Т. Н. Патрушева

Монография

Институт инженерной физики и радиоэлектроники

ТехНологии  
изгоТовлеНия  комПоНеНТов
оксидНых  солНечНых баТарей

Рассмотрены достижения в области фотовольтаи-
ки и проблемы в технологии сенсибилизированных 
красителем солнечных батарей. Представлена ав-
торская технология изготовления компонентов сол-
нечных ячеек малозатратным и широкомасштабным 
экстракционно-пиролитическим методом. Описаны 
методы изготовления фотоанода, прозрачных элек-
тродов и составы электролитов и сенсибилизаторов, 
включающих природные и синтезированные краси-
тели.

Технологии изготовления компонентов
оксидных солнечных батарей

Т. Н. Патрушева

9 785763 831610

ISBN 978-5-7638-3161-0

Предисловие 
 

1 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
Т. Н. Патрушева 
 
 
ТЕХНОЛОГИИ  
ИЗГОТОВЛЕНИЯ  КОМПОНЕНТОВ 
ОКСИДНЫХ  СОЛНЕЧНЫХ  БАТАРЕЙ 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2015 

Предисловие 
 

2 

УДК 621.311.243 
ББК 31.252.8 
         П207 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: С. Д. Кирик, профессор, доктор химических наук, 
ведущий научный сотрудник НИЧ СФУ;  
В. А. Левданский, доктор химических наук, главный научный со-
трудник ИХХТ СО РАН  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Патрушева, Т. Н. 
П207       Технологии изготовления компонентов оксидных солнечных 
батарей : монография / Т. Н. Патрушева. – Красноярск : Сиб. федер. 
ун-т, 2015. – 328 с. 
ISBN 978-5-7638-3161-0 
 
Рассмотрены достижения в области фотовольтаики и проблемы в техно-
логии сенсибилизированных красителем солнечных батарей. Представлена ав-
торская технология изготовления компонентов солнечных ячеек малозатратным 
и широкомасштабным экстракционно-пиролитическим методом. Описаны мето-
ды изготовления фотоанода, прозрачных электродов и составы электролитов          
и сенсибилизаторов, включающих природные и синтезированные красители. 
Предназначена для научных работников, магистрантов и аспирантов. Может 
быть полезна инженерам и специалистам, работающим в области технологии 
функциональных материалов. 
 
   Электронный вариант издания см.: 
           http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 621.311.243 
ББК 31.252.8
 
ISBN 978-5-7638-3161-0                                                          © Сибирский федеральный  
                                                                                                        университет, 2015 

Предисловие 
 

3 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
 
Солнечная энергия – наиболее грандиозный, дешевый, но и, пожа-
луй, наименее используемый человеком источник энергии. Всего за три 
дня Солнце посылает на Землю столько энергии, сколько её содержится во 
всех разведанных запасах ископаемого топлива, а за l c – 170 млрд Дж. 
Большую часть этой энергии рассеивает или поглощает атмосфера, осо-
бенно облака, и только треть её достигает земной поверхности. Вся энер-
гия, испускаемая Солнцем, больше той её части, которую получает Земля, 
в 5 млрд раз. Но даже такая «ничтожная» величина в 1 600 раз больше 
энергии, которую дают все остальные источники, вместе взятые. Солнечная 
энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности 
крупной электростанции. 
Большое разнообразие фотоактивных материалов на основе кремния 
(кремний монокристаллический, поликристаллический, аморфный гидро-
генизированный) не решает проблему снижения стоимости солнечных 
ячеек за счет технологических и конструкционных решений, а только     
определяет пути повышения их эффективности. 
Если предельный теоретический КПД для солнечных элементов, оп-
ределяемый только термодинамическими потерями, может достигать 85 %, 
то для реальных систем вполне достижимы значения в 45–55 % (весьма 
обнадеживающие цифры). Самыми эффективными на сегодня фотоэле-
ментами являются тандемные и многокаскадные солнечные элементы, ос-
нованные на многослойных гетеропереходныхнаноструктурах из полупро-
водников группы AIIIBIV на основе арсенида галлия и его твердых раство-
ров (системы AlGaAs, AlGaInAs и др.). Лабораторные солнечные элементы 
такого типа имеют КПД более 40 %, включая в себя десятки слоев с соот-
ветствующими гетеропереходами. В недавнем времени разработаны весь-
ма эффективные солнечные элементы на квантовых точках. Солнечные 
элементы на основе таких структур имеют высокую себестоимостью и вы-
сокую токсичность производства материалов, что препятствует их ком-
мерциализации и повсеместному внедрению. Стоимость фотовольтаиче-
ской энергии в сравнении со стоимостью энергии ископаемых источников 
превышает последнюю в пять раз. 
Автор выражает благодарность своим коллегам А. Л. Рыженкову           
и Н. Ю. Снежко за активное участие в научных исследованиях в области 
солнечной энергетики и помощь в подготовке данного издания. 

Введение 
 

4 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
 
В начале XXI в. ряд развивающих стран столкнулся с весьма серьез-
ными экономико-политическими спекуляциями, связанными с ценами      
на энергоносители, что в достаточной степени обусловлено существенным 
изменением структуры источников потребления энергии. Результатом     
подобных экономико-политических процессов явился рост интереса к раз-
витию нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Ежегодно 
развитые страны стараются увеличивать удельный вес возобновляемых  
источников энергии в своем топливно-энергетическом комплексе. Однако, 
даже несмотря на обнадеживающие темпы роста солнечной энергетики, 
объем вырабатываемой фотовольтаикой электроэнергии мал в сравнении         
с иными источниками возобновляемой энергии.  
Несмотря на огромные усилия, предпринимаемые в последние десяти-
летия в этой области, и достижение определенных успехов, эффективность 
солнечной энергетики, наиболее безопасного и экологичного возобновляемого 
источника энергии, остается довольно низкой, а следовательно, достаточно 
дорогой. 
Проблемы снижения стоимости производимой электроэнергии опреде-
ляются стоимостью материала, из которого изготовлен солнечный элемент,  
и стоимостью технологического процесса его производства. Широкое 
применение неорганических солнечных элементов сдерживает относи-
тельно дорогая технология производства и обработки неорганических         
полупроводников, требующая высоких температур, глубокого вакуума        
и высокочистых полупроводниковых материалов. В связи с этим возрастает 
интерес к альтернативным принципам создания фотопреобразователей       
и поиску новых материалов (в том числе композитных) для производства 
новых типов более дешевых фотоэлементов. 
Решение проблемы понижения стоимости вырабатываемой фото-
вольтаикой электроэнергии возможно как за счет повышения эффективно-
сти фотопреобразования, так и за счет понижения стоимости производства 
фотоэлементов. В связи с этим наиболее перспективным, в плане коммер-
ческой привлекательности, типом солнечных элементов являются фото-
электрохимические элементы, сенсибилизированные красителем (цвето-
сенсибилизированные фотоэлектрохимические элементы или модернизи-
рованные ячейки Гретцеля), по принципу функционирования являющиеся 
искусственными аналогами фотосинтетической органической системы на 

Введение 
 

5 

основе гибридных (т. е. сочетания органических и неорганических) мате-
риалов.  
В отличие от всех твердотельных классических полупроводниковых 
солнечных элементов сенсибилизированные красителем фотоэлектрохи-
мические элементы используют электролит или другие ионно-проводящие 
фазы в качестве транспортной среды для зарядов. Низкая себестоимость, 
простота производства, удовлетворительная долговременная устойчивость 
способствуют тому, что научный интерес к элементам данного типа и тех-
нологиям их изготовления быстро растет. 
Адаптация различных современных технологий получения тонких 
металлических, оксидных и композиционных структур открывает сущест-
венные перспективы в области производства безкремниевых фотоэлемен-
тов на основе композитных структур. 
На кафедре приборостроения и наноэлектроники Сибирского феде-
рального университета проводятся исследования по технологии и конст-
руированию оксидных сенсибилизированных красителем солнечных ячеек 
и модулей. 

1. Основные достижения в области фотовольтаики 
 

6 

 
1. ОСНОВНЫЕ  ДОСТИЖЕНИЯ 
В  ОБЛАСТИ  ФОТОВОЛЬТАИКИ 
 
 
Тенденции развития технологий, применения и рынка фотоэлектри-
ческих преобразователей солнечной энергии достаточно противоречивы. 
Основанием к оптимизму может служить интенсивность развития данной 
отрасли в последние несколько лет [1]. Однако многие наблюдатели рас-
сматривают происходящий рост рынка как нестабильный в связи с тем, что 
он в большей степени носит «политический» характер, чем экономический. 
Так, одна из причин феноменального роста фотовольтаики в Японии – дей-
ствующая правительственная программа, предлагающая налоговые льготы 
и субсидии производителям солнечных батарей, монтируемых на крышах 
домов. 
Производители Германии получили правительственную финансовую 
поддержку, которая позволила в текущем году довести объем выпуска 
солнечных элементов (СЭ) до 40 МВт. В США – основном мировом по-
ставщике солнечных батарей (их доля составляет около 42 %) – действует 
программа «миллион солнечных крыш», позволяющая с оптимизмом взи-
рать на развитие фотовольтаики в этой стране. 
«Политический» рынок не может существовать без общественной 
поддержки, которая, как показывают проводимые опросы, остается стабиль-
ной. Поэтому основная задача маркетинга СЭ на сегодня – использовать 
правительственную поддержку (как в США, ФРГ и Японии) для создания 
здорового рынка, на котором изделия фотовольтаики смогут жить и без 
привлечения инвестиций. 
Основной же проблемой на пути широкого распространения изделий 
фотовольтаики до сих пор остается их сравнительно высокая стоимость. 
Соотношение цены и производительности выросло с 4,15 до 4,20 долл./Вт. 
Однако такая тенденция считается кратковременной и связанной с расши-
рением производства. 
Таким образом, основные тенденции развития технологий, примене-
ния и рынка преобразователей солнечной энергии показывают, что у них 
есть многообещающее будущее. Производителей стимулирует потенци-
ально гигантский рынок солнечных батарей, устанавливаемых на крышах 
зданий. Растущий интерес к изделиям фотовольтаики для космонавтики, 
телекоммуникаций и портативных источников питания также является 
ключевым фактором развития отрасли в целом. Основные усилия исследо-

1. Основные достижения в области фотовольтаики 
 

7 

вателей сосредоточены на повышении стабилизированной эффективности 
фотоэлектрического преобразования, снижении стоимости материалов       
и производства, повышении надежности приборов, на внедрении новых 
тонкопленочных технологий вместе с развитием моно- и поликристалли-
ческих технологий, пока доминирующих на рынке. Продолжаются разра-
ботки по стандартизации качества и производительности изделий фото-
вольтаики, включая стандарты ISO9001 и ISO14001. 
И хотя энергоэффективность экономики европейских стран выше, 
чем в России, в среднем в четыре раза, она еще далека от оптимума.  
Большинство европейских стран энергозависимы. Согласно Energy 
Ва1аnсеs оf ОЕСD коэффициент самообеспеченности энергоресурсами       
в Германии составляет 0,3908, во Франции – 0,4994, в Италии – 0,1634,        
в Великобритании – 0,9637 (в России – 1,8100). Европейские страны обес-
покоены своей энергозависимостью и потому строят свою государственную 
и научно-техническую политику так, чтобы увеличить коэффициент само-
обеспеченности энергией. Кстати, успех этих программ в Европе будет 
иметь для России свои неприятные последствия, такие как снижение экс-
порта ископаемого топлива. 
Ожидается, что батареи на красителях и электролитах, которые уже 
вышли на рынок в 2005 г. в виде мелкомасштабных приложений, к 2015 г. 
еще не станут широко используемыми. В 2014 г. швейцарская фирма Sola-
rinix выполняла заказ на оснащение фасада здания Конгресс-центра сол-
нечными батареями с красителями на стекле. 
Россия пока не испытывает недостатка в традиционных источниках 
энергии. В то же время некоторые крупные регионы, особенно удалённые 
от центра, всё громче заявляют о своей обеспокоенности ростом цен на ос-
новное топливо. Осознавая нынешнее положение дел, руководители хо-
зяйствующих субъектов и органов власти стали думать о более дешёвых 
альтернативных источниках энергии. В. Путин подписал распоряжение 
Правительства РФ об увеличении производства и потребления электро-
энергии с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ)        
до 4,5 % (до 2020 г.). Конечно, это очень скромный показатель. Но тренд         
в нужном направлении российским правительством всё-таки задан.  
Реализация программы правительства станет первым шагом к присое-
динению России к клубу передовых стран по использованию возобновляемой 
энергетики, считают в компании SBCD Expo [2]. По оценкам специалистов 
компании, альтернативные источники энергии позволят России улучшить 
экосистему, увеличить объемы энергии, снизить затраты, связанные с её вы-
работкой и распределением, решить проблемы энергетической безопасности 
в регионах и даже занятости населения. У России есть все шансы стать круп-
нейшим рынком по использованию альтернативных источников энергии.  

1. Основные достижения в области фотовольтаики 
 

8 

В настоящее время насчитывается более 65 стран мира, которые раз-
вивают экологически чистую энергетику. Нельзя не учитывать, что Рос-
сия – часть глобального мира, которая занимает большую территорию, об-
ладает энергетическим потенциалом и обширными научными знаниями. 
Кстати, идея создания экодомов и экогородов уже сейчас находит своё во-
площение в отдельных странах, в том числе и в России.  
Повышение эффективности использования энергии в России до 
уровня развитых стран и создание условий для перевода экономики страны 
на энергосберегающий путь развития позволит избежать дефицита элек-
троэнергии во всех отраслях хозяйства, а также обеспечит экономический 
рост. Макроэкономический эффект от снижения удельной энергоемкости 
ВВП на 1 % оценивается ростом национального дохода на 0,4 %. На то, 
чтобы экономить энергию, требуется в среднем в 2–3 раза меньше инве-
стиций, чем на производство эквивалентного количества энергии. 
 
 
1.1. Фотовольтаический эффект 
 
Фотовольтаика – технология прямого превращения энергии солнеч-
ного света в электричество. В основе преобразования солнечного света      
в электричество лежит фотоэлектрическое явление. Его суть состоит в том, 
что из-за воздействия фотонов, падающих на p–n-переход, выделяются      
и накапливаются свободные электроны. В случае когда p–n-переход допол-
нен двумя электродами (анод и катод), можно уже говорить о фотоволь-
таическом элементе, по которому может проходить электрический ток.  
Фотовольтаика – это энергетическое будущее человечества. Запасы 
углеводородов, сжигаемых видов топлива не так велики, как утверждают 
оптимисты. Также нужно понимать, что даже если запасы углеводородов 
не будут полностью истощены, будет наблюдаться их острый дефицит,            
а стало быть, цена таких энергоносителей резко возрастет. 
Фотовольтаический эффект – возникновение электрического тока 
при освещении образца-полупроводника или диэлектрика, включённого           
в замкнутую цепь (фототок), или возникновение ЭДС на освещаемом об-
разце при разомкнутой внешней цепи (фотоЭДС). 
Различают два типа фотоэффекта (ФЭ).  
Фотоэффект первого типа (ФЭ I) возникает только при генерации 
светом подвижных носителей заряда одновременно обоих знаков (элек-
тронов и дырок) и обусловлен разделением этих носителей в пространстве. 
Разделение вызывается либо неоднородностью образца (роль неоднород-
ности может играть поверхность), либо неоднородностью освещения (ос-
вещение части образца или поглощение света у поверхности). Появление

1.1. Фотовольтаический эффект 
 

9 

ЭДС при неоднородном освещении может также обусловливаться «нагре-
вом» электронов светом. Этот механизм подобен «обычному» термоэлек-
трическому эффекту и может быть существен как при межзонном погло-
щении, так и при внутризонном. 
К ФЭ I, связанным с пространственным разделением носителей, от-
носятся:  
1. Дембера эффект, который возникает при неоднородном освеще-
нии образца из-за различия коэффициентов диффузии электронов и дырок. 
Он может появляться и при однородном освещении вследствие различия 
скоростей поверхностной рекомбинации на противоположных гранях об-
разца. 
2. Вентильная, или барьерная, ЭДС, которая образуется в результате 
разделения электронов и дырок электрическим полем приэлектродного 
барьера Шоттки на контакте металл – полупроводник, полем р–п-перехода 
или гетероперехода.  
Вклад в электрический ток дают как носители, генерируемые непо-
средственно в области р–n-перехода, так и возбуждаемые в приэлектрод-
ных областях и достигающие области сильного поля путём диффузии.            
В результате разделения пар образуется направленный поток электронов        
в n-область и дырок в p-область. При разомкнутой цепи создаётся ЭДС           
в пропускном (прямом) направлении р–n-перехода, компенсирующая этот 
ток. 
Фотоэлементы на р–n-переходах или гетеропереходах используются 
как высокочувствительные малоинерционные приёмники излучения,          
а также для прямого преобразования световой энергии в электрическую 
(солнечная батарея). При регистрации излучения фотоэлемент непосредст-
венно замыкается на внешнюю нагрузку, либо последовательно с нагрузкой 
включается внешний источник, создающий на р–n-переходе значительное 
смещение в запорном направлении. Это даёт возможность существенно 
повысить чувствительность прибора. 
При освещении изолированной поверхности полупроводника вслед-
ствие разделения пар полем приэлектродного барьера и изменения заряда 
на поверхностных ловушках происходит изменение потенциала поверхности. 
Потенциал освещённой поверхности называется плавающим потенциалом, 
а его изменение – поверхностной ЭДС. Последняя может быть измерена 
конденсаторным методом с использованием либо вибрирующего электро-
да (метод Кельвина), либо прерывистого освещения. Измеряемое при этом 
изменение контактной разности потенциалов между поверхностью полу-
проводника и металлическим электродом включает кроме поверхностной 
ЭДС (основной вклад) также и ЭДС Дембера, возникающую в приповерх-
ностной области.