Новый инструмент для анализа материалов солнечных элементов

Чтобы получить кремний для солнечных элементов, сначала делают стержень кремния высокой степени очистки, а затем обрабатывают в несколько этапов с постепенным нагревом и охлаждением. Но, как долго нагревать (охлаждать) кремний, как быстро охлаждать (нагревать), сколько этапов нагревания-охлаждения необходимо – до сих пор для этого пользовались методом проб и ошибок, руководствуясь интуицией и опытом.

Теперь исследователи Массачусетского технологического института считают, что они нашли способ лучше.

Инструмент под названием "Impurities to Efficiency" (известный как I2E) позволяет компаниям или исследователям изучать альтернативные стратегии производства, подключить описание планируемых материалов и этапов обработки. Примерно через минуту моделирования I2E дает представление о том, с какой именно эффективностью полученная солнечная батарея будет преобразовывать солнечный свет в электричество.

Одним из важнейших факторов, определяющих эффективность солнечной ячейки, является размер и распределение частиц железа в кремнии. Несмотря на то, что кремний, который используется в солнечных элементах, был очищен до уровня 99,9999 %, оставшиеся крошечные вкрапления железа формируют препятствия, которые могут блокировать поток электронов.

Аспирант David Fenning, член команды Массачусетского технологического института, работающей над I2E, сравнивает влияние атомов железа на поток электронов в солнечных элементов с группой протестующих в городе. Если они собираются вместе на одном перекрестке, они могут блокировать движение в этой точке, но автомобиль все еще может найти обходные пути. "Но если есть один человек в середине каждого перекрестка, весь город может быть перекрыт", говорит он, хотя это то же самое количество людей.

Команда во главе с доцентом кафедры машиностроения Tonio Buonassisi, в том числе Fenning, сотрудник-аспирант Douglas Powell и сотрудники Института солнечной энергии Испанского технического университета Мадрида нашли способ использовать традиционную физику и подробное компьютерное моделирование, чтобы предсказать, как именно атомы железа и частицы будут вести себя во время процесса производства пластин. Затем они использовали узкоспециализированный инструмент для измерения – рентгеновский пучок из синхротрона в Argonne National Laboratory – для подтверждения их моделирования путем выявления фактического распределения частиц в пластинах.

"Высокотемпературная обработка перераспределяет металлы", объясняет Buonassisi. С помощью этого современного оборудования, команда провела измерения распределения железа в пластине, изначально и после обработки, и сравнили с предсказаниями из компьютерного моделирования.

Бесплатно, I2E Сайт существует с июля, и пользователи уже провели около 2000 моделей. Детали того, как работает система, и о примерах будет сообщено в ближайшее время в статье в журнале Photovoltaics International. Министерство энергетики США, которое поддерживает исследования, также сообщило о новом инструменте, записи будут опубликованы в блоге агентства.

Powell говорит, I2E был использован "научно-исследовательскими центрами по всему миру".

С помощью этого инструмента компания под названием Varian Semiconductor Equipment Associates (недавно приобретенная компанией Applied Materials), которая делает оборудование для производства солнечных батарей, произвела тонкую настройку одной из печей, которые они продают. Изменения позволили оборудованию производить кремниевые пластины для солнечных батарей в пять раз быстрее, чем это было изначально, даже слегка повысилась общая эффективность полученных ячеек.

Без этого инструмента было слишком много возможных вариантов для тестирования, так что люди в конечном итоге выбирали лучшее из небольшого числа вариантов. Но с I2E, говорит Buonassisi: "Вы сможете выбрать глобальный оптимум" – то есть, самое лучшее решение для данного набора требований. "Мы действительно можем ускорить инновационный процесс", говорит он.

Fenning говорит, что компаниям, которые "не могут позволить себе делать такие крупные эксперименты" необходимо выяснить, какой процесс для данного приложения является лучшим. Физика, происходящая внутри пластины в процессе обработки, является сложной. "Есть целый ряд препятствующих механизмов, которые омрачают картину того, что происходит", и именно поэтому развитие моделирования было длительным и сложным процессом.

Теперь то, что инструмент моделирования доступен, Fenning говорит, поможет производителям сбалансировать качество продукции и время производства.