Moderní trendy ve fotovoltaice

Jiří Olejníček: Moderní trendy ve fotovoltaice

1

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 25th Street, Kearney, NE 68849, USA


2

Co to je solární energie?

Celkový zářivý výkon Slunce:

3,85·1023 kW

z toho na Zemi připadá:

0,000000046 %

což odpovídá výkonu:

1,744·1014 kW

Energetická hustota záření ve vzdálenosti 150 miliónů km:

1,37 kW/m2

Celkový výkon všech elektráren na světě: ~ 1·1010 kW

Pokrytí přibližně 1% světových pouští solárními panely s účinností 15% poskytne více elektrické energie než všechny současné elektrárny světa!


3

Absorpce světla v atmosféře

AM0 (air mass) - spektrum slunečního záření v kosmickém prostoru ve vzdálenosti 150 miliónů kilometrů od Slunce bez ovlivnění atmosférou. 1367 ±7 W/m2. (v grafu žlutě)

AM1.5 – modelové spektrum sluneč-ního záření po průchodu bezoblačnou atmosférou. Energetická hustota tohoto spektra je 1 kW/m2, v reálu ale silně závisí na průhlednosti atmosféry. Celkový teoreticky využitelný výkon slunečního záření tak odpovídá spektru AM1.5. (v grafu červeně)

AM1 - Pokud je slunce přímo v zenitu, ve výšce devadesáti stupňů, prochází sluneční záření nejmenší možnou vrstvou vzduchu. Takové spektrum se označuje jako AM1.


4

Mapa slunečního záření

Průměrný denní sluneční výkon [W/m2]


5

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%


6

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


7

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, elektron-díra, 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.


8

Fotovoltaický článek

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.


9

Fotovoltaický článek

Schéma a SEM snímek Si – článku. Schéma a SEM snímek CIGS – článku.


10

Účinnost fotovoltaických článků

Typ článku Účinnost

Organické polymery 6,5 %

Amorfní křemík – průmyslová výroba 8,2 %

CuInGaSe2 – průmyslová výroba 13,4 %

CuInSe2 – laboratorní články 14,1 %

Polykrystalický Si – průmyslová výroba ~ 16 %

CuInAlSe2 – laboratorní články 16,9 %

CuInGaSe2 – laboratorní články 19,5 %

Si monokrystal – laboratorní články 26,8 %

GaInP/GaAs/Ge – vícepřechodové články 42,8 %


11

Požadavky na moderní články

vysoká účinnost (řádově alespoň 20 %)

jednoduchý výrobní proces umožňující vyrábět relativně velké panely

nízká cena použitého materiálu

dlouhá životnost (dnes kolem 30 let)

Nízká cena vyrobené energie


12

Solární články na bázi CuInSe2

Účinnost Zakázaný pás Poměr X/(In+X)

CuInSe2 (CIS) 14,1% 1,04 eV 0,00

CuIn1-xGaxSe2 (CIGS) 19,5% 1,14 eV 0,26

CuIn1-xAlxSe2 (CIAS) 16,9% 1,15 eV 0,13

CuIn1-xBxSe2 (CIBS) ? ? ?


13

Výroba článků Cu(InX)Se2

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


14


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)


15


Grafitový kontejner. Vzorky CuInB. Různé barvy odpovídají různým poměrům B/In.

Infračervená vakuová pec.

Selentt = 221°C

Teplotní profil selenizačního procesu


16

Růst vrstev Cu(InX)Se2

CuInB před selenizací

300250 µm

CIBS (250°C, 20 min) CIBS (300°C, 20 min)

CIBS (380°C, 20 min) CIBS (480°C, 20 min) CIBS (580°C, 20 min)

300250 µm 300250 µm

300250 µm 300250 µm 300250 µm


17

Analýza vrstev – rentgenová difrakce

Model krystalu chalkopyritu CuIn(X)Se2 a pohled na plochu (112)Se – velké bílé kouleIn – malé bílé kouleCu – malé černé koule

300250 µm

Krystalky CuInSe2


18

Rentgenová difrakce

CuInSe2CuGaSe2

CuAlSe2

CuBSe2


19

Ramanova spektroskopieRamanova 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.


20

Auger electron spectroscopy

… 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.

Cu

Se

B

Mo

In

Energie vyraženého elektronu:

EA=(EK-EL1)-EL2,3


21

Výsledky a závěr• Ukazuje se, že výroba solárních článků s absorpční vrstvou CuInBSe2 bude výrazně komplikovanější než se očekávalo.

• V současné době probíhají v laboratořích UNL experimenty s magnetronovou depozicí CuInB 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%.

Documents

Moderní trendy ve fotovoltaice