Přeměna sluneční energie v energii elektrickou ve fotovoltaických slunečních článcích bude, dle mého názoru, v 21. století nejrychleji rostoucí oblastí výroby čisté energie. Podobný názor byl prezentován například v americkém časopise Science [1] v čísle věnovaném energii a především obnovitelným zdrojům energie.
Jaké jsou hlavní argumenty pro podporu fotovoltaické přeměny sluneční energie, proč je fotovoltaika “in” (především fotovoltaické články a solární design jako nová forma architektury) a jaderná energie “out” na západ od našich hranic, jaké jsou hlavní problémy, které brzdí rozvoj fotovoltaiky, jak funguje fotovoltaický článek, co se v oblasti slunečních článků dělá v České republice a jak vypadá situace ve světě. To vše bude tématem tohoto přehledu.
Již v minulém století byla u selenu pozorována změna elektrického odporu při osvětlení a fotovoltaický jev (vznik elektrického napětí při osvětlení) na kontaktu s kovem. První skutečné fotovoltaické sluneční články (dále jen “sluneční články”) byly připraveny z monokrystalů křemíku v Bellových laboratořích v USA v roce 1954 [5]. Ty již měly účinnost 6%, více než desetinásobnou ve srovnání se selenovými články. Byly logickým vyústěním výzkumu polovodičů, teoreticky založeny na výsledcích kvantové mechaniky a technologicky na zvládnutí přípravy velmi čistého křemíku a jeho dopování.
Rozvoj fotovoltaiky nastává v šedesátých letech s nástupem kosmického výzkumu, sluneční články slouží jako zdroj energie pro družice. Celosvětová ropná krize v roce 1973 pak nastartovala rozsáhlý výzkum fotovoltaické přeměny sluneční energie v energii elektrickou jako potenciálního zdroje čisté energie pro celý svět.
Křemík má stejnou krystalovou strukturu jako diamant. Na rozdíl od diamantu však není průhledný, absorbuje světlo o kratší vlnové délce než zhruba 1 mikrometr (fotony o větší energii než zhruba 1,1 elektronvoltů), to jest část infračerveného, celé viditelné a ultrafialové spektrum. Absorbuje tedy větší část celého slunečního spektra. To je znázorněno na obrázku 1, kde vidíme spektrum slunečního záření po průchodu atmosférou, spolu s absorpční hranou křemíku.
Obrázek 1. Sluneční spektrum po průchodu atmosférou pod úhlem 48° od normály (tzv. spektrum AM1,5). Současně je vyznačena absorpční hrana krystalického křemíku.
Dopadá-li na křemík foton o energii menší než 1,1 elektronvoltů, projde křemíkem a není absorbován. Když je jeho energie větší než 1,1 elektronvoltů (tato energie odpovídá šířce zakázaného pásu a tedy absorpční hraně křemíku) pak je tento foton absorbován a v polovodiči vznikne jeden volný elektron a jedna volná díra. Energetický rozdíl mezi energií dopadajícího fotonu a šířkou zakázaného pásu se přeměnuje na teplo a je hlavním důvodem, že teoretická účinnost jednoduchého článku v planární konfiguraci příliš nepřesáhne 30%.
Aby sluneční článek sloužil jako zdroj proudu, musí v něm nastat rozdělení elektronů a děr. Sluneční článek není homogenní polovodič, ale skládá se z části mající elektronovou vodivost (materiál typu n, například křemík s příměsí fosforu) a části mající děrovou vodivost (materiál typu p, například křemík s příměsí boru). Vše je znázorněno na obrázku 2.
Obrázek 2. Pásové schéma p-n přechodu krystalického křemíku za osvětlení (energie fotonů hν) s vyznačením hran vodivostního (Ec) a valenčního (Ev) pásu, šířky zakázaného pásu (Eg = Ec - Ev), Fermiho hladin v polovodiči typu n i p a oblasti existence vnitřního elektrického pole (prostorového náboje). Voc je napětí vzniklé následkem osvětlení p-n přechodu. Na přechodu p-n dojde k oddělení díry a elektronu a na přívodních kontaktech vznikne napětí Voc (v případě křemíku 0,5-0,6 V) a připojíme-li ke kontaktům spotřebič, protéká jím elektrický proud. Ten je přímo úměrný počtu absorbovaných fotonů a tedy i ploše celého slunečního článku.
Fotovoltaický sluneční článek je tedy polovodičová dioda (přechod p-n) mající velkou plochu (decimetry čtvereční), spodní celoplošný kovový kontakt (reflektor) a vrchní kovový kontakt (mřížku, hřeben) zabírající velmi malou plochu (4-8% plochy článku), aby nestínil.
Skutečná struktura je mnohem složitější, jak je vidět na obrázku 3, s cílem zmenšení všech možných ztrát (reflexe světla, rekombinace nosičů proudu) a realizace co největší účinnosti přeměny sluneční energie v energii elektrickou. Teoretická účinnost v případě článku z krystalického křemíku je okolo 30%. Vyšší teoretickou účinnosti lze dosáhnout u článků složených z různých materiálů s různou absorpční hranou nebo koncentrací světla, která zvyšuje (logaritmicky) získané napětí.
Obrázek 3. Schematické znázornění struktury křemíkového solárního článku se zanořenými kontakty na přední straně. Texturovaný povrch pro snížení reflexe a zvýšení „light trapping" efektu je vytvářen využitím anizotropního leptání křemíku na rovině <100>. Vrstva oxidu, případně nitridu křemíku je použita pro pasivaci povrchu křemíku a pro snížení reflexních ztrát. Zadní kontakt (Al) funguje jako zpětný reflektor.
Sluneční články se spojují sériově a paralelně do slunečních panelů, které již dávají požadované napětí a stejnosměrný proud. Malý konvertor umožňuje připojení na standardní střídavou síť 220V.
Absorpce monokrystalického křemíku nad absorpční hranou roste pomalu (tzv. nepřímé optické přechody s účastí fononů u polovodičů s minimem vodivostního pásu v jiném místě reciproké mříže než je maximum valenčního pásu) a proto musí být křemíkový sluneční článek dostatečně tlustý (typicky 0,3 mm).
Křemík v neuspořádané (amorfní) formě má absorpční hranu na rozhraní infračervené a červené oblasti, většinu infračerveného světla tedy propouští, ale absorpce nad absorpční hranou prudce roste (následkem změny výběrových pravidel pro optické přechody se změnou uspořádání látky) a postačí vrstva tenčí než tisícina milimetru (1 μm) k úplné absorpci viditelného světla. Současně se dá tento materiál připravit při nízké teplotě, obvykle 200o C, a tedy nanášet na levné podložky, jako jsou sklo či některé plastické hmoty nebo kovová fólie. To vše umožní snížit cenu slunečního článku.
Na druhou stranu, dopování amorfního křemíku (vytváření n-typové či p-typové vodivosti) a transport elektrického náboje je mnohem obtížnější. Proto mají současně vyráběné fotovoltaické články z amorfního křemíku následující, poměrně komplikovanou strukturu, která je schematicky zobrazena na obrázku 4. Malé laboratorní články dosahují stabilní účinnosti přes 13%, ale v hromadné výrobě, při “ošizení” technologických detailů s cílem dosažení co nejnižší ceny článků tato účinnost v současnosti dosahuje 7-8% (účinnost počítaná na celou plochu slunečního panelu).
Obrázek 4. Schematické znázornění struktury třívrstvého slunečního článku na bázi amorfního hydrogenovaného křemíku (a-Si:H) a slitin amorfního křemíku a germánia (a-Six Ge1-x:H). V horním článku s největší šířkou zakázaného pásu je absorbována krátkovlnná část slunečního spektra (UV, modrá, část zelené), v nejspodnějším s malou šířkou zakázaného pásu pak červená a především infračervená část spektra.
Jak je vidět z obr. 4, pro zlepšení sběru fotogenerovaných nositelů je volena struktura p-i-n, to znamená že velká většina elektronů a děr je generována v oblasti silného vnitřního elektrického pole v intrinsické (i) vrstvě. Současně, pro lepší využití celého slunečního spektra, je tento článek složen ze 3 jednoduchých článků (p-i-n vrstev) s různou hranou vlastní absorpce. Tím se sníží ztráty následkem přeměny části energie fotonů v teplo (E=hν - Eg), viz obr. 2. Přídavek germania ve “spodních” článcích umožní využití infračervených fotonů (germanium posouvá absorpční hranu dále do infračervené oblasti), které by jinak nebyly v amorfním křemíku absorbovány. Tloušťka každého článku je pak zvolena tak, aby v každém z nich bylo generováno stejně elektronů a děr (aby tekl stejný proud), výsledné napětí na článku je pak dáno součtem jednotlivých napětí a přesahuje 2 volty, sériovým zapojením je pak dosaženo žádaného výstupního napětí.Hlavní problém amorfního křemíku (je to ve skutečnosti neuspořádaná slitina křemíku s 5-10% vodíku, který pasivuje většinu defektů v materiálu) je v tvorbě nových defektů v materiálu následkem silného osvětlení. I když se počáteční účinnost jednoduchých (s jedním p-i-n přechodem) slunečních článků z amorfního křemíku s probíhajícími lety výzkumu neustále zvyšovala, po několika měsících provozu tato účinnost poklesla vždy na přibližně stejnou hodnotu okolo 6%. Příčinou byla tvorba nových rekombinačních center pro světlem generované elektrony a díry, což snižuje elektrický proud v obvodu článek-spotřebič. Ve FZÚ jsme vyvinuli velmi citlivé metody pro optické studium těchto defektů a zkoumali jsme mechanismy jejich vzniku. Ve spolupráci s technologickými laboratořemi v USA a Švýcarsku jsme se podíleli na vývoji technologie takového amorfního křemíku, který je více odolný vůči této degradaci. Tento výzkum, společně s vývojem ještě tenčích, složených článků (obr. 4) vedl pak k dosažení výše popsané vysoké stabilní účinnosti (13%) v laboratorním měřítku.
Na spolupracujícím švýcarském pracovišti (universita v Neuchatelu) připravili křemík ve formě tenkých vrstev složených z orientovaných nano/mikrokrystalků o průměru desítek nanometrů a délce stovek nanometrů a sluneční články z tohoto materiálu. Tento materiál se též nanáší při teplotách okolo 200o C a má řadu výhod krystalického i amorfního křemíku. My jsme se od počátku zabývali zkoumáním základních fyzikálních vlastností tohoto nového materiálu. V Neuchatelu připravené sluneční články z mikrokrystalického křemíku ukázaly, že tento materiál nedegraduje. V současné době spolupracujeme na projektu tandemového fotovoltaického článku složeného z vrstvy amorfního křemíku a z druhé vrstvy mikrokrystalického křemíku. Jak tato struktura vypadá pod elektronovým mikroskopem a jaká je spektrální odezva článku je vidět na obrázcích 5 a 6. Stabilní účinnost laboratorních vzorků je vyšší než 12%, ušetří se drahé germánium (a jeden přechod p-i-n) oproti slunečním článkům z obr. 4.
Obrázek 5.. Dvojitý sluneční článek (amorfní/mikrokrystalický křemík) zobrazený v rastrovacím elektronovém mikroskopu. Zobrazena je rozlomená část článku, vyznačená úsečka měří 2 mikrometry. Struktura článku je následující: skleněná podložka, vrstva polykrystalického SnO2, amorfní křemík a-Si:H, mikrokrystalický křemík μc-Si:H a vrchní vrstva polykrystalického ZnO.
Spektrální odezva dvojitého slunečního článku („micromorph"), tj. tandemu amorfní křemík a-Si:H a mikrokrystalický křemík μc-Si:H.
Ve velmi tenkých vrstvách tohoto článku se zvýšení absorpce světla dosahuje využitím rozptylu světla na rozhraních s hrubostí desítek nanometrů a efektu zachycení světla (“light trapping”) v materiálech s vysokým indexem lomu. Pomocí metody Monte Carlo jsme vytvořili optický model článku umožňující kvantitativně (statisticky) určit osud každého fotonu, analyzovat ztráty ve slunečním článku, s cílem dosažení co největší účinnosti přeměny sluneční energie v energii elektrickou. Každý pokles tloušťky slunečního článku (při zachování účinnosti) pak znamená snížení ceny následkem nižší spotřeby materiálu, kratší doby deposice vrstvy a částečně i nižších nároků na kvalitu vrstvy.
Jsou to polovodiče typu chalkogenidů (t.j sloučeniny síry, selenu či teluru) prvků druhé skupiny periodické tabulky (kadmium) nebo kombinace prvků prvé (měď) a třetí skupiny (indium, galium). Nejznámějším takovým materiálem je CdTe nebo CuInSe2. Starší systém fotovoltaického článku n-typ CdS / p-typ CdTe je z důvodu toxicity kadmia nahrazován v současnosti nejperspektivnějším systémem CuInSe2, s případným dalším přidáním galia a síry.
Všechny tyto články používají heteropřechod mezi n-typovým průhledným materiálem (“okénko”) a slabě p-typovým materiálem (“absorbér” viditelného a části infračerveného záření). Toto je další trik jak zvýšit účinnost slunečního článku. Absorpce světla v těchto materiálech s tzv. přímými optickými přechody je velmi silná, stačí vrstva tloušťky několika mikrometrů. Polohu absorpční hrany lze optimalizovat změnou komposice materiálu.
Zatímco laboratorní články dosahují účinnosti až 18%, problémem je velkosériová reprodukovatelná deposice složitého systému Cu-In-Ga-Se-S pomocí “levných” technologií. Tyto tenkovrstvé články v současné době přicházejí do hromadné výroby v USA (Siemens Solar) s účinností fotovolatických panelů nad 12% [1,4].
Existuje množství alternativních materiálů, ať již anorganických či organických, zatím probádaných jen velmi málo. Technologie založené na velmi čistých polovodičích a realizované na investičně nákladných zařízeních nemusí představovat jedinou alternativu pro výrobu slunečních článků. Byly již navrženy, a v budoucnu bude navrženo i mnoho dalších způsobů výroby článků založených na levných technologiích a materiálech. Jako příklad uvedu návod z časopisu Solar Energy Materials and Solar Cells [6].
Průhledné elektrody slunečního článku jsou tvořeny sklem pokrytým tenkou vrstvou SnO2 či ZnO (připraveném za podmínek kdy vlastní defekty tvoří dárce elektronů v těchto průhledných polovodivých kysličnících a způsobují jejich dobrou elektrickou vodivost). Titanová běloba (nanokrystalický TiO2) je nanesená na jednu elektrodu, po sintraci na vzduchu při 450o C vznikne porézní vrstva, rozptylující světlo. Ta je zbarvena organickým barvivem, které můžeme například extrahovat z přírodních látek. Absorpce světla nastává v tomto barvivu. Elektrolyt je roztok jodidu draselného v etylenglykolu, druhou elektrodu tvoří grafit, nanesený opět na “vodivém skle”. Celá struktura je utěsněna proti ztrátě elektrolytu. Článek dává napětí asi 0,3-0,4 V a proud při slunečním osvětlení asi 1 mA/cm2. Za použití složitějších postupů je účinnost laboratorních článků až 10%.
Ještě levnější technologii pak představují fotovoltaické články z “plastických hmot” (organických polovodičů), jejich účinnost je však zatím jen několik procent.
Hlavní výrobci fotovoltaických článků jsou dnes součástí celosvětových společností, jako BP Solar (British Petrol), Shell Renewables, Siemens SolarCanon, Kaneka a Sharp. Nicméně výzkum, vývoj a pilotní produkce probíhá především na universitách, národních laboratořích a v malých spin-off společnostech. Detailní informace o výrobcích, o výzkumu a vývoji lze získat na internetu, nejdůležitější odkazy jsem uvedl v literatuře [7], první adresa pak obsahuje asi 100 odkazů na další výrobce a výzkumné laboratoře.
V České republice sluneční články z krystalického křemíku vyrábí společnost Solartec [8] ve spolupráci s firmou Trimex [9] z Rožnova pod Radhoštěm. Každá z nich je specializována na některé “hi-tech” operace a solární články jsou pak zapouzdřeny do slunečních panelů převážně v rámci mezinárodní kooperace.
Sluneční články začínají pronikat do každodenního života lidí ve vyspělých (bohatých) zemích. Setkávají se s nimi především ve školách a na veřejných budovách. Projekty domů se slunečními střechami v Německu, Nizozemí, USA a Japonsku se neustále rozšiřují. Největší okamžitá potřeba slunečních článků je ale v zemích rozvojových. Avšak sluneční články jsou zatím stále drahé, ti co je nejvíce potřebují (potenciální trh je obrovský) si je proto nemohou dovolit koupit, malosériová produkce drží ceny nahoře. Přitom současné výrobní kapacity jsou vytíženy na 100%, v Solartecu v Rožnově běží některé provozy 24 hodin denně, 7 dní v týdnu. Proto se v současné době připravují kapacity pro velkosériovou, plně automatizovanou výrobu slunečních článků a velkoplošných panelů.
V okamžiku překonání “cenové pasti” (díky technologickým inovacím, novým vědeckým poznatkům, budování velkovýrobních kapacit či politickým rozhodnutím jako v Německu) nastane explozívní nárůst fotovoltaické přeměny sluneční energie na celém světě. Čekáme tedy na takový okamžik, který v oblasti počítačů nastal v osmdesátých letech dvacátého století.
[1] Science 285 (30. července 1999), str.677-711
[2] Ch. Hof, Disertační práce, Neuchatel University, Švýcarsko 1999
[3] sborník z 2. světového kongresu Photovoltaic Solar Energy Conversion, Vídeň 1998
[4] Renewable Energy World 2 (November 1999) str.13-14
[5] D.M. Chapin, C.S. Fuller, G.L. Pearson, J. Appl. Phys. 25 (1954) 676
[6] G.P. Smestad, Solar Energy Materials and Solar Cells 55 (1998) 157-178
[7] další informace o fotovoltaice lze získat na internetu na adresách:
http://www.pv.unsw.edu.au
http://www.nrel.gov
http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics
[8] Solartec s.r.o., 1. máje 1000/M3, 75661 Rožnov pod Radhoštěm, http://www.solartec.cz
[9] Trimex s.r.o., 1. máje 1000/M2, 75661 Rožnov pod Radhoštěm
Autor článku: M. Vaněček, FZÚ AV ČR
Článek byl zaslán do Československého časopisu pro fyziku v srpnu 2000.
Copyright © 2008-2014, Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i.
