10 MW sončnih celic. Ta številka pa raste iz leta v leto. 2 Izbira tehnologije in materialov Vir energije pri sončnih celicah je svetloba. Njen spekter je drugačen nad atmosfero kot pri tleh. Pri prehodu atmosfere se svetloba absorbira v plinih (predvsem O2 in N2...), v vodni pari in prahu. Od položaja sonca je odvisno kako dolga je pot skozi atmosfero. Heterospo-jna sončna celica je sestavljena iz dveh materialov, ki imata različni energijski reži. Eden ima široko režo in predstavlja le okno drugemu z manjšo energijsko režo, ki deluje kot kolektor. Površino zemlje dosežejo fotoni, ki imajo različne energije. V sončni celici so uporabni le fotoni z energijami, ki so večje od energijske reže (Eg) kolektorja, V tabeli I je podana povprečna količina fotonov, ki padejo na cm^ v eni sekundi in njihova povprečna energija glede na vremenske razmere. Tabela I. Število in struktura fo/onov pri različnih pogo-jih Pogoji Gostota moči W/cm^ Povpr. energija eV Nad atmosfero 0.135 1.48 5.8 Ob morju, sonce v zenitu 0.106 1.32 5,0 Ob morju, sonce 60° oij zenita 0.088 1.28 4.3 Povprečne razmere 0.089 1.43 3.9 Ekstremne razmere 0.059 1.18 3.2 Oblačen dan 0.012 1.44 0.52 Poleg atmosferskih in vremenskih vplivov moramo upoštevati še izgube {r) zaradi odbojev na posameznih plasteh sončne celice, ki jih izračunamo iz naslednje enačbe: r = {n-lf {n + lf n je določen empirično in je /1/: (1) (2) Iz enačb (1) in (2) je razvidno, da je odboj zelo malo odvisen od velikosti energijske reže Eg in tako ne vpliva na izbiro materiala. Naslednje merilo, ki ga moramo upoštevati pri izbiri materiala, je kvantni izkoristek O, ki podaja razmerje med nosilci, ki prispevajo k dejanskemu izhodnemu toku, in vsemi generiranimi nosilci /8/. Najprej si oglejmo sploSne enačbe, ki veljajo za p-n spoj v sončni celici. Osvetljen p-n {hetero-)spoj se vede kot tokovni generator s kratkostičnim tokom Is, ki ima paralelno vezan nelinearen upor, skozi katerega teče tok: 1 = 1, gy e*^ -1 (3) kjer je k - Boltzmannova konstanta. T • temperatura, q ■ osnovni naboj, lo - zaporni tok nasičenja. Napetost odprtih sponk je Uo- Breme, pri katerem je prenos moči največji, določimo iz pogoja; 1+- u m" KT L "o" (4) Takrat je napetost na izhodu Um. Če želimo izračunati Um, moramo določiti lo in Is- Pri izračunu Is si pomagamo s koeficientom kvantnega izkoristka O, (5) V enačbi (5) nastopa r, ki je določen z enačbo (1), a je absorpcijska konstanta, I je debelina polprevodnika, ki absorpira svetlobo, in n(EG) je število fotonov, ki sodelujejo pri svetlobnih generacijah. Na sliki 1 je prikazan presek p-n spoja. Kvocient 0 je odvisen od absorpcijskega koeficienta a, življenjske dobe manjšinskih nosilcev x in hitrosti površinskih rekombinacij s. Značilne vrednosti so zbrane v tabeli II. Iz tabele II je razvidno, da je izkoristek najboljši, ko je debelina plasti n dosti manjša od difuzijske dolžine (L). Podobno je tudi, kadar so hitrosti površinskih rekombinacij majhne. Absorpcijski koeficient leži med 10'' cm'^