Solární články a panely stále bojují se stejnými problémy a těmi jsou hmotnost, účinnost a cena. Všechny polovodičové křemíkové solární články jsou totiž již z principu dost náročné na výrobu a tedy i drahé. To by ani tak nevadilo, kdyby měly velkou účinnost, tedy vysokou hodnotu výkon/cena. To bohužel však stále neplatí. Navíc monokrystalické články, které mají účinnost největší (20 až 30%), jsou však také nejtěžší a zároveň není možné na základě jejich struktury je vyrábět jako ohebné. Tím jsou méně praktické a často to velmi omezuje jejich použití.

Dnes asi marketingově nejpopulárnější amorfní články se sice dají vyrobit jako lehké a mohou být i velmi ohebné, ale zase jejich účinnost je zhruba poloviční (10 až 20 %) než u monokrystalických. Parametr výkon/cena či použití/cena je opět špatný. Když se nedaří zvýšit účinnost, tak dalším řešením je snížení ceny. Toho je však možné dosáhnout jen levnou výrobou a tedy zkonstruovat solární články z levného materiálu snadno zpracovatelného. Těmi jsou polovodivé polymery, které se již využívají pro polymerové LED diody. Bohužel jejich nevýhoda je dosud velmi malá účinnost, která se však díky vývoji stále zvyšuje. Články v současné době dosáhly v laboratorních podmínkách účinnosti 6,5 % (tým vědců pod vedením profesora Alana Heegera z Kalifornské univerzity v Santa Barbaře), přičemž v roce 2005 to bylo jen okolo 3%. Stále je to sice dost málo, ale vzhledem k tomu, že výroba je levná, bude dosaženo nižší ceny za kilowatt výkonu než u článků s vyšší účinností. Konkrétní ceny ani přesné srovnání se stávajícími technologiemi nejsou zatím k dispozici.

Polymerové solární články - hudba budoucnosti

Polymerové solární články se mají podle některých vizionářů v budoucnu stát hlavním zdrojem elektrické energie ve 21. století. Organické fotovoltaické materiály (Organic photovoltaic material) jsou potenciálně velmi levné, protože jejich organické molekuly jsou rozpustitelné a mohou tak být tisknuty nebo nastříkány. Tyto techniky je možné použít i při nízkých výrobních teplotách, což znamená, že mohou být "tištěny" na pružný plastikový substrát. Byla již prakticky vyzkoušena metoda vakuového nastříkání polymerů pro levnou výrobu polymerových solárních článků.

Polymerové solární články tedy nabízejí výhody v podobě jednoduchého řešení zpracování a mechanické flexibility, ale stále potřebují další výzkum pro potřeby zvýšení účinnosti a životnosti. Polymerové články v sobě uplatňují 3 následující principy, jejichž funkci je však v budoucnu nutné dále vylepšit:

• pohlcení (absorpci) světla
• oddělení fotoindukovaného náboje
• přenos a sběr světlem generovaných nosičů náboje

Princip solárních článků z organických polymerů

Objemový heteropřechod (BHJ) tyto negativní vlastnosti odstraňuje. V BHJ jsou donorové a akceptorové materiály "smíchané" dohromady a pracují jako směs, kde jsou obě složky fázově separované - viz obrázek vedle a níže. Oblasti každého materiálu jsou pak vzdáleny jen několik nanometrů, což je optimální pro krátkou difusní délku nosičů náboje. Volbou materiálů BHJ, rozpouštědla a poměru donorů a akceptorů lze velmi ovlivnit celkovou funkci struktury BHJ a tím jí i optimalizovat.

Struktura základního polymerového článku

Na základě výše popsané architektury aktivní vrstvy je základní jednoduchá struktura polymerového článku následující:

• Neprůhledná hliníková (Al) elektroda - katoda
• Aktivní polovodičový polymer: např. MEH-PPV
• Průhledná elektroda ITO (Indium Tin Oxide) - anoda
• Nosná podložka: sklo pro pevné články nebo PET (Polyethylene terephthalate) pro pružné články

Mimo podložky se tedy každý polymerový solární článek skládá minimálně ze tří částí: svrchní transparentní vodivé elektrody, polovodičového polymeru a spodní kovové elektrody. V praxi jich však může být i více, ale o tom až dále. Pro svrchní elektrodu se obvykle využívá průhledný ITO (indium-tin oxide) napařený na skle, což je nejjednodušší konfigurace, ale je snaha místo ITO použít vodivý polymer (např. PEDOT:PSS, PH500 nebo kombinace obojího) umístěný na PET podložce. To by se snadněji vyrábělo, ale zase se takto dosahuje o cca 1 % horší účinnosti než s ITO. Pro spodní elektrodu se obvykle využívá tepelně napařený hliník, ale bylo zkoušeno i zlato. Jako hlavní aktivní složka, tedy světlo absorbující polovodivý polymer, byly zkoušeny MEH-PPV a P3HT-PCBM, případně směs MEH-PPV a fullerenu C60, což jsou sférické struktury (molekuly) tvořené atomy uhlík u (C60 = 60 % uhlíku) jejichž rozměr je asi 0,7 nm. Fulleren vylepšuje a urychluje přenos elektronů. Jen pro zajímavost. Zkratka MEH-PPV znamená poly[2-methoxy-5-(2’-ethyl-hexyloxy) phenylene vinylene.

Tandemová struktura polymerového článku

Nevýhodou výše uvedené jednoduché struktury, která se až na polymer podobná strukturám polovodičových solárních článků, je spektrální citlivost. Zatím nebyl vynalezen takový polymer, aby byl schopen převádět na elektrickou energii široké spektrum světla (záření), včetně záření z ultrafialového nebo infračerveného spektra (vlnových délek). To výrazně snižuje účinnost polymerových solárních článků.

Současný nejúčinnější článek, vyrobený z polovodivého polymeru a molekul fullerenu, je fakticky složen ze dvou podčlánků umístěných nad sebou v takzvaném tandemovém uspořádání. Oba články jsou odděleny vrstvou oxidu titanu TiO(x) (titanium oxide), která plní několik úloh. Slouží jako mezivrstva pro navázání různých druhů materiálů obou článků, které mají odlišné chemické vlastnosti a jako sběrací a transportní vrstva pro elektrony. Zároveň zabraňuje průchodu děr. Vrstva oxidu titanu je opticky polopropustná a její optické parametry (zejména koeficient odrazu) se volí tak, aby se v jednotlivých článcích absorbovalo optimální množství fotonů. Každý z dvojice článků je tedy citlivý na jinou část spektra slunečního záření (mají rozdílnou absorpční charakteristiku). Aktivní materiály (polymery) tvoří sloučeniny P3HT a PCPDTBT. Zatímco P3HT pokrývá podstatnou část viditelného spektra, PCPDTBT absorbuje nejvíce infračervené oblasti a ultrafialové oblasti blízké viditelnému spektru. Tyto materiály však samy o sobě nedokáží přeměnit sluneční záření na elektrickou energii. Ke konverzi energie dochází v okolí heteropřechodů vytvořených sloučeninami P3HT:PC70BM pro viditelné spektrum a PCPDTBT:PCBM pro blízkou infračervenou a ultrafialovou oblast vlnových délek.

Většina současných vyráběných tandemových článků má v horní vrstvě materiál s větší šířkou zakázaného pásu než je materiál ve vrstvě spodní. V horní vrstvě se tak absorbují fotony kratších vlnových délek, zatímco fotony s větší vlnovou délkou jí projdou a absorbují se až ve spodní vrstvě. Tím se dosahuje vyšší účinnosti, protože se absorbuje větší rozsah dopadajícího záření (světla). Navíc obě vrstvy (oba články) v tandemové struktuře mají podobnou voltampérovou charakteristiku, což je důležité pro celkovou VA charakteristiku solárního článku. Toto uspořádání je sice jednodušší na výrobu, ale bohužel v důsledku velké tloušťky horní vrstvy zde dochází ke značnému útlumu infračerveného záření, která se má zachytávat až tou vrstvou spodní. Celý článek tak logicky má nižší účinnost. Proto v případě nejnovějšího článku vyvinutého na Kalifornské univerzitě s účinností přes 6% při ozáření 200 mW/mm2 bylo nutno použít inverzního uspořádání, to znamená, že článek s větší šířkou zakázaného pásu je umístěn na spodní straně.

Polymerový článek na PET podložce

Pokud jste pozorněji prohlíželi výše uvedené struktury článků, bylo možné si všimnout, že všechny mají skleněnou podložku. Cílem je však používat nějaký pružný, levný a snadno dostupný nosný materiál, například PET. Na něj však není snadné implementovat ITO elektrodu jako průhlednou anodu. Navíc je cílem realizovat solární článek jako kompletně polymerový, který lze snadno nanášet, což by technologicky zjednodušilo celý výrobní proces. Bohužel však zatím polymerová náhrada ITO elektrody, například vodivými polymery PEDOT:PSS nebo PH500, způsobuje snížení již tak dost malé účinnosti solárního článku.

Zlepšení bylo dosaženo použitím dvouvrstvy složené z nízkovodivostního polymeru PEDOT-EL pracující jako buffer mezi aktivní vrstvou článku a vodivým polymerem PH500, což výrazně zlepšilo účinnost a hladkost anody. Dalším cílem výzkumu je polymerové provedení i katodové elektrody.

Závěr

Polymerové solární články mají velkou naději se stát velkým hitem. Pokud půjde jejich vývoj stejným tempem jako dosud, za pár let účinností dohoní pružné amorfní křemíkové články a budou již plně použitelné pro napájení zařízení. Pokud se navíc potvrdí i levná výroba, mohlo by konečně dojít k jejich masovému rozšíření.

Mimo zde uvedené struktury a materiály se zkouší i další, jako objemové heterostruktrované hybridní polymerové solární články vyrobené ze směsi ZnO nanočástic a konjugovaného polymeru v provedení tenkého filmu. Účinnost tohoto nového typu solárních článků reprezentuje čtyřnásobné zlepšení dosud existujících hybridních solárních článků založených na oxidu kovu a jsou podobné těm založeným na kadmiových selenidech.

DOWNLOAD & Odkazy

• Webové stránky společnosti PowerFilm Inc. - www.powerfilmsolar.com
• Somboon Sahasithiwat, Laongdao Menbangpung, Suparerk Aukkaravittayapan a Chanchana Thanachayanont: "Fabrication of Polymer Solar Cells at MTEC"
• Osamu Yoshikawa, Taro Sonobe, Takashi Sagawa, Susumu Yoshikawa: "Improved Efficiency in P3HT/PCBM Polymer Solar Cell by Microwave Irradiation"
• Jin Young Kim, Kwanghee Lee, Nelson E. Coates, Daniel Moses, Thuc-Quyen Nguyen, Mark Dante, Alan J. Heeger: "Efficient Tandem Polymer Solar Cells Fabricated by All-Solution Processing", Science. 2007 Jul 13
• Waldo J. E. Beek, Martijn M. Wienk a Ren A. J. Janssen: "Hybrid polymer solar cells based on zinc oxide"
• Kristofer Tvingstedt a Olle Inganas: "Flexible, cost-efficient polymer solar cells for low-performance photovoltaics"
• Hank Hogan: "Flexible Connections for Flexible Solar Cells", Applied Physics Letters, June 13, 2008

• Článek "Solární články & panely Uni-Solar a EVALON-Solar" na serveru automatizace.HW.cz
• Článek "Monokrystalické solární články & panely SUNSET v ČR" na serveru automatizace.HW.cz
• Další články týkající se senzorů na serveru automatizace.HW.cz