Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 37 – vyšlo 15. října, ročník 8 (2010) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

37/2010

Současný stav a trendy ve vývoji fotovoltaických panelů

Martin Žáček

Možnostem obecného využití energie ze SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium. se věnoval Bulletin AB 22/2004, zde se budeme zabývat jen přímou přeměnou světelné energie na elektrickou. Tato možnost se poprvé otevřela v roce 1839 objevem fotovoltaického jevuFotovoltaický jev – vznik elektrického napětí při dopadu světla na rozhraní dvou materiálů. Jevu lze využít ke konstrukci fotovoltaického článku. Fotovoltaický jev objevil v roce 1839 Alexandr Edmond Becquerel (1820–1891) spolu se svým otcem Antoine Césarem Becquerelem (1788–1878). francouzským fyzikem Alexandrem Edmondem Becquerelem, otcem Henriho Becquerela, známého svými objevy z oblasti radioaktivity. Na první funkční fotovoltaický článek se ale čekalo dalších 44 let, kdy se Charlesu Frittsovi podařilo vytvořit extrémně tenkou průsvitnou vrstvu zlataZlato – aurum, chemicky odolný, velmi dobře tepelně i elektricky vodivý, ale poměrně měkký drahý kov žluté barvy. Již od dávnověku byl používán pro výrobu dekorativních předmětů, šperků a jako měnová záruka při emisích bankovek. V současné době je navíc důležitým materiálem v elektronice, kde je ceněna jeho vynikající elektrická vodivost a odolnost proti korozi. V přírodě se vyskytuje zejména ryzí. na substrátu selenuSelen – Selenium, nekovový prvek ze skupiny chalkogenů, významný svými fotoelektrickými vlastnostmi. Selen je poměrně vzácný prvek, byl objeven roku 1817 Jonsem Jacobem Berzeliem. Selen se využívá při výrobě fotočlánků. Nedostatek selenu v potravě způsobuje srdeční potíže., čímž vznikl velkoplošný polovodičový přechod schopný přeměnit asi 1 % světelné energie přímo v energii elektrickou. Vysoce účinný fotovoltaický článek však byl zkonstruován až v roce 1954 v Bellových laboratořích za využití difúzního p-n křemíkovéhoKřemík – polokovový prvek, hojně se vyskytující v zemské kůře. Slouží jako základní materiál pro výrobu polovodičových součástek nebo položek pro pěstování nanostruktur. Oxid křemičitý je základní surovina pro výrobu skla a významná součást keramických a stavebních materiálů. Objev křemíku je připisován švédskému chemikovi J. Jacobu Berzeliovi (1824). přechodu [1]. Fotovoltaický jev je založen na pohlcení fotonu elektronem v polovodičovém materiálu, při kterém dojde ke generaci páru elektron-díra. Uvnitř homogenního materiálu mají elektrony a díry tendenci samovolně opět rekombinovat, avšak pokud se nachází v heterogenní oblasti, tj. blízko nějakého rozhraní (nejčastěji je to p-n přechod), elektrony a díry se pohybují do oblastí pro ně energeticky výhodnějších, čímž dojde k jejich separaci. Jejich energii, rovnající se součinu separovaného náboje a elektrického napětí, je pak možné využít ve vnějším elektrickém obvodu. Existují ale další fyzikální jevy, umožňující přímou přeměnu světelné energie v elektrickou, a to fotoelektrický jevFotoelektrický jev – vyrážení elektronů z povrchu některých látek (zejména kovů) světlem. Při tomto jevu se projevují částicové vlastnosti světla, jednotlivý foton musí mít energii vyšší než je výstupní práce nutná k vytržení elektronu z atomu. Jev poprvé objevil Heinrich Hertz v roce 1887 a vysvětlil Albert Einstein v roce 1905., objevený v roce 1887 Henrichem Hertzem, který je podobný fotovoltaickému jevu, zakázaný pás v polovodiči však nahrazuje výstupní práce z povrchu materiálu a pohlcením fotonů elektrony dochází k fotoemisi. Při tzv. vnitřním fotoelektrickém jevuFotoelektrický jev (vnitřní) – uvolňování elektronů uvnitř polovodiče dopadajícím zářením. Elektrony jsou dodanou energií excitovány z valenčního do vodivostního pásu, čímž dojde ke zvýšení vodivosti materiálu. V hradlových fotočláncích dopadá záření na rozhraní polovodičů typu N a P a vyvolává přímo elektromotorické napětí. Na základě vnitřního fotoefektu jsou konstruovány fotometry, expozimetry, zařízení automatické ochrany, ovládací mechanizmy, CCD čipy, kopírky, fotočlánky, fotonásobiče a mnohá další zařízení. v polovodiči je energetická bariéra o velikosti výstupní práce na povrchu vodiče nahrazena zakázaným pásem.

Logo společnosti Maine Solar Energy Association

Fotovoltaický jev – vznik elektrického napětí při dopadu světla na rozhraní dvou materiálů. Jevu lze využít ke konstrukci fotovoltaického článku. Fotovoltaický jev objevil v roce 1839 Alexandr Edmond Becquerel (1820–1891) spolu se svým otcem Antoine Césarem Becquerelem (1788–1878). Fotoelektrický jev – vyrážení elektronů z povrchu některých látek (zejména kovů) světlem. Při tomto jevu se projevují částicové vlastnosti světla, jednotlivý foton musí mít energii vyšší než je výstupní práce nutná k vytržení elektronu z atomu. Jev poprvé objevil Heinrich Hertz v roce 1887 a vysvětlil Albert Einstein v roce 1905. Fotoelektrický jev (vnitřní) – uvolňování elektronů uvnitř polovodiče dopadajícím zářením. Elektrony jsou dodanou energií excitovány z valenčního do vodivostního pásu, čímž dojde ke zvýšení vodivosti materiálu. V hradlových fotočláncích dopadá záření na rozhraní polovodičů typu N a P a vyvolává přímo elektromotorické napětí. Na základě vnitřního fotoefektu jsou konstruovány fotometry, expozimetry, zařízení automatické ochrany, ovládací mechanizmy, CCD čipy, kopírky, fotočlánky, fotonásobiče a mnohá další zařízení.

Typy fotovoltaických článků a jejich nejdůležitější charakteristiky

Vývoj v oblasti fotovoltaiky se v poslední době vydal více směry. Od původního směru pro špičkové vědecké aplikace (například solární panely pro umělé družice), v němž šlo o dosažení co největší účinnosti, se pod vlivem společenské poptávky oddělily další větve výzkumu, zohledňující jiné faktory. V jednom případě je to cena fotovoltaického článku, v jiném například množství vynaložené energie nebo použitého materiálu při výrobě na jednotku jmenovitého výkonu. Pro hromadné použití fotovoltaických článků nemusí být totiž nejvhodnější sáhnout po typu s nejlepší účinností ale s nejlepším poměrem cena ku jmenovitému výkonu. Pokud používáme fotovoltaické články primárně z ekologických důvodů, pak by měla být rozhodujícím parametrem energetická návratnost, tj. poměr spotřebované energie při výrobě a vyrobené energie za předpokládanou dobu životnosti.

Některá dělení fotovoltaických článků

Podle struktury materiálu

Monokrystalické články. Vyrábějí se stejnou technologií jako křemíkové čipy, výrobou válcového monokrystalu Czochralského metodou (polský chemik Jan Czochralski, v roce 1918 publikoval novou metodu výroby monokrystalického křemíku [2]). Monokrystal se rozřeže na tenké destičky a další vrstvy. Tato výroba patří k nejdražším, ale články mají lepší účinnost než články stejného typu z jiného materiálu – u laboratorních článků s jedním přechodem dosahuje účinnost kolem 25 %, u nejlepších komerčních článků 22 %. Kompletní panely z pospojovaných článků se svou účinností blíží 20 %. Monokrystalické články představují přibližně 34 % všech vyráběných článků. Polykrystalické články. Čipy se vyrábějí rozřezáním polykrystalického kvádrového ingotu. Výroba je jednodušší a levnější, dochází k menším ztrátám. Články mají nepatrně horší účinnost, avšak lepší využití plochy v solárním panelu a lepší poměr výkon/cena. Nejlepší účinnost u komerčních článků je 17 %, podíl těchto článků na trhu je asi 47 %. Amorfní články. Jde o polymerní, organické, uměle vytvořené nanomateriály využívající nanotrubic, kvantových teček (viz AB 18/2005) apod.

Podle druhu vrstev a technologie jejich výroby

Tlustovrstvé. Substrát je polovodič vyrobený rozřezáním monokrystalického nebo polykrystalického ingotu, na něm se vytvářejí další vrstvy. Mají stabilnější a lepší parametry, avšak větší spotřebu materiálu a vyšší cenu, tvoří asi 82 % všech vyráběných článků. Tenkovrstvé. Polovodičové vrstvy jsou nanášeny na nepolovodičový substrát (plast, papír, sklo, ...), jsou flexibilnější (často ohebné), lehčí, levnější, je menší spotřeba drahého materiálu a lepší energetická návratnost, avšak horší účinnost a méně stabilní parametry, tvoří asi 17 % všech vyráběných článků.

Podle druhu materiálu
Křemíkové. Jde o klasickou a nejrozšířenější technologii. Články jsou nejdražší, ale mají nejlepší parametry. Na bázi jiných materiálů než křemíku. Jde například o GaAs, InP, CuInSe. Komerčně nejrozšířenější je CdTe, protože se snadno nanáší.

Podle počtu přechodů

Jednopřechodové. Výroba těchto článků je jednoduchá, ale mají nejmenší účinnost, neboť zachyceny mohou být jen fotony s energií větší nebo srovnatelnou se šířkou zakázaného pásu. U fotonů s nižší energií nedojde k zachycení, u fotonů s vyšší energií, než je šířka zakázaného pásu, se část energie přemění na teplo. Vícepřechodové. Mají větší účinnost, avšak vyšší cenu v důsledku složitější výroby. V budoucnu je nadějný směr ve spojení některé levné tenkovrstvé technologie, včetně nanotechnologií, s mnohapřechodovou strukturou, umožňující zachytávat a využívat fotony z širšího pásma vlnových délek.

Obr. 1: Solární článek vyvinutý v MIT, vytištěný na obyčejném papíře za použití inkoustu na bázi uhlíku; lze však použít mnoho jiných materiálů. Výroba je extrémně levná, dosažená účinnost je však zatím pouze asi 1,5 %. [6]

Srovnání některých typů solárních článků podle účinnosti:

Typ článku	Účinnost
Třípřechodový solární článek, Spire Semiconductor společně s US National Renewable Energy Laboratory (NREL), říjen 2010 (další informace)	42,3 %
Typ HIT (hetero-junction with intrinsic thin-layer - heteropřechod s intrinsickou tenkou vrstvou); nejlepší laboratorně dosažená účinnost, září 2010 (další informace)	21,1 %
Krystalický křemík; nejlepší dosažená účinnost u komerčně vyráběného solárního článku, září 2010 (další informace)	19,4 %
Polymerní tištěné solární články z University of Chicago, jeden přechod, výroba levná a energeticky nenáročná (další informace)	10 %
Organické fotovoltaické články (OPV); rekordní dosažená hodnota, Dresden University, říjen 2010 (další informace)	8,3 %
Polymerní plastová dvojfólie, University of Michigan (další informace)	3,5 %
Solární článek vyrobený tištěním aktivní vrstvy na papír, extrémně levná výroba, vyvíjí MITMIT – Massachusetts Institute of Technology, prestižní americká univerzita v massachusettském Cambridge. Univerzita byla založena Williamem Bartonem Rogersem v roce 1861. Skládá se z pěti škol a jedné koleje. Přestože jde o soukromou univerzitu, je podporována i státem. Spravuje livingstonskou část detektoru LIGO. (další informace)	1,5 %

Obr. 2: Graf časového vývoje účinnosti jednotlivých technologií solárních článků v posledních letech. Fialové linie jsou dvou a třípřechodové články s koncentrátory (plné trojúhelníky) a jednopřechodové články na bázi GaAs (prázdné trojúhelníky), modré linie jsou články na bázi křemíku, zelené linie odpovídající tenkovrstvým technologiím a oranžové linie znázorňují účinnost organických článků (plné kolečko) a na bázi barviv (prázdné kolečko). Celý graf. Zdroj: Lawrence Kazmerski, National Renewable Energy Laboratory (NREL).

Nové směry ve vývoji solárních článků

Vědecký a technický pokrok nelze zastavit a jednotlivé vědecké týmy se neustále pokouší nejrůznějšími způsoby vylepšovat parametry stávajících způsobů nebo nacházet nové principy, jak co nejefektivněji přeměnit světelnou energii ze Slunce přímo v elektrickou. O mnohých bylo již pojednáno v předchozích Bulletinech, jako například v AB 20/2008 o nanovodičích se strukturou PIN a jejich využití ve fotovoltaice a v AB 34/2008 o organických koncentrátorech světla. Poslední dobou se objevují směry využívající zajímavé vlastnosti uhlíkových nanotrubic [3], jimiž se zde budeme zabývat podrobněji a nastíníme některé dosavadní výsledky a budoucí možnosti.

Uhlíkové nanotrubice jsou válcové duté útvary, složené z jednoatomární uhlíkové stěny. V základní konfiguraci se chovají z hlediska elektrických vlastností v podélném směru jako velmi dobrý vodič, je však možné jejich vlastnosti snadno modifikovat příměsemi. Někteří vědci dokonce tvrdí, že uhlíkové nanotrubice jsou mnohem flexibilnější pro použití v elektronice než křemík a že ho v mnohých aplikacích v budoucnu mohou i překonat. Podařilo se například vyrobit nanotrubice vykazující vlastnosti polovodičů a experimentovalo se s takovými konfiguracemi, které vykazují chování klasické křemíkové diody nebo tranzistoru. Pak už ale stačí experiment modifikovat tak, že generování párů elektron-díra dosáhneme osvětlením materiálu a vznikne vlastně uhlíkový fotovoltaický článek. Vědci z Cornellovy univerzity při experimentech s osvětlováním uhlíkových nanotrubic laserem přišli na zajímavé vlastnosti, kdy excitované elektrony vytvářely vlivem válcové struktury povrchu trubice jemné vazby, v jejichž důsledku se mohl vybudit další elektron, který pak přispěl k celkovému proudu. To je velmi nadějný mechanizmus pro zvýšení účinnosti přeměny energie, neboť v klasických křemíkových článcích se mění část energie na teplo. [4]

Vědci z MITMIT – Massachusetts Institute of Technology, prestižní americká univerzita v massachusettském Cambridge. Univerzita byla založena Williamem Bartonem Rogersem v roce 1861. Skládá se z pěti škol a jedné koleje. Přestože jde o soukromou univerzitu, je podporována i státem. Spravuje livingstonskou část detektoru LIGO. přišli na způsob, jak koncentrovat za pomocí uhlíkových nanotrubic světelné záření zhruba 100× v porovnání s klasickými slunečními články. Nanotrubice byly v této konfiguraci zformovány do jakési antény, která zachytávala fotony. Ty by pak odváděla do malých fotovoltaických buněk, které by nemusely pokrývat celou plochu solárního panelu. Michal Strano, vedoucí výzkumného týmu, přirovnává uhlíkovou nanotrubicovou anténu k jakési solární nálevce, jíž by bylo možné využít i pro aplikace, ve kterých je potřeba koncentrovat velmi slabé světlo, například u citlivých dalekohledů pro noční vidění. Anténa má tvar vláknitého provazce 10 μm dlouhého a 4 μm v průměru, obsahujícího asi 30 miliónů nanotrubic. Výzkumnému týmu se podařilo vůbec prvně vytvořit vlákno obsahující dvě vrstvy nanotrubic s různou velikostí zakázaného pásu. Ve vnitřních vrstvách antény jsou nanotrubice s malým zakázaným pásem zatímco nanotrubice z vnějších vrstev mají zakázaný pás velký. Excitony vzniklé pohlcením fotonu ve vnějších vrstvách se proto budou pohybovat do vnitřku vlákna, odkud mohou být odvedeny do vnějšího obvodu. Nyní se pracuje na rozhraní mezi anténou a vlastním polovodičovým solárním článkem, kde se oddělí elektrony a díry a také na zmenšení ztrát absorbované energie, která nyní činí asi 13 % ale výzkumný tým odhaduje, že se podaří snížit ztráty až na 1 %.

Solární článek z nanotrubic by se mohl jednou stát levnější alternativou k tradičním křemíkovým solárním článkům, neboť ceny materiálů založených na nanotrubicích rychle klesají tak, jak se rozšiřuje jejich výroba. Jednou mohou být tak levné, jako dnešní běžně používané polymerní materiály [5].

Obr. 3: Filament obsahující zhruba 30 milionů uhlíkových nanotrubiček pohltí světelnou energii ze Slunce a následně ji fluorescencíFluorescence – jev, při kterém je v důsledku absorpce světla látkou vyzářeno světlo na jiné, zpravidla delší vlnové délce. Pohlcené fotony excitují elektrony v atomárních obalech a ty poté při přechodu na nižší hladinu vyzáří opět světlo. Při pohlcení dvou fotonů naráz může být vyzářeno i světlo kratší vlnové délky. Jev poprvé pojmenoval v roce 1852 George Gabriel Stokes. vyzáří na nižší frekvenci. Červená barva odpovídá vyšší intenzitě a zelená až modrá barva nižší intenzitě emitovaného záření.
Zdroj: MIT

Odkazy