Fotovoltaika druhé a třetí generace

ÚVOD

V dlouhodobé perspektivě je využití sluneční energie jediným zdrojem schopným pokrýt očekávaný nárůst spotřeby energie lidskou civilizací v řádu desítek terawattů. Sluneční energetika přitom nevede k emisím skleníkových plynů a nehrozí u ní vyčerpání zdrojů [1]. Ačkoliv současný podíl fotovoltaiky (FV) na produkci energie je zanedbatelný (< 0,1% spotřeby elektrické energie), fotovoltaický průmysl roste exponencielně a může dosáhnout během několika desetiletí významného podílu. Existují realistické scénáře [2], které směřují k celkovému instalovanému FV výkonu ~ 75 TWp v roce 2065, které jsou založeny na již známých technických řešeních. Tento výkon odpovídá FV instalaci s 15% účinností na ploše 0,5 mil. km², tedy asi 0,8 % plochy souší. Součástí prognózy je zhodnocení dostupnosti materiálů a zdá se, že v cestě nestojí žádné nepřekonatelné překážky. Očekávané nárůsty produkce surovin jsou zvládnutelné (např. skla na desetinásobek současné roční produkce nebo stonásobný nárůst výroby křemíku).

Obr. 1 - Učební křivka výroby FV článků [1].

Scénář tedy předpokládá především využití klasických článků z křemíkových desek s P-N přechodem. Tyto články tvoří přes 95 % současné produkce FV průmyslu a jejich cena se řídí učební křivkou s koeficientem g ~ 0,8 [3], tj. při zdvojnásobení výroby kapacity články zlevní o 20 % (Obr. 1). Není jisté, jak tato křivka bude pokračovat při růstu výroby o 30 - 40 % ročně jako v posledních 5 letech. FV se stala největším odběratelem zdrojového polykrystalického křemíku již před 2 roky a přibližně od té doby jeho cena začala poměrně prudce růst (Obr. 2). Tento vývoj jen zdůraznil potřebu dalšího základního výzkumu v oblasti nových materiálů a struktur pro FV, který je často charakterizován pomocí tří generací FV článků (Obr. 3) [3].

Obr. 2 - Vývoj kilogramové ceny zdrojového polykrystalického křemíku [Solarbuzz].

Křemíkové deskové články jsou označovány za články první generace. Dosahují vysokých účinností FV přeměny, blížících se 20%, a díky náročné výrobě jsou poměrně drahé (300 - 500 USD/m²). Prakticky důležitý je podíl ceny na Wp instalovaného výkonu, který u nich dosahuje 3,5 USD/Wp.

Obr. 3 - 30.8.2006Tři generace fotovoltaiky [3].

Menší potřeba drahého vstupního materiálu byla motivem pro druhou generaci článků založených na tenkých vrstvách. Hlavní představitelé druhé generace jsou články založené na tenkých vrstvách amorfního nebo mikrokrystalického křemíku, které na jednotku výkonu vyžadují až stokrát méně křemíku než deskové články. Dosahované účinnosti FV přeměny jsou ale podstatně nižší (typicky pod 10%) a náklady na instalovanou jednotku výkonu se od deskových článků prakticky neliší. Proto podíl tenkovrstvých článků na FV produkci během posledních let klesl pod 5%. V obr. 3 jsou navíc znázorněny svislou čarou náklady na zbytek systému, které závisí pouze na ploše a které vedou k dolní hranici FV přeměny pro praktické uplatnění.

V současné době se hovoří o třetí generaci článků, která směřuje k využití odlišných fyzikálních principů s cílem dosáhnout účinností nad Shockley-Queisserovu hranicí.

Je třeba říci, že pokrok FV se neřídí touto klasifikací a už vůbec ne pořadovými čísly generací. Vysoká cena zdrojového křemíku přiměla výrobce klasických článků z krystalického křemíku ke ztenčování desek a k významnému rozvoji alternativních technologií bez nutnosti řezání křemíkových ingotů jako např. destičky extrudované skrz štěrbinu (EFG Shott Solar) nebo vytahované z taveniny mezi dvěma strunami (Evergreen Solar). Zajímavou alternativou jsou články z křemíkových kuliček vznikajících žíháním polykrystalických zrn (Spheral Solar). Objevují se i nové přístupy, např. využití starého receptu na směrové leptání [5] vedlo k novému způsobu dělení ingotů na tenké pásky (50 μm x 2 mm x 10 cm) nazývané Sliver cells, které by mohly dosahovat stejné doby energetické návratnosti jako tenkovrstvé články.

DRUHÁ GENERACE

Až stokrát menší množství křemíku v tenkovrstvých článcích by mělo vést k cenové výhodě, nicméně potřebné vakuové technologie jsou drahé a při daných objemech výroby tenkovrstvé články v soutěži s deskovými články zaostávají. Vývoj směřuje ke zvýšení depoziční rychlosti v_D na hodnoty okolo 10 nm/s, které jsou dosažitelné v tzv. vysokotlakém ochuzeném režimu (HPD), kde současné zvýšení tlaku reaktivní atmosféry a výkonu dovoluje zachovat elektronickou kvalitu vrstev [6]. Zvýšení tlaku může pokračovat až k atmosférickému tlaku, pokud se upraví depoziční systém [7], a takto již byly připraveny vrstvy s vysokou kvalitou při v_D ~ 100 nm/s [8].

Obr. 4 - TEM mikrostruktura křemíkové vrstvy připravené z kapalného
křemíkového prekurzoru po vyžíhání excimerovým laserem [9].

I depozice při atmosférickém tlaku nicméně vyžaduje čerpací systémy. Zcela nedávno [9] byl nalezen postup, jak nanášet vrstvy křemíkového prekurzoru cyklopentasilanu z roztoku, které pak lze následným žíháním převést na kvalitní amorfní nebo polykrystalický křemík. Pokud by tento postup vedl k praktickým slunečním článkům, znamenal by zcela jistě zlom v oboru.

TŘETÍ GENERACE

Třetí generace slunečních článků vlastně neexistuje, spíše je třeba tento pojem považovat za plán dalšího výzkumu směřujícího k překročení Shockley-Queisserovy hranice omezující účinnost FV přeměny. Podstatou omezení je předpoklad, že 1 foton vytváří 1 využitelný exciton o energii rovné zakázanému pásu a přebytečná energie se mění na teplo.

Existuje řada směrů, kterým je ve výzkumu věnována pozornost:

• tandemové tenkovrstvé články
• články s vícenásobnými pásy
• články, které by využívaly "horké" nosiče náboje pro generaci více párů elektronů a děr
• termofotovoltaická přeměna, kde absorbér je současně i radiátorem vyzařujícím selektivně na jedné energii
• termofotonická přeměna, kde absorbér je nahrazen elektroluminiscencí
• články využívají kvantových jevů v kvantových tečkách nebo kvantových jamách
• prostorově strukturované články vznikající samoorganizací při růstu aktivní vrstvy
• organické články

a snad je prostor otevřen i pro hledání zatím neznámých nápadů.

Nicméně prakticky jediný fungující přístup ke třetí generaci fotovoltaiky jsou tandemové články. Pokusy o experimentální realizaci článků s vícenásobnými pásy byly zklamáním a možné zvýšení účinnosti díky "horkým" nosičům v křemíku je zřejmě malé [4]. Ostatně i návrhy nových článků s polovodičovými nanokrystaly (viz obr. 5) využívají tandemové architektury [10].

Obr. 5 - Schéma trojitého tandemového článku využívajícího
nanočástice v nitridové matrici [10].

Naděje se vkládají do organických článků, které byly tématem jiných příspěvků na této konferenci, ale i pro ně je hlavní motivací možnost levné výroby, ne vysoké účinnosti.

K prolomení Shockley-Queisserovy hranice tedy potřebujeme nový objev jako např. nedávný experimentální důkaz násobení náboje v polovodičových nanokrystalech [12]. V systému CdS nebo CdSe byly pozorovány kvantové výtěžky až 700%, tedy z jednoho fotonu vznikalo až 7 excitonů, a přitom se využilo 90% energie fotonu. Provedený experiment byl nicméně čistě optický a neznamená to, že vzniklé excitony lze odvést k elektrodám a využít pro FV přeměnu, v každém případě je ale překvapivý.

ZÁVĚR

Fotovoltaika je již etablovaným průmyslovým odvětvím, které se postupně zbavuje závislosti na dotační podpoře. Dominantní technologií je výroba deskových křemíkových článků, ale nedostatek křemíku vedl k obnovenému zájmu o tenkovrstvé materiály. Současně pokračuje intenzivní hledání nových přístupů, které by dovolily dosáhnout vyšších účinností.

PODĚKOVÁNÍ

Tento příspěvek byl vypracován s podporou výzkumného záměru AV0Z 10100521, projektu SN /3/172/05 a výzkumného centra LC06040.

Tento příspěvek byl prezentován v rámci 2. české fotovoltaické konference.

ODKAZY

[1] Basic Research Needs for Solar Cell Utilization, Report of the Basic Energy Sciences Workshop on Solar Energy Utilization, Department of Energy, Office of Science.
[2] National Renewable Energy Laboratory PV FAQ, DOE/GO-102005-2113, 2005.
[3] M. A. Green: Third Generation Photovoltaics, Springer 2003.
[4] J. Werner: Second and Third Generation Photovoltaics - Dreams and Reality, Adv. Solid State Physics, Vol. 44, Springer 2004.
[5] D. L. Kendall: On etching very narrow grooves in silicon, Appl. Phys. Lett. 26 (1975) 195
[6] A. Matsuda: Thin-Film Silicon - Growth process and Solar Cell Application, Jap. J. Appl. Phys. 43 (2004) 7909.
[7] Y Mori, H Kakiuchi, K Yoshii, K Yasutake and H Ohmi: Characterization of hydrogenated amorphous Si1-xCx films prepared at extremely high rates using very high frequency plasma at atmospheric pressure J. Phys. D: Appl. Phys. 36 (2003) 3057-3063.
[8] H. Kakiuchi, M. Matsumoto, Y. Ebata, H. Ohmi, K. Yasutake, K. Yoshii, Y. Mori: Characterization of intrinsic amorphous silicon layers for solar cells prepared at extremely high rates by atmospheric pressure plasma chemical vapor deposition, J. Non-Crystalline Solids 351 (2005) 741-747
[9] Tatsuya Shimoda, Yasuo Matsuki, Masahiro Furusawa, Takashi Aoki, Ichio Yudasaka, Hideki Tanaka, Haruo Iwasawa, Daohai Wang, Masami Miyasaka & Yasumasa Takeuchi: Solution-processed silicon films and transistors, Nature Materials, Vol 440/6, April 2006.
[10] G. Scardera, T. Puzzer, D. McGrouther, E. Pink, T. Fangsuwannarak, G. Conibeer, M. A. Green: Investigating Large Area Fabrication of Silicon Quantum Dots in a Nitride Matrix for Photovoltaic Applications, Proc. WCPEC-4, Hawaii 2006.
[11] Ji Ung Lee: Photovoltaic effect in ideal carbon nanotube diodes, Appl. Phys. Lett. 87 (2005) 073101.
[12] R. D. Schaller, M. Sykora, J. M. Pietryga, V. I. Klimov: Seven Excitons at a Cost of One: Redefining the Limits for Conversion Efficiency of Photons into Charge Carriers, NanoLetters 6 (2006) 424 - 429.