Американский стартап объединил кристаллизацию кремния и изготовление солнечных батарей в один техпроцесс, что исключило весьма энергоёмкие части технологической цепочки. Кроме того, используя новый метод, компания поставила очередной рекорд тонкости солнечных батарей, уменьшив толщину кремниевого слоя на них до 5 микрометров.

В последние годы прогресс в производстве дешёвых солнечных батарей резко ускорился: все наблюдатели сходятся во мнении, что мы стоим на пороге революции в этой области. Но кто станет первым? Недавно мы писали о новом подходе к традиционным и, казалось бы, широко известным кремниевым солнечным батареям: из 200 мкм кремния на фотоэлементе используется лишь 10%, и исключение из производственного цикла остальных 180 мкм серьёзно влияет на стоимость конечного продукта, ведь сегодня половина его цены — это монокристаллический кремний.

Но есть и те, кто пошёл дальше идеи сделать фотоэлементы в 20 мкм толщиной. Американский стартап Ampulse задумался о том, почему кристаллический кремний вообще столь дорог. Сегодня его получают по такой схеме:

Рис. 1. Именно так всё и обстояло до недавнего времени: энергоёмкие процессы, 90–95% результатов которых уходило в стружку. (Здесь и ниже изображения Ampulse).

Компания Ampulse взялась изменить саму технологическую цепочку, выкинув из неё «ненужные этапы» при помощи совершенно нового способа производства фотоэлементов из кремния.

Для выработки чистого кремния вместо нагрева (до 1 500 ˚С) газообразного SiHCL₃ или SiH₄ и получаемых при этом кремниевых полуфабрикатов с последующей распилкой заготовок до нужных размеров (когда на стружку теряется около половины заготовки) авторы предложили напрямую осаждать кремний из вышеперечисленных газов посредством химического парофазного осаждения кремния (ХПО-ГП, Hot Wire Chemical Vapor Deposition) непосредственно на тонкую металлическую подложку фотоэлемента. При этом раскалённая вольфрамовая нить, похожая на обычную нить лампы накаливания, нагревает газообразный SiHCL₃ (или SiH₄) в герметичной камере всего до 700 ˚С, после чего газ разлагается, оставляя на тонкой металлической плёнке внизу камеры слой от 5 до 10 мкм (!) кремния, что в 2–4 раза меньше, чем у ближайших конкурентов.

Прежде методика ХПО-ГП использовалась для создания фотоэлементов на базе аморфного кремния, однако КПД таких батарей значительно ниже, чем у основанных на кристаллическом кремнии. Для правильного формирования кристаллов осаждающегося кремния Ampulse использует инновационную подложку — катаный текстурированный по двум осям слой лёгкого сплава, на котором и происходит упорядоченный эпитаксиальный рост кристаллов из осаждаемого вещества.

Хотя максимально эффективны именно батареи со слоем в 20 мкм, расчёты Ampulse показали, что сокращение толщины слоя до 10 мкм вызывает падение КПД всего на 10–15%, а до 5 мкм — лишь на 30%.

Так, при 5-микрометровом слое кремния КПД фотоэлемента составляет 12%, а при 10 мкм — 18,5% (данные, разумеется, лабораторные). Себестоимость же падает в гораздо большей степени, что делает экономически выгодной работу с более тонкими слоями. Нет нужды говорить о том, что отсутствие чрезвычайно энергоёмкого традиционного процесса получения чистого кремния и замена его на одноступенчатый ХПО-ГП означает серьёзное удешевление получаемых солнечных батарей.

Рис. 2. Однако есть и другие варианты: один техпроцесс может заменить сразу несколько, при этом потери дорогого кристаллического кремния равны нулю.

Что в результате? Ampulse столкнётся с жесточайшей конкуренцией: сегодня солнечная энергетика — настоящее поле битвы самых разных конкурирующих технологий. Но у этой фирмы есть серьёзный козырь: она декларирует себестоимость производимых ею фотоэлементов на уровне менее $500 за киловатт мощности (при КПД в 18%). Это значительно меньше, чем у арсенид-галлиевых элементов и органических солнечных батарей. Хотя есть производители, собирающиеся побить даже этот ценовой рекорд, для КПД в 18,5% этого пока ещё никому не удалось.