Jste zde

Zvýšení účinnosti solárních článků = lepší absorpce světla s nanotrubicemi

Antonín Vojáček, 16. Květen 2009 - 22:13

U solárních článků je neustále diskutovanou otázkou jejich účinnost. V praxi však nejde jen o vysokou schopnost přeměny fotonů na elektrický proud. Neméně důležité jsou i svrchní vrstvy, které stojí dopadajícímu záření v cestě. Zde je nutné zajistit minimální odraz a maximální prostupnost / průhlednost. To nejlépe dovedou nové nanovrstvy tvořené z nanotrubic. O nich se více dozvíte v tomto článku.

Zvýšení účinnosti solárních článků a panelů. Stále znova a znova omývané téma a neustále v zájmu různých společností a vědců. Současně vyráběné solární články mají účinnost od 10 % (ohebné amorfní články) do cca 25 % (tuhé monokrystalické články), přičemž budoucnost se připisuje levným polymerových článkům s účinnosti zatím jen cca 6 % nebo nejnověji tzv. barvivových článkům s laboratorní účinností blížící se 20 %.

Jenže ke kýženému zvýšení účinnosti přeměny světla na elektrickou energii vedou dvě cesty:

  • Zvýšení účinnosti přeměny fotonů na elektrický proud
  • Zvýšení absorpce světla tělem solárních článků

A dle mého názoru v budoucnu vyhraje ten, který tyto dva přístupy vhodně spojí. Zvýšením účinnosti přeměny energie světla v podobě fotonů na elektrický proud se zabývá hodně vědců a firem a jejich výsledky úspěšně plní stránky časopisů a webu. Ale samotná účinnost přeměny může být třeba i 100%, ale přesto ze slunečního záření dopadajícího na zemi nezískáme všechnu energii. Problém je v tom, že ne všechno na solární článek dopadající světlo se dostane až do místa přeměny, tedy do místa uvnitř solárního článku. Dokonce je dost obvyklé, že například u povrchově špatně ošetřených křemíkových článků se až 1/3 dopadajícího světle a energie odrazí zpět do prostoru a tedy se vůbec nezúčastní přeměny na elektrickou energii. Tedy máme o 30% nižší účinnost ještě předtím, než jsme se vůbec dostali k převodu na elektřinu. Prostě pokud není světlo, není co přeměňovat na elektrický proud. Takže z praktického hlediska je dokonce důležitější zajistit a maximalizovat vstup světla do struktury článku a až poté se zabývat zvyšováním účinnosti samotné přeměny. Bohužel mnoho vědců a společností na to jde přesně obrácenou cestou.

Jak zvýšit vnik světla do solárního článku?

Toto je dobrá otázka. Každého, kdo pracuje s optikou nebo prostě jen rád fotografuje, asi hned napadne: „Světlo čočkami zaostřit na požadované místo, tak aby dopadalo vždy kolmo na plochu článku, kdy je odraz minimální“. Myšlenka je to dobrá, ale… Jak to udělat prakticky? Klasické čočky, jak je známe z objektivů apod. jsou příliš mohutné pro použití pro tenké a dokonce ohebné solární články. Samozřejmě pokud máte velké solární panely na podstavci, použít to lze, ale co pružné solární články našité na tašce nebo placaté a odolné články na střechách v podobě střešní krytiny? Zde již těžko lze klasické čočky použít. Potřeba je nějaké integrované řešení přímo na svrchní straně solárního článku, které bude k němu pevně připevněno a navíc nebude omezovat flexibilní použití.

Dobře, chceme snížit odraz světla od povrchu a tedy zvýšit jeho prostupnost do vnitřní struktury solárního článku. Zde však máme opět dvě překážky, kterými je nutné se zabývat:

  • Vliv samotné svrchní nevodivé krycí vrstvy
  • Vliv průhledné vodivé elektrody solárního články

Protože ani jednu z uvedených složek nelze odstranit, protože svrchní vrstva článek chrání před okolím a bez elektrody by prostě solární článek nefungoval, je nutné „vyladit“ obě.


 

Antireflexní krycí vrstva (AR coating)

Antiodrazový povrch solárních článků může být podobný tomu, který se využívá i v jiných optických zařízeních, typu čočky fotoaparátů, kde chceme dosáhnout maximální věrnosti výsledného zaznamenaného obrazu. Obvykle se skládá ze slabé vrstvy dielektrického materiálu s přesně danou tloušťkou tak, aby interferenční jevy v krycí vrstvě způsobené odraženými vlnami z antireflexní vrstvy nebyly ve fázi s odraženými vlnami od polovodičového povrchu. Tyto odražené vlny s odlišnou fází pak destruktivně interferují s jinými a výsledkem je nulová odražená energie.

Jak to ale udělat v praxi? Jednou z v tomto směru velmi slibným příspěvkem do budoucna je použití všude tolik opěvovaných nanotrubic, konkrétně dnes stále častěji využívaného materiálů TiO2 (jeho bližší popis najdete v článku Zajímavost - Materiál téměř na všechno = TiO2). Ty lze použít i jako takové nanooptické vodiče a „usměrňovače“ světla. Taková speciální tenká vrstva (50 až 100 nm) je schopna snížit odrazivost povrchu, resp. zvýšit absorpci světla až na 96 % z původních 67 %. Navíc je toho možné dosáhnout v celém širokém spektru vlnových délek slunečního světla, včetně infračervené oblasti. Dále je zajímavé, že takové vrstvy mohou mít stejnou absorpci světla nezávisle na úhlu jeho dopadu, zatímco běžné vrchní vrstvy solárních článků umožňují absorbovat převážně jen přímo (kolmo) na ně dopadající paprsky, případně z nějakého jiného úzkého směru, a při ozáření z jiných úhlů je většina světla odražena zpět do okolí. Některé nanotrubičkové vrstvy tak zároveň mohou fungovat jako speciální čočky, které směrují dopadající světlo z různých úhlů na stejné místo struktury článku. Dá se to přirovnat jako k hustě k sobě postaveným trubičkám, které jednotlivé fotony vedou jako kanály. Zatímco tedy běžné solární panely je nutné pro získání maximálního množství elektrické energie postupně otáčet, aby byly neustále kolmo k slunci, solární články vybavené touto nanovrstvou by nebylo nutné natáčet a přesto by si stále udržovalo stejnou účinnost přeměny. To by tím výrazně zvedlo účinnost jak pevně umístěných panelů např. na střechách domů, tak na pohyblivých objektech, které se různě náhodně natáčejí.

Pokud se vrstvy umísťují na sebe, tak každá následující nižší vrstva násobí účinnost vrstev předchozích. Nanovrstvy lze umístit na křemíkový substrát i na multipřechody a telurid kadmia.

 

Nanotrubičky dlouhé 40 až 50mikromentrů ve formě vrstvy na nosné podložce provádějí změnu indexu lomu dopadajícího světla tak,
že ho směrují do aktivního prostoru solárního článku. Fotografie jsou z elektronového mikroskopu (SEM).

Zde je reálná ukázka průhledného povrchu tvořeného "spletí" nanotrubiček materiálu TiO2,
které zlepšují absorpci světla separaci náboje solárních článků.

Praktické výsledky

Z nanotrubiček vytvořené AR (AntiReflexní) krycí vrstvy lze tak snadno použít pro zvýšení absorpce, snížení odrazu světla od povrchu solárních článků napříč širokého spektra vlnových délek a i při velkých úhlech dopadu (úhlech od kolmice na plochu článků). Například již byly vyvinuty AR krycí vrstvy s odstupňovaným indexem lomu, které minimalizují odraz světla v rozsahu vlnových délek 400 až 1600 nm.

Klíčem k takto vynikajícím vlastnostem je vícevrstvá struktura s postupně rostoucím indexem lomu v závislosti na hloubce. Konkrétně například vyzkoušená struktura inženýrů na Rensselaer Polytechnickém Institutu, se skládá ze 7 vrstev tloušťky 60 až 160 nm vyrobené z oxidu křemíku SiO2 a oxidu titaničitého TiO2. Zatímco dvě nejspodnější vrstvy jsou z TiO2, následující 3 vyšší vrstvy jsou z kombinace SiO2 i TiO2. Poslední dvě nejvyšší vrstvy jsou tvořeny již výše zmíněnými nanotrubicemi z SiO2 s velmi malém indexem odrazu (1,22 a 1,09), což maximalizuje použitelný úhel dopadu světla.

Výsledkem je nežádoucí odraz světla jen 1 % až 6 % v celém viditelném spektru světla i v části infračerveného, přičemž spočítaná průměrná odrazivost je jen 3,79 %. Navíc to platí pro úhly dopadu světla 0 až +/- 60° od kolmice, tedy v „zorném“ úhlu až 120°, což je velmi dobrá hodnota. V praxi to tedy znamená, že až cca 96 % slunečního záření přejde do struktury solárního článku, kde je možné ho přetransformovat na elektrický proud. Naopak v případě nevyužití této AR krycí vrstvy, projde jen cca 49 % světla! To v praxi znamená zvýšení z účinnosti 20,5 % běžného křemíkového solárního článku až na účinnost 42,7 % při použití této antireflexní vrstvy! To je dost praktická ukázka, že nemá cenu se jen „honit“ za zvýšením účinnosti samotné přeměny fotonů na el. proud, když není kvalitně vyřešen přístup světla do struktury.

Nanotrubičky i jako náhrada průhledné ITO elektrody

Velkým přísliben do budoucna je i použití všude tolik opěvovaných uhlíkových nanotrubic (CNT), které se vyznačují velmi zajímavými mechanickými, tepelnými, chemickými, elektrickými a nakonec i optickými vlastnostmi. Pro oblast solárních článků je důležitý fakt, že z nich vytvořená velmi tenká vrstva (tenký film) se vyznačuje současně velmi vysokou vodivostí i průhledností pro široký rozsah vlnových délek světla (barev) přičemž vypadá jako čiré nebo barvené sklo (viz oba obrázky vpravo). Navíc tzv. SWNT elektroda velmi pružná a hodí se tak jako průhledná elektroda nejen pro solární články, ale třeba i displeje a další optoelektronické prvky.

Až doposud využívané tenké oxidy různých kovů (TCO), například ZnO, SiO2, ITO, TiO2, totiž vždy mají nějaké výrazné slabiny, ať již je to nedostatečná elektrická vodivost (TiO2, SiO2), malá průhlednost / velký útlum světla (některá provedení TiO2), výrazně selektivní spektrální charakteristika, která propouští jen některé vlnové délky (některá provedení TiO2, ITO), nebo velmi vysoká cena materiálu (Indium v ITO).

Jde totiž o to, že u každého solárního panelu musí světlo do nitra struktury projít přes alespoň jednu průhlednou elektrodu, která musí zároveň plnit dvě velmi odlišné funkce, tedy mít velmi vysokou elektrickou vodivost a zároveň být průhledná, což splňuje jen málo materiálů. Asi doposud nejvíce využívaným materiálem byl oxid india ve formě slabé napařené vrstvy (ITO). Ten sice oplývá slušnou vodivostí, ale je velmi drahý a zároveň je méně průhledný než by bylo pro solární články vhodné. Hlavně propouští jen světlo určitých vlnových délek, což dost snižuje účinnost ještě předtím, než dojde k samotné přeměně na elektrickou energii. Navíc lze jeho průhlednost jen velmi špatně a málo ovlivňovat, je málo mechanicky odolný a také dost drahý. Při použití tenké vrstvy uhlíkových nanotrubic, přesněji řečeno opticky průhledné jednovrstvé sítě uhlíkových nanotubek (SWNT), však lze získat obojí. Jak vysokou vodivost, tak vysokou průhlednost, plus mnoho dalších vlastností navíc (ohebnost, mechanická odolnost). Přitom lze při výrobě snadno ovlivňovat optické vlastnosti, což umožňuje nadno „naladit“ rozsah vlnových délek (barvy), které má vrstva propouštět. Navíc je možné propouštět i jiné složky záření, než je viditelné světlo, což je umožňuje nasadit i pro převodníky tepla (infračerveného záření) na elektrickou energii nebo prostě jen účinnější solární články, protože ITO infra světlo nepropouští.

Porovnání průhlednosti a měrného odporu u současných nejběžnějších materiálů pro průhledné elektrody:

  • ZnO:Al: průhlednost cca 90% v rozsahu od 400 nm do infračervené oblasti, rezistivita cca 0,2 miliohm.cm
  • ITO: průhlednost 80% až 90% v rozsahu 350 - 800 nm, rezistivita cca 0,8 - 0,1 miliohm.cm
  • TiO2:(Nb): průhlednost cca 60 až 70 % v rozsahu vlnových délek 350 - 800 nm, rezistivita cca 1 miliohm.cm
  • Anatase TiO2: průhlednost cca 80 % v rozsahu vlnových délek 250 - 1000 nm, rezistivita cca 200 miliohm.cm
  • SWNT (uhlíkové nanotrubky): průhlednost přes 90 % v rozsahu 350 - 1100 nm, rezistivita v řádu 0,01 miliohm.cm

 

  

Takto vypadá SWNT struktura z uhlíkových vláken

Závěr

Než světlo pronikne do aktivního místa solárního článku, musí nejdříve projít různými vrstvami. V tomto článku nastíněné nové materiály a struktury by to měly světlu co nejvíce usnadnit, tedy klást mu co nejmenší odpor. To je přinejmenším stejně důležité jako různé technologie přeměny fotonů na elektrický proud. A v tomto směru jsou budoucností právě stále populárnější nanomateriály, které zdá se opravdu poskytují až neuvěřitelné vlastnosti a řešení "na každý problém". Dokonce začínám nabývat dojmu, že snadno v budoucnu bude všechno z nanotrubek nebo nanokoulí.

Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: