Гибридный кремниевый солнечный элемент с квантово-размерными свойствами

1. ПРЕЗЕНТАЦИЯ,
прилагаемая к заявке о
предоставлении гранта от Фонда
Сколково
Наименование инновационного
проекта:
Интеграция WOS-технологии
создания волнообразных структур в
производство фотоэлектрических
преобразователей
Наименование организации:
ООО «Квантовый кремний»
Москва

2. 1. Резюме инновационного проекта (далее – Проект)
Перспективы разработки
Общее описание Проекта
 Проект нацелен на повышение КПД солнечных элементов при
одновременном снижении энергоемкости и капитальных затрат их
производства;
 Технология WOS позволяет сформировать на поверхности
солнечного элемента наноструктуру, способную увеличить КПД за
счет: увеличения светопоглащающей способности, уменьшения
площади p-n перехода, эффективного использования УФ,
улучшение контактных свойств и квантово размерных эффектов;
 Технологическая направленность Проекта: энергоэффективность и
энергосбережение
1. Реализовать потенциал WOS технологии – обеспечить
увеличение КПД элемента до 27-28% относительных;
2. Масштабировать
технологию
для
формирования
наноструктуры на пластинах большой площади (4 и 6 дюймов);
3. Создать
конструкторскую
промышленную установку.
документацию
на
опытно-
 В настоящее время достигнуто увеличение КПД на
относительных (имеются протоколы испытаний образцов)
6%
 Сроки реализации Проекта: 4 кв. 2012 - 3 кв. 2014 гг.
Стадия проекта, на которую подается данная заявка
План достижения
 Ранняя – стадия 2
Динамика развития Проекта до настоящего времени
 2000 – начало
инвестиции
 В рамках Проекта планируется:
реализации
проекта,
привлечены
посевные
 4 кв. 2012: изучение и выработка решений по устранению
последствий ионной бомбардировки поверхности кремниевой
пластины (радиационные дефекты), изготовление прототипов
ФЭП.
 2005 – завершен этап НИР, патентование в РФ, привлечены
инвестиции этапа А
 1 кв. 2013: пассивация (обработка) наноструктуры для
уменьшения поверхностной рекомбинации носителей заряда.
 2009 – создана пилотная установка, привлечены инвестиции этапа B
 2 - 4 кв. 2013: получение максимально возможного прироста
КПД, за счет оптимизации уровня и подбора способов
легирования p-n перехода, оптимизации и подбора вариантов
контактной сети, изготовление прототипов ФЭП.
 2012 - проведены пилотные испытания продукции совместно с
индустриальными партнерами, осуществлена международная
патентная защита технологии,
Текущее состояние
 Сформирована команда проекта, создана пилотная установка;
 1 кв. 2014: масштабирование технологии для формирования
WOS-структуры на пластинах большой площади (4 и 6 дюймов);
 Завершен этап НИР, решены основные научные и технологические
проблемы управляемого формирования WOS;
 2 кв. 2014: оптимизация геометрии наноструктуры для
достижения эффекта МЭГ с достижением внутреннего
квантового выхода выше 100%, изготовление прототипов ФЭП.
 Сформулирован принцип масштабирования процесса на подложки
большой площади
 3 кв. 2014: создание конструкторской документации на опытнопромышленную установку.
 Технология защищена российскими и международными патентами.
2

3. 2. Целевой рынок и конкуренция
Потребности потребителей
 Существующие решения обработки поверхности солнечных элементов не
обеспечивают дальнейшее увеличение КПД солнечного элемента и модуля и
исчерпали свой потенциал;
 Более высокий КПД не только удешевляет стоимость конечного продукта, но и снижает
затраты потребителя по строительству и эксплуатации солнечной энергосистемы, за
счет: снижения площади солнечной электростанции, снижения затрат на логистику:
доставка, монтаж, эксплуатация. Потребитель предпочитает купить большее
количество мощности, но меньшее количество модулей, обеспечив тем самым
увеличенную выработку электроэнергии с одной и той же площади (например крыши
или приусадебного участка).
 Использование WOS-технологии позволит существенно улучшить существующие
решения по текстурированию поверхности солнечных элементов за счет
уменьшения/исключения жидкостных процессов травления (щелочь и/или кислота) и
соответственно исключения последующей утилизации отработанных реактивов.
В
WOS-технологии используются исключительно «сухие» процессы: ионно-пучковое и
плазмохимическое травление.
 Ключевым отличием обеспечивающим конкурентоспособность целевого продукта
Проекта будет являться:
-
меньшая стоимость $/Вт солнечного элемента и модуля,
-
Увеличенная мощность солнечного модуля при одинаковой площади;
 Технология WOS соответствует главной цели потребителей –достижение сетевого
паритета, т.е. равенства стоимости традиционной и альтернативной электроэнергии.
3

4. 2. Целевой рынок и конкуренция
Разработки аналогичных продуктов
 Компании и научные институты ведущие аналогичные разработки: Kyocera, SiOnyx, Black Silicon Solar, Natcore
Technology, NREL, Mitsubishi Electric, Fraunhofer Heinrich Hertz Institute, FOM Institute AMOLF.
Например компания Kyocera уже сегодня использует плазмо-химический процесс для текстурирования
поверхности солнечных элементов из мультикремния (см. рисунок 1).
 Ключевое сходство: создание структуры с низким коэффициентом отражения света;
 Ключевые отличия WOS: низкая себестоимость и высокая стабильность формирования структуры, высокая
производительность процесса, технологически развитые поставщики оборудования.
Использующиеся сегодня технологии являются вредными для окружающей среды и опасными
для человека, использованные в процесс текстурирования щелочи и кислоты требуют
дальнейшей утилизации, что приводит к удорожанию конечного продукта.
В отличие от технологии плазмохимического травления компании Kyocera, по технологии WOS
травление в плазме осуществляется через нитридную наномаску, что значительно сокращает
время обработки пластины, делает процесс травления управляемым и приводит к получению
упорядоченной наноструктуры (см. рисунок 2) с меньшим коэффициентом отражения.
WOS-технология позволяет впервые в мире промышленным способом осуществлять
наноструктурирование
поверхности
монокристаллического
кремния
с
ориентацией
кристаллографической решетки <111> (см. рисунок 3), что откроет возможности использования
данного материала в фотовольтаике и существенно снизить толщину пластины и ее
себестоимость.
 Рынок солнечной энергетики ежегодно растет и по прогнозам
рейтинговых агентств может достичь 250 ГВ к 2020 г. Более 80% рынка
занимают кремниевые солнечные элементы и до 2020 года кремний
останется основным источником отрасли (см. рисунок 4). Это
обстоятельство
свидетельствует
о
востребованности
рынком
кремниевых солнечных элементов с повышенным КПД в момент
коммерциализации продукта Проекта.
Рисунок 4
Рисунок 1
Рисунок 2
 Создание на кремниевой пластине структуры с низким коэффициентом
отражения света является одним из технологических направлений
увеличение КПД кремниевых солнечных элементов. Существующие
технологии достигли своего технологического предела, а все
перспективные разработки находятся только на стадии R&D.
Рисунок 3
4

5. 2. Целевой рынок и конкуренция
Существующие решения на рынке для монокристаллического кремния с кристаллографической решеткой <100>
Наименование модели/
продукта
Отраженный свет, без
просветляющего
покрытия %
Стадия
Потенциал
для МЭГ
Масштабируемость
Воспроизводимость
Цена/ стоимость
владения*, [руб]
Щелочное травление
На рынке
10-12%
нет
да
да
0,25
Лазерное травление
В разработке
8-10%
нет
нет
да
>5
Безмасочный РИТ
В разработке
Нет данных
нет
да
нет
Нет данных
Технология WOS
В разработке (Проект)
<8%
да
да
да
0,15
Воспроизводимость
Цена/
стоимость
владения*, [руб]
Существующие решения на рынке для монокристаллического кремния с кристаллографической решеткой <111>
Наименование модели/
продукта
Жидкостное травление
Лазерное травление
Потенциал
для МЭГ
Масштабируемость
Не приводит к созданию какой-либо структуры на поверхности пластины
В разработке
Безмасочный РИТ
Технология WOS
Отраженный свет, без
просветляющего
покрытия %
Стадия
>15%
нет
нет
да
>5
Не приводит к созданию какой-либо структуры на поверхности пластины
В разработке (Проект)
да
да
да
0,15
Отраженный свет, без
просветляющего
покрытия %
Потенциал
для МЭГ
Масштабируемость
Воспроизводимость
Цена/
стоимость
владения*, [руб]
<12%
Существующие решения на рынке для мультикристаллического кремния
Наименование модели/
продукта
Стадия
Кислотное травление
На рынке
>20%
нет
да
да
0,38
Лазерное травление
В разработке
>13%
нет
нет
да
>5
Безмасочный РИТ
На рынке в ограниченном
количестве, Kyocera
>13%
нет
да
нет
Нет данных
Технология WOS
В разработке (Проект)
<12%
да
да
да
0,15
* Оценочно стоимость процесса текстурирования поверхности пластины на 1 Вт солнечного элемента размером 156х156 мм2, при условии
одинакового количества обрабатываемых пластин в час.
5

6. 2. Целевой рынок и конкуренция
Схема коммерциализации
Рассматривается два основных направления коммерциализации:
(1) лицензирование технологии существующим игрокам на рынке,
(2) создание JV с индустриальным партнером, в том числе с целью дальнейшего развития технологии WOS.
Сегменты рынка на который ориентирован продукт
 Регионы: Европа, США, Юго-Восточная Азия, Африка
 Продукт: солнечные модули из монокристаллического и
мультикристаллического кремния.
Помимо классического материала используемого для производства
солнечных элементов технология WOS впервые в мире открывает
возможность использования в отрасли новых перспективных
материалов. Так например, существующие технологии позволяют
изготавливать пластины кремния толщиной 20-100 мкм (что
значительно удешевляет стоимость конечного продукта) из
монокристаллического кремния с ориентацией кристаллографической
решетки <111> , однако выход данного продукта на рынок ограничен
отсутствием в мире дешевой и производительной технологии
текстурирования поверхности пластины для снижения доли
отраженного света. Технология WOS позволяет промышленным
способом осуществлять наноструктурирование поверхности
монокристаллического кремния с ориентацией <111>, без удорожания
процесса.
Оценка рынка
Мировой рынок
Внутренний рынок
Потенциальные потребители продукта проекта
 В случае первого направления коммерциализации это – компании
Suntech Power, SolarWorld, Sharp Solar, Trina Solar, Sunpower,
SolarWind, SiGen ;
 В случае второго варианта коммерциализации это компании
занимающиеся инсталляцией мелких солнечных энергосистем, такие
как – Bollmann Elektrotechnik , Explore Solar Ltd, Solar Peak, Sunlight
Future Ltd и т.д. более 2500 компаний, и крупных электростанций,
такие как - Photovolt Development Partners, ActivSolar и т.д.
2012F
2017F
2020F
В количественном выражении, ГВт
26 - 35
150 - 184
220 - 250
В денежном выражении, млрд. долл.
78 - 105
225 - 276
300 - 350
0,001
1,5-2
3-5
нет данных
нет данных
нет данных
В количественном выражении, ГВт
В денежном выражении, млрд. долл.
Источники: EPIA, McKinsey & Company, Bloomberg New Energy Finance PV Market Outlook, Marketbuzz, Cleandex
29.01.2014
6

7. 3. Технология и интеллектуальная собственность
Описание инновации
Квазипериодическая
волнообразная
структура (wave-ordered structure – WOS)
спонтанно
возникает
на
поверхности
кремния при ее бомбардировке наклонным
потоком ионов азота.
WOS – это самоформирующаяся наномаска
с заданным периодом от 25 до 150 нм,
представленная полосками нитрида кремния
на склонах волн, обращенных к ионному
пучку.
Процесс формирования WOS в системе N2+–
Si
является
в
высокой
степени
управляемым.
Травление кремния через WOS-наномаску
посредством RIE позволяет существенно
увеличить высоту наноструктуры и управлять
еѐ геометрией. Так, например, WOS c = 36 нм
при помощи RIE трансформируется в массив
кремниевых нанополосок высотой 100 нм (AR =
5 (aspect ratio – AR)), а WOS c = 70 нм – в
массив нанополосок высотой 360 нм (AR = 10).
29.01.2014
Описание научно-технической новизны
Технология WOS единственная как в России, так и в мире
технология основанная на использовании химически активных
по отношению к кремнию ионов азота. Как показала
конференция «Nanoscale Pattern Formation at Surfaces»
(Madrid, Spain, September 18-22, 2011) большинство
разработчиков используют инертные газы не формирующие
жесткой наномаски, либо на ее формирование уходит
несколько часов.
Существующие на сегодняшний день в фотовольтаике
технологии наноструктурирования поверхности кремниевых
пластин являются либо малопроизводительными, либо
дорогими. Технология WOS не только сравнима по
производительности с существующими технологиями микротекстурирования, но и дешевле их.
Ключевым прогнозируемым конкурентным преимуществом
продукта проекта будет являться его дешевизна, что составит
конкуренцию дешевым и некачественным солнечным модулям
импортного производства.
Существующие патенты
Российские патенты: Способ формирования упорядоченных
волнообразных наноструктур (Варианты); WOSTEC Inc. (USA);
регион: РФ; 10.10.2003; 20 лет. Способ формирования рисунка
на поверхности пластины; WOSTEC Inc. (USA); регион: РФ;
20.06.2001; 20 лет.
PCT: Method for forming wavy nanostructures; WOSTEC Inc.
(USA); регионы: США, Япония, Китай, Корея; 2008-2012 гг.;
срок 20 лет. Method for forming wavy nanostructures; WOSTEC
Inc. (USA); В ЕС планируется перевод на национальные фазы
в 2013 г.
Планируемые патенты - по результатам прототипирования
планируется провести анализ полученных решений на
патентоспособность в РФ, США, ЕС, Японии, Китае, Корее и их
последующее патентование.
7

8. 4. Команда и соинвестор Проекта
Краткое резюме ключевых членов команды Проекта
Привлечение финансирования на текущую стадию
Руководитель проекта:
 Драгина Людмила Викторовна
ООО «Русэнергоинвест»
‒ Взаимодействие со стратегическими
инвесторами
 Полная занятость
‒ Координация внедрения технологии
в промышленное производство
 Сфера деятельности:
‒ Организация операционной
деятельности компании
Смирнов Валерий Константинович
 Технический директор
 Зона ответственности: наука и
технологии
 Полная занятость
 Сфера деятельности:
Кибалов Дмитрий Станиславович
 Зам. технического директора
 Зона ответственности: Наука и
технологии
 Полная занятость
 Сфера деятельности:
‒ Создание интеллектуальной
Грегори Дэвид Кинг
 Директор по развитию
 Зона ответственности:
коммерциализация и продажи
 Полная занятость
 Сфера деятельности:
‒ Формирование глобальной бизнесстратегии компании, развитие
29.01.2014
План по привлечению инвестиций
‒ Разработка методов формирования
наноструктур и ее применений и
технической стратегии компании,
 Опыт работы:
‒ Филиал Wostec Inc. в Ярославле,
директор, 2005-н.в.; Wostec Inc.,
Технический директор, 2005-н.в.
собственности, подготовка плановграфиков работ, отчетов, логистика
технологических процессов
 Опыт работы:
‒ Филиал Wostec Inc. в Ярославле,
зам.директора, 2005-н.в.; Wostec
Inc., с.н.с., 2005-н.в.
 Со-инвестор: ООО «Русэнергоинвест»
 Аффилированность: материнская компания ООО «Квантовый кремний»
 Форма инвестиций: инвестиции в собственный капитал / вклад в
имущество
 Профиль cо-инвестора:
‒ ООО «Русэнергоинвест» создано в 2009 г. для осуществления
инвестиций в проекты по возобновляемой энергетике, а также
инвестиций в инновационные технологии в традиционной энергетике.
В портфеле компании 9 проектов на разных стадиях (от исследований
до коммерциализации), среди которых имеются проекты по созданию
высокомощных анодов для литий-ионных батарей, несколько
проектов по строительству возобновляемой генерации, проект по
созданию нового типа электролитов для устройств хранения энергии
и пр.
‒ Инвестиции в проекты осуществляются из собственных средств
учредителей ООО «Русэнергоинвест»
 Возврат средств от инвестиций в данный проект планируется по двум
направлениям:
‒ Продажа лицензии на технологию на рынках Японии, Кореи
‒ Строительство собственных мощностей по производству солнечных
элементов с наноструктурированной поверхностью для продажи в
страны Европы, США, Китай и пр.
 Ожидаемый срок возврата инвестиционных средств – 2015 г.
бизнес-коммуникаций в странах
Северной Америки, формирование
глобального позиционирования
 Опыт работы:
‒ Wostec, Inc., Исполнительный
директор, президент, 2004–н.в.; XVD
Corporation, Вице-президент по
операциям и маркетингу, 2003-2004
Привлечение финансирования
реализации проекта
на
последующих
этапах
 Для доведения технологии от текущего статуса до коммерциализации
потребуется около 500 млн. руб.
 Финансирвание проекта будет осуществляться либо из средств
текущего инвестора проекта, либо из средств венчурных фондов (Bright
Capital и/или аналоги в РФ или за рубежом)
8

9. 5. Дорожная карта и финансовый план Проекта
1. Укрупненный план развития Проекта:
– План коммерциализации (в перспективе ближайших 5 лет)
 2 кв. 2015: лицензирование технологии существующим игрокам на рынке ЮВА,
 1 кв. 2015: создание JV с индустриальным партнером, в том числе с целью дальнейшего развития технологии WOS.
– План по привлечению инвестиций
 3 кв. 2012 – 1 кв. 2014: Привлечение инвестиций от ООО «Русэнергоинвест» в размере 150 млн. руб. для со-финансирования гранта со
стороны Фонда Сколково
 1 кв. 2015 – 4 кв. 2015: Привлечение инвестиций от ООО «Русэнергоинвест» и/или венчурных фондов (Bright Capital и пр.) в размере 200
млн. руб. для доведения технологии для конечного продукта
– План R&D
 1 кв. 2013: изучение и выработка решений по устранению последствий ионной бомбардировки поверхности кремниевой пластины
(радиационные дефекты);
 2-4 кв. 2013: выбор и оптимизация процессов производства солнечного элемента с наноструктурированной поверхностью с целью
максимального повышения КПД;
 1 кв. 2014: масштабировать технологию для формирования WOS-структуры на пластинах большой площади (4 и 6 дюймов) .
 2 кв. 2014: достижения эффекта многоэкситонной генерации, увеличение КПД солнечного элемента до 27-28% относительных;
– План по защите интеллектуальной собственности
 2 кв. 2013: переход на национальные фазы по PCT-заявкам в Европе
 2 кв. 2014 – 2 кв. 2015: получение патентов в Европе
 4 кв. 2013 – 4 кв. 2014: по результатам прототипирования и достижения максимального прироста КПД солнечного элемента планируется
провести анализ полученных решений на патентоспособность в РФ, США, ЕС, Японии, Китае, Корее и их последующее патентование.
2. Финансовый план Проекта:
– Требуемые инвестиции: 150 млн. от Фонда Сколково, 150 млн. руб.
со стороны со-инвестора
– Расходы по Проекту: ФОТ – 62 млн. руб., оборудование – 95 млн.
руб., услуги сторонних организаций – 90 млн. руб., защита
интеллектуальной
собственности
–
10
млн.
руб.,
административные расходы – 40 млн. руб., прочие расходы – 3
млн. руб.
– 2 кв. 2015: совокупная выручка от продажи продукта составит 200500 млн. руб., как от лицензирования технологии, так и от продажи
собственной продукции
29.01.2014
Расходы по проекту
ФОТ
3%
30%
13% 1%
Оборудование и
комплектующие
Услуги сторонних организаций
21%
32%
Защита IP
Административные расходы
Прочие расходы
9

10. 6. Дорожная карта Проекта
Ключевые действия
Сроки реализации
Текущий статус
(Завершенные мероприятия)
Стадия, на которую привлекается
грант
2009
2011
2 п,
2012
2 п,
2013
˅
˅ ˅
˅ ˅
˅
˅
4”
2005
1 п,
2013
˅
2000
1 п,
2014
2 п,
2014
Последующие стадии
6”
2015
2016
2017
2018
Исследования и разработки
˅
1. Завершен этап НИР
˅
2. Создана пилотная установка
3. Созданы прототипы ФЭП с наноструктурой
4. Созданы полноразмерные ФЭП с наноструктурой
5. Получен эффект МЭГ
6. Достигнут максимальный прирост эффективности ФЭП
Маркетинг и внедрение
˅
1. Проведены испытания с отраслевыми партнерами
2. Технология WOS отработана на пластинах 4” и 6”
˅
3. Конструкторская документация для внедрения технологии
˅
4. Пилотное внедрение
˅
5. Начало промышленной эксплуатации у партнеров
Интеллектуальная собственность
˅
(РФ)
1. Создана патентная защита (РФ и международные)
V
(межд.)
˅
2. Усиление патентной защиты с учетом НИОКР
˅
˅
˅
Финансирование
1. Seed, Round A, Round B
2. Round C: Грант Сколково, Соинвестор
3. Expansion round
29.01.2014
Seed
A
B
˅
˅
˅
˅
10