Modern trendy ve fotovoltaice RNDr Ji Olejnek Ph

Moderní trendy ve fotovoltaice RNDr. Jiří Olejníček, Ph. D. Fyzikální ústav AVČR, Na Slovance 2, Praha 8, 182 21, Česká republika University of Nebraska at Kearney, 905 W 25 th Street, Kearney, NE 68849, USA Jiří Olejníček: Moderní trendy ve fotovoltaice 1

Co to je solární energie? Celkový zářivý výkon Slunce: 3, 85· 1023 k. W z toho na Zemi připadá: 0, 000000046 % což odpovídá výkonu: 1, 744· 1014 k. W Energetická hustota záření ve vzdálenosti 150 miliónů km: 1, 37 k. W/m 2 Celkový výkon všech elektráren na světě: ~ 1· 1010 k. W Pokrytí přibližně 1% světových pouští solárními panely s účinností 15% poskytne více elektrické energie než všechny současné elektrárny světa! Jiří Olejníček: Moderní trendy ve fotovoltaice 2

Absorpce světla v atmosféře AM 0 (air mass) - spektrum slunečního záření v kosmickém prostoru ve vzdálenosti 150 miliónů kilometrů od Slunce bez ovlivnění atmosférou. 1367 ± 7 W/m 2. (v grafu žlutě) AM 1. 5 – modelové spektrum slunečního záření po průchodu bezoblačnou atmosférou. Energetická hustota tohoto spektra je 1 k. W/m 2, v reálu ale silně závisí na průhlednosti atmosféry. Celkový teoreticky využitelný výkon slunečního záření tak odpovídá spektru AM 1. 5. (v grafu červeně) AM 1 - Pokud je slunce přímo v zenitu, ve výšce devadesáti stupňů, prochází sluneční záření nejmenší možnou vrstvou vzduchu. Takové spektrum se označuje jako AM 1. Jiří Olejníček: Moderní trendy ve fotovoltaice 3

Mapa slunečního záření Průměrný denní sluneční výkon [W/m 2] Jiří Olejníček: Moderní trendy ve fotovoltaice 4

Využití solární energie ve světě Stát MWp Podíl 1 Německo 403, 7 45% 2 Španělsko 245, 4 28% 3 USA 141, 3 16% 4 Itálie 16, 9 2% 5 Japonsko 16, 5 2% 6 Korea 13, 3 <2% 7 Portugalsko 11, 8 <2% 8 Nizozemí 9, 0 1% 9 Švýcarsko 5, 1 <1% 10 Belgie 2, 9 <1% 11 Austrálie 2, 2 <1% 12 Čína 1, 7 <1% 13 Rakousko 1, 5 <1% 14 Česká republika 1, 4 <1% 15 Filipíny 1, 1 <1% Jiří Olejníček: Moderní trendy ve fotovoltaice 5

Největší solární elektrárny na světě Místo (Stát) MWp Rok 1 Jumilla (Španělsko) 20 2007 2 Beneixama (Španělsko) 20 2007 3 Nellis, NV (USA) 14 2007 4 Salamanca (Španělsko) 13, 8 2007 5 Lobosillo (Španělsko) 12, 7 2007 6 Erlasee (Německo) 12 2006 7 Serpa (Portugalsko) 11 2007 8 Brandis (Německo) 10, 4 2007 9 Pocking (Německo) 10 2006 10 Milagro (Španělsko) 10 2006 ? ? Bušanovice (ČR) 1, 36 2007 Jiří Olejníček: Moderní trendy ve fotovoltaice 6

Princip sluneční elektrárny Přímá přeměna využívá fotovoltaického jevu objeveného roku 1839 Alexandrem Edmondem Becquerelem. Vzájemným působením slunečního záření a hmoty dochází k pohlcování fotonů a uvolňování elektronů, v polovodiči pak vznikají volné elektrické náboje, elektrondíra, které jsou už jako elektrická energie odváděny ze solárního článku přes regulátor dobíjení do akumulátoru nebo ke spotřebiči. Fotovoltaika patří k nejperspektivnějším alternativním zdrojům energie. Očekává se, že během relativně krátké doby budou fotovoltaické panely vyrábět dvacetinu až desetinu celosvětové potřeby elektřiny. Nepřímá přeměna je založena na získání tepla pomocí slunečních sběračů. V ohnisku sběračů bývají umístěny absorbéry obsahující olej, ze kterého se ve výměníku získává horká pára, která pak pohání turbínu. Jiné uspořádání využívá termočlánky, které mění teplo v elektřinu. Termoelektrická přeměna spočívá na tzv. Seebeckově jevu (v obvodu ze dvou různých drátů vzniká elektrický proud, pokud jejich spoje mají různou teplotu). Je možné též využít chemickou energii a pomocí záření rozkládat vodu na vodík a kyslík. Tím se původní energie záření uskladní jako energie chemická do obou plynů. Jiří Olejníček: Moderní trendy ve fotovoltaice 7

Fotovoltaický článek je v velkoplošná polovodičová dioda, na jejíž přechod PN může dopadat světlo. Základem je plátek krystalického křemíku typu P (s příměsí bóru). Na spodní straně se difuzí fosforu nebo arsenu vytvoří vrstva polovodiče typu N. Mezi oběma vrstvami vznikne přechod PN, zabraňující volnému přechodu elektronů z místa jejich nadbytku do místa jejich nedostatku. Na přechodu PN se vytvoří elektrická bariéra. Základní vlastností přechodu PN je, že volné elektrony mohou snadno přecházet z vrstvy P do vrstvy N, zatímco v opačném směru nikoli. Jiří Olejníček: Moderní trendy ve fotovoltaice 8

Fotovoltaický článek Schéma a SEM snímek Si – článku. Schéma a SEM snímek CIGS – článku. Jiří Olejníček: Moderní trendy ve fotovoltaice 9

Účinnost fotovoltaických článků Typ článku Účinnost Organické polymery 6, 5 % Amorfní křemík – průmyslová výroba 8, 2 % Cu. In. Ga. Se 2 – průmyslová výroba 13, 4 % Cu. In. Se 2 – laboratorní články 14, 1 % Polykrystalický Si – průmyslová výroba ~ 16 % Cu. In. Al. Se 2 – laboratorní články 16, 9 % Cu. In. Ga. Se 2 – laboratorní články 19, 5 % Si monokrystal – laboratorní články 26, 8 % Ga. In. P/Ga. As/Ge – vícepřechodové články 42, 8 % Jiří Olejníček: Moderní trendy ve fotovoltaice 10

Požadavky na moderní články ü vysoká účinnost (řádově alespoň 20 %) ü jednoduchý výrobní proces umožňující vyrábět relativně velké panely ü nízká cena použitého materiálu ü dlouhá životnost (dnes kolem 30 let) Nízká cena vyrobené energie Jiří Olejníček: Moderní trendy ve fotovoltaice 11

Solární články na bázi Cu. In. Se 2 Účinnost Zakázaný pás Poměr X/(In+X) Cu. In. Se 2 (CIS) 14, 1% 1, 04 e. V 0, 00 Cu. In 1 -x. Gax. Se 2 (CIGS) 19, 5% 1, 14 e. V 0, 26 Cu. In 1 -x. Alx. Se 2 (CIAS) 16, 9% 1, 15 e. V 0, 13 Cu. In 1 -x. Bx. Se 2 (CIBS) ? ? ? Jiří Olejníček: Moderní trendy ve fotovoltaice 12

Výroba článků Cu(In. X)Se 2 Magnetronové naprašování: • AJA International ATC 1600 Sputtering System • skleněný substrát pokrytý tenkou vrstvou Mo jako spodní kontakt • tři nezávislé targety vyrobené z Cu, In a Ga (Al, B) • Cu, In, Ga, Al – DC rozprašování • B – RF rozprašování • tlak: 1· 104 Pa • výsledné vzorky 400 - 600 nm Jiří Olejníček: Moderní trendy ve fotovoltaice 13

Výroba článků Cu(In. X)Se 2 Selenizace: • vakuová selenizační aparatura s infračervenou pecí • dvoufázový selenizační proces: 1. vlastní selenize vzorku 2. žíhání vzorku • celkový čas: ~ 60 min • tlak: ~ 1 Pa případně 1 Atm. Ar (žíhání) • teplota: 250°C (selenizace) 500°C (žíhání) Jiří Olejníček: Moderní trendy ve fotovoltaice 14

Výroba článků Cu(In. X)Se 2 Grafitový kontejner. Vzorky Cu. In. B. Různé barvy odpovídají různým poměrům B/In. Infračervená vakuová pec. Selen tt = 221°C Teplotní profil selenizačního procesu Jiří Olejníček: Moderní trendy ve fotovoltaice 15

Růst vrstev Cu(In. X)Se 2 300 250 µm Cu. In. B před selenizací CIBS (250°C, 20 min) CIBS (300°C, 20 min) 300 250 µm CIBS (380°C, 20 min) CIBS (480°C, 20 min) CIBS (580°C, 20 min) Jiří Olejníček: Moderní trendy ve fotovoltaice 16

Analýza vrstev – rentgenová difrakce Model krystalu chalkopyritu Cu. In(X)Se 2 a pohled na plochu (112) Se – velké bílé koule In – malé bílé koule Cu – malé černé koule Krystalky Cu. In. Se 2 300 250 µm Jiří Olejníček: Moderní trendy ve fotovoltaice 17

Rentgenová difrakce Cu. In. Se 2 Cu. Ga. Se 2 Cu. Al. Se 2 Cu. BSe 2 Jiří Olejníček: Moderní trendy ve fotovoltaice 18

Ramanova spektroskopie je spektroskopická metoda měřící spektrum elektromagnetického záření rozptýleného díky Ramanově jevu. Ramanův jev (neelastický rozptyl) způsobuje, že rozptýlené záření má nepatrně odlišnou vlnovou délku od vstupujícího záření díky účasti vibračních přechodů v energetických stavech molekuly. Ramanova spektroskopie poskytuje informace o struktuře a prostorovém uspořádání molekuly a poskytuje v zásadě doplňkové informace k IR spektroskopii. Jiří Olejníček: Moderní trendy ve fotovoltaice 19

Auger electron spectroscopy Cu Se In B Mo Energie vyraženého elektronu: … je metoda studia povrchu vzorků měřením energetického spektra elektronů vyražených z vnitřních orbit atomu. K vyražení elektronů se používá paprsku vysokoenergetických elektronů. Podle energetického spektra emitovaných elektronů lze charakterizovat příslušný atom. Jiří Olejníček: Moderní trendy ve fotovoltaice EA=(EK-EL 1)-EL 2, 3 20

Výsledky a závěr • Ukazuje se, že výroba solárních článků s absorpční vrstvou Cu. In. BSe 2 bude výrazně komplikovanější než se očekávalo. • V současné době probíhají v laboratořích UNL experimenty s magnetronovou depozicí Cu. In. B přímo v přítomnosti selenových par. • Zároveň probíhá v mnoha světových laboratořích intenzivní výzkum křemíkových solárních článků. • Jako velmi perspektivní se jeví fotovoltaické články z organických polymerů. Od roku 2005 se podařilo jejich účinnost více jak zdvojnásobit z 3% na současných 6, 5%. Jiří Olejníček: Moderní trendy ve fotovoltaice 21