Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 33 – vyšlo 25. října, ročník 11 (2013) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

33/2013

Nové fotovoltaické panely z Anglie

Jiřina Scholtzová

O nových objevech ve světě fotovoltaiky jsme již v našich bulletinech mnohokrát informovali (jmenujme alespoň bulletiny AB 30/2007, AB 34/2008, AB 37/2010 nebo AB 21/2011). Nyní se k tématu opět vracíme, abychom přinesli informace o novém typu fotovoltaických článků vyvinutém na Oxfordské univerzitě v Anglii. Účinnost je vyšší než 15 % a výroba článku je velmi jednoduchá, protože je kompatibilní s již používanými technologiemi. Fotovoltaické panely se tedy mohou začít brzy vyrábět ve velkém množství. Koncept autoři shrnuli v zářijovém čísle časopisu Nature.

Nový fotovoltaický článek. Perovskitová vrstva o tloušťce 320 nm je nanesena na skleněné tabulce. Zdroj: Nanotechweb.

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). Fotovoltaický článek – polovodičová součástka schopná přeměňovat za pomoci tzv. fotovoltaického jevu světelnou energii na elektrickou. Z fotovoltaických článků se například konstruují panely slunečních baterií na kosmických družicích a sondách. Perovskit – minerál krystalující v kosočtverečné soustavě, chemický vzorec CaTiO3 (oxid titaničito-vápenatý). Byl objeven na Urale v roce 1839 Gustavem Rosem a pojmenován podle ruského diplomata, ministra, mineraloga a archeologa Lva Alexejeviče Perovského (1792–1856). Dnes se tento minerál dostává do popředí díky svým polovodičovým vlastnostem, kterými by mohl konkurovat stávající křemíkové technologii. Organické solární články – hybridní organické solární články, které obsahují jako polovodič anorganické mezostrukturované oxidy (jako je například TiO2) a komplexní organokovové barvivo absorbující světlo (například perovskity). SSC – Solution Spin Coating, jedna z mnoha metod nanášení tenkých vrstev. Nanášená látka je součástí roztoku. Podkladová vrstva rotuje a odstředivou silou je řízena tloušťka roztoku nanášeného na substrát. CVD – Chemical Vapour Deposition, způsob nanášení tenkých vrstev. Proces probíhá za vysoké teploty, podklad je vystaven působení prekurzoru, který reaguje s povrchem, čímž vzniká požadovaný materiál. Vedlejší produkty se odstraňují proudem plynu nebo unikají do komory se sníženým tlakem.

Křemík versus perovskit

Stávající solární články jsou založené na křemíkových polovodičích. Tato technologie je na výrobu solárních panelů poměrně drahá a navíc dnes naráží na své technologické hranice (účinnost článků již nejde výrazně zvýšit). Je tedy potřeba hledat nové materiály, které by byly na výrobu článků vhodnější a především lacinější. Nový solární článek je vyroben z nového typu polovodičů – tzv. perovskitových polovodičů. Perovskity (CaTiO₃) jsou vzácné minerály, které se u nás vyskytují například v Loučné v Krušných horách (pyroxenity, hornblendity) nebo v povodí Ploučnice (polzenity). Detaily najde čtenář na stránkách Masarykovy univerzity.

Perovskit nalezený v Německu (vlevo) a v Rusku (vpravo). Zdroj: Mindat, CSGA.

Nově navržené perovskitovéPerovskit – minerál krystalující v kosočtverečné soustavě, chemický vzorec CaTiO₃ (oxid titaničito-vápenatý). Byl objeven na Urale v roce 1839 Gustavem Rosem a pojmenován podle ruského diplomata, ministra, mineraloga a archeologa Lva Alexejeviče Perovského (1792–1856). Dnes se tento minerál dostává do popředí díky svým polovodičovým vlastnostem, kterými by mohl konkurovat stávající křemíkové technologii. solární články mají účinnost kolem 15 % (přičemž ještě nedávno to byla pouhá 4 %), což je srovnatelné s dnešními nejvýkonnějšími křemíkovýmiKřemík – 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). články. Je zde však možnost zvýšení až na 25 %. A to není jediná výhoda. Články vyrobené z perovskitu mohou být podstatně tenčí než křemíkové (1 mikrometr perovskitu nahradí 200 mikrometrů křemíku), navíc lze použít stejnou technologii výroby jako u křemíkových článků. Výsledkem je nesrovnatelně nižší cena jak výroby, tak zavedení nové technologie do praxe.

Ale abychom neuváděli jen samé výhody: vývoj je ještě v plenkách a aby mohl perovskit plně nahradit křemík, je třeba vyřešit dva zásadní problémy. Prvním problémem je, čím nahradit v polovodiči olovo, které je součástí organokovovému trihydrogen-perovskitového barviva používaného k pohlcování světla. Toxické látky obsahující toto olovo se uvolňují do okolí jak při výrobě, tak při používání. Druhým problémem je částečná rozpustnost perovskitů ve vodě. Testy ukazují, že perovskit nevydrží tolik, co křemík, který je stabilní po celé desítky let.

Generace organických fotovoltaických článků

Organické články vedle (nebo i namísto) křemíku používají různé polymerní, organické nebo uměle vytvořené nanomateriály, které mají schopnost absorbovat světlo a přeměnit jej na elektrickou energii. Hledání materiálů vhodných k této přeměně je dnes hlavním předmětem výzkumu. Velmi slibné se jeví využití velmi levné titanové běloby TiO₂ v kombinaci s organickým barvivem, které absorbuje světlo. Do této kategorie patří i perovskitové články.

Technologie výroby perovskitových článků se dělí na dvě generace. V první generaci se vyvíjely především tzv. waferové (tlustovrstvé) články. Název je odvozen z analogického vývoje křemíkových článků, mající za substrát polovodič vyrobený rozřezáním monokrystalického nebo polykrystalického ingotu, anglicky wafer. Tloušťka waferu se pohybuje řádově v několika stech mikrometrů, přesto zůstává výroba tohoto typu článku drahá.

Přirozeným vývojem z tlustovrsvých článků vznikly tenkovrstvé články, kde je hlavní snahou snížit spotřebu drahého materiálu (původně křemíku). Pracuje se bez substrátu, pouze se různými postupy (například napařováním CVDCVD – Chemical Vapour Deposition, způsob nanášení tenkých vrstev. Proces probíhá za vysoké teploty, podklad je vystaven působení prekurzoru, který reaguje s povrchem, čímž vzniká požadovaný materiál. Vedlejší produkty se odstraňují proudem plynu nebo unikají do komory se sníženým tlakem., rotačním nanášením SSCSSC – Solution Spin Coating, jedna z mnoha metod nanášení tenkých vrstev. Nanášená látka je součástí roztoku. Podkladová vrstva rotuje a odstředivou silou je řízena tloušťka roztoku nanášeného na substrát.) nanese tenoučká polovodivá vrstva (tloušťka se počítá v nanometrech) na podklad, kterým je typicky sklo nebo plast. Vrstva vodivého materiálu je výrazně tenčí než u waferových článků a cena je tak výrazně nižší.

Pod drobnohledem

Historie perovskitových polovodičů je velmi krátká, zato intenzivní. První generace byla představena v roce 2009 a od té doby vzniklo několik typů těchto polovodičů. Aktuálně se zkoumají vlastnosti polovodičů skládajících se z tenkých polovodičových vrstev sevřených mezi dva kontakty. K pohlcování světla dochází díky organokovovému trihydrogen-perovskitovému barvivu s obecným vzorcem (RNH₃)BX₃, kde R je zástupný symbol pro C_nH_2n+1, B reprezentuje olovo nebo cín a X je jód, bróm, nebo chlór.

Krystalová struktura perovskitového článku (CH₃NH₃) PbX₃. Na obrázku je symbolem A
označeno methylamonium CH₃NH₃, B je olovo a C je jód nebo chlór. Zdroj: Nature.

Autoři posledního článku [1] představili organokovové trihalogenid-perovskitové polovodiče se vzorcem (CH₃NH₃) PbX₃, kde X může být jód, bróm, nebo chlór a porovnali, jaký vliv na účinnost má způsob nanesení na médium. Použili přitom nanočásticového filmu z oxidu titaničitého (TiO₂), který působil jako kontakt na elektrodě. Zjistili, že jediný parametr, který má vliv na účinnost, je tloušťka perovskitové vrstvy a že optimální tloušťka je přibližně 330 nanometrů. Pokud je vrstva příliš tenká, není schopna vstřebat veškeré sluneční záření z okolí. Pokud je ale příliš tlustá, nemusí se generované náboje difúzí dostat až k elektrodám. Jejich měření také vyvrátilo dosud uznávanou domněnku, že příčinou vyšší účinnosti je nanostrukturování materiálů.

Perovskitový polovodič nanesený na skleněném médiu. Zdroj: Nature.

Solární článek se skládá ze skleněné destičky potažené fluorem dopovaným oxidem cínatým (SnO), který má roli anody, na ní je nanesena souvislá n-vrstva z TiO₂ tvořící elektronový kontakt. Na n-vrstvu je pak napařena vrstva perovskitů, nad kterou následuje p-vrstva navržená tak, aby zaručovala sběr kladně nabitých děr na stříbrné katodě. Schéma je znázorněné na obrázku, FTO znamená fluorem dopovaný oxid cínatý (Fluorid doped Tin Oxid).

Když perovskitová vrstva absorbuje světlo, vznikají elektrony a díry. Tyto nosiče náboje jsou následně vedeny různými transportními materiály, například TiO₂ pro elektrony a jinými materiály pro díry. Transportní materiál přenese náboje na dvě oddělené elektrody, čímž na nich vzniká napětí.

Budoucnost perovskitových polovodičů

Vše vypadá velmi nadějně. Perovskitové polovodiče jsou srovnatelné s křemíkovými. Také se otvírá možnost kombinovat oba typy polovodičů – křemíkové i perovskitové, protože perovskit absorbuje světlo z opačné části světelného spektra než křemík. Mohli bychom se tak dočkat i tzv. tandemového solárního článku, ve kterém by byla pod vrstvu perovskitů umístěna vrstva křemíku. Perovskitová vrstva by absorbovala fotony s vyšší energií a vrstva křemíku pod ní by absorbovala fotony s nižší energií. Výsledný článek by byl ještě účinnější než ty, které využívají pouze jedné vrstvy, ať už perovskitů, nebo křemíku. Dodejme, že energie získávaná s využitím perovskitů by v budoucnu mohla být tak levná, že by mohla na poli energetiky úspěšně konkurovat i fosilnímu palivu.

Klip týdne: Rotační nanášení SSC

Rotační nanášeni SSC (Solution Spin Coating) je metoda, při které se na podklad (například sklo) kápne roztok napařované látky. Vzorek se poté roztočí. Odstředivá síla vytvoří rovnoměrnou vrstvu, ze které se už v průběhu rotace odpaří rozpouštědlo a vznikne tenká vrstva nanesené látky. Zdroj: G. Karnad, Chips & Tips.

Odkazy