Jste zde

Nové technologie pro levné i výkonné solární články

Antonín Vojáček, 26. Červen 2009 - 0:07

Vývojáři různých společností i mnoho vědců po celém světě každý den pracuje na hledání nových technologií pro solární články nebo optimalizace a vylepšení stávajících. V současné době asi mezi nejprogresivnější technologie patří tzv. barvivové články, ale ty jsou stále ještě ve vývoji v laboratořích. Naopak ohebné a tiskem vyráběné CIGS solární články společnosti Nanosolar jsou již komerční realitou.

Budoucnost v oblasti plně ekologické výroby elektřiny se již více jak 2 desítky let pasují solární články a z nich vytvořené solární panely. Doposud se však všechny konstrukce stavěly na křemíku a vlastnostech polovodičového PN přechodu, ať již šlo o monokrystalické, polykrystalické, nebo amorfní křemíkové struktury. I když za celý jejich dlouhý vývoj již bylo v tomto směru dosaženo značného pokroku, prvně jmenované monokrystalické křemíkové solární články sice již dnes dosahují účinnosti až 30 %, ale jsou moc objemné a obtížně aplikovatelné, zatímco velmi ohebné a jen několik setin mm silné články z amorfního křemíku mají právě díky své malé tloušťce jen cca poloviční účinnost, stále naráží na stejný problém. Tím je náročná výroba a s tím spojená i vysoká cena solárních panelů i vysoká cena jimi vyráběné elektrické energie, kvůli čemuž se jen velmi těžko masově prosazují. Tento problém lze řešit buď výrazným zvýšením účinnosti stávajících křemíkových struktur, dnes často pomocí různých čoček a speciálních vrstev méně odrážející (lépe pohlcující) dopadající záření, nebo použití úplně jiné a na výrobu méně náročné technologie z jiných levnějších materiálů, které by také poskytovaly velmi dobrou účinnost přeměny světla na elektřinu, ale zároveň by jejich výroba byla velmi jednoduchá a ceny solárních článků tak v řádu několika centů US dolaru.

Mezi současné nejperspektivnější technologie pro levné solární články patří:

  • nanokompozity - CIGS solární články
  • barvivové solární články (nazývané také jako nanosolární články)
  • solární články s nanokrystaly (kvantovými tečkami)
  • polymerové (plastové) solární články (s fullereny)
  • nanosolární články ve formě antén.

I když každá zde uvedená technologie pracuje na jiném principu a využívají odlišné materiály, mají jedno společné. A to je nasazení nanostruktur v podobě trubic nebo koulí, které sice sami negenerují z dopadajícího záření volné elektrony vytvářející elektrický proud, ale slouží buď jako takové kanály či cestičky pro uvolněné elektrony (např. TiO2 nanotrubičky), nebo jako vodiče fotonů dopadajícího světla (uhlíkové nanotrubičky). V obou případech dochází k výraznému zvýšení účinnost přeměny. Dalo by se prostě říct, že nanoprvky začaly být hitem. Proto při dnes častém označení nanosolární články nelze přesně říci, kterou technologii měl dotyčný na mysli, i když dnes se obvykle pod tímto pojmem myslí také níže popsané barvivové články.

Solární články CIGS

Velkou novinkou posledního roku jsou tenkovrstvé solární články CGIS, které asi nejvíce proslavila společnosti Nanosolar, Dow Building Solutions a Global Solar Energy, která dotáhly jejich vývoj až do stádia běžné výroby. Dokonce v případě společnosti Nanosolar bylo dosaženo velmi snadné výroby prostřednictvím tisku fotocitlivé vrstvy v podobě inkoustu na velmi vodivou pružnou metalickou fólii.

CIGS je pevný kompozitní polovodičový materiál (typ p) složený z mědi (Copper), india (Indium), gallia (Gallium) a selenu (Selenium) s šířkou zakázaného pásmu od 1.0 do 1.7 eV. Odtud i název CIGS. V případě CIGS solárních článků se nejběžněji používají ve formě polykrystalické tenké vrstvy. Na rozdíl od křemíku, které světlo absorbuje až hluboko v objemu, u CIGS se až 95% veškerého dopadajícího záření zachytí již v prvním mikrometru materiálu pod povrchem. A protože strukturu CIGS článků lze nejen provozovat nejen jako heteropřechod společně s dvojvrstvičkou CdS jako n-polovodičem a s ZnO jako elektrodou (katoda), ale i pouze jako komplexní heteropřechod s CIGS polovodičem s přímo na něj nanesenou průhlednou ZnO2 elektrodou, lze solární články vyrábět jako velmi tenké (jen několik mikrometrů). Obě struktury pak bývají umístěny na podložce z molybdenem pokrytého skla, hliníku nebo nerezové oceli, které tvoří anodu. U takto provedených konstrukcí se již povedlo laboratorně dosáhnout účinnost přes 19%, i když první komerční produkty zatím dosahují „jen“ cca 12 až 14%. I to je však výborný výsledek s ohledem na světlou budoucnost této technologii.

Trošku jinou cestou se pak vydala společnost Nanosolar, která CIGS polovodičovou strukturu produkuje ve formě nanočásteček jednotlivých jeho komponent implementovaných ve speciálním roztoku (jakém si inkoustu), který lze snadno nanášet na libovolnou pružnou podložku (papír, metalická fólie) pomocí docela běžného tisku. Vznikla tak unikátní architektura nanokompozitních solárních článků. V případě použití metalické fólie jako nosné vrstvy (například hliníkové), která zároveň slouží jako elektroda (anoda), a celou strukturu již jen stačí doplnit „natištěním“ vrchní transparentní elektrody (katody). Zatímco první pevné podložky se třeba hodí pro solární panely ve formě střešních šindelů, fólie umožňuje vyrobit velmi pružné a několik mm tenké panely, které lze srolovat i do malého průměru.


 

Podrobnější popis struktury CIGS solárních článků

 

Ukázka výsledného CIGS solárního článku vyráběného technikou nanášení fotocitlivé vrstvy ve formě polovodičového inkoustu

Solární články s nanokrystaly (kvantovými tečkami)

Solární články s nanokrystaly jsou založeny na křemíkovém substrátu pokrytém nanokrystaly vytvážející tzv. kvantové tečky (Quantum dots). Ty mohou být například vyrobeny z křemíku nebo z CdTe, CdSe, PbS, či PbSe. Díky malé velikosti nanokrystalů stačí jen jeden foton záření dopadajícího na kvantovou tečku k uvolnění dva a více elektronů, zatímco u normálních křemíkových solárních článcích se „vyrazí“ pouze jeden. Tím je zde možnost výrazného zvýšení účinnosti blížící se až 50%. Bohužel však vývojáři neustále bojují s křehkostí nanokrystalů (kvantových teček) a tím krátkou životností z nich vytvořených solárních článků. Také je složité sběr uvolněných elektronů tak, aby vytvořily elektrický proud. Tomu však vědci snaží řešit použitím uhlíkových nanotrubic, což není nic jiného než válcovité uhlíkové molekuly, které zde slouží jako potrubí pro uvolněné elektrony a směrují je na elektrodu. Další současný vývoj je zaměřen na možnost jednoduché a levné výroby, aby bylo možné začít uvažovat o komerční produkci.

Zatím se jako výrobně schlůdné řešení jeví polovodičové nanokrystaly založené na fotovoltaickém scintilátoru integrovaném na solárních článcích ke zlepšení vlastností spektrální odezvy, napětí naprázdno, zkratový proud, plnící faktor nebo účinnost solární přeměny v ultrafialovém spektru. Zkřížením (CdTe) ZnS vrstvičky kvantových teček velikosti 2,4 nm na multikrystalických křemíkových solárních článcích se podařilo zvýšit účinnost na dvojnásobek při ozáření bílým světlem. Takové nanokrystalické scintilátory poskytují schopnost rozšířit funkci i do UV spektra. Teoretická účinnost solárních článků generující až 8 párů elektron-díra na jeden foton je cca 58 % na rozdíl od 38% v případě konstrukce bez scintilátoru.

Kvantové tečky se nacházejí uvnitř solárního článku mezi elektrodami, jako hlavní složky generující elektrický proud

Při znázornění struktury solárních článků s kvantovými tečkami v energetickém grafu je vidět,
že kvantové tečky vytvářejí ve valenčním Ev i ve vodivostním Ec pásu takové jamky zasahující do zakázaného pásu Eg.
Tím stačí je menší energie fotonu k přestupu (uvolnění) elektrony z Ev do Ec.

Nanosolární články ve formě antén

Další z budoucích cest jak zvýšit schopnost absorpce světla v solárních článcích je použít nanočástice ušlechtilých kovů, které mají speciální optické vlastnosti. Vzhledem k faktu, že jejich elektrony oscilující dopředu a dozadu ve stejné stejně rychle jako je frekvence světla, tedy barvy světla. Částice zachycují světlo jako malinkaté antény a prostřednictvím oscilací je energie převáděna na elektřinu. Tyto oscilace (plasmony) jsou velice silné na určité rezonančních frekvencích zvané plasmonové rezonance, které jsou však ovlivňovány formou, velikostí a okolními částicemi. Cílem vývoje tedy je umět vytvořit takové nanočástice, které budou mít požadované vlastnosti, hlavně zvýšenou absorpci světla různých barev. Z pohledu použití v solárních článcích je doposud velkou výzvou je účinnost přeměny energie absorbované v oscilacích elektronů na elektrickou energii. Zatím totiž oscilace převážně generují hlavně teplo.

Solární články s nanočásticemi zlata tloušťky pouze několika nanometrů dokáží poskytnout již velmi vysokou účinnost. Prakticky však lze s nanočásticemi z ušlechtilých kovů vytvořit dva typy solárních článků:

  • světlo je absorbováno v molekulách na povrchu
  • světlo je absorbováno hluboko uvnitř materiálu

Barvivové solární články

Tzv. barvivové nebo také Gratzelovi solární články (označovány jako DSSc, DSC nebo DYSC = dye-sensitized solar cells nebo Gratzel cells) jsou v současné době asi hlavním a nejvíce propagovaným směrem budoucího vývoje a výroby levných solárních článků. Dvě společnosti G24 Innovations Ltd. and Konarka Technologies, Inc., které patří k hlavním firmám vyvíjející cílový komerční produkt dokonce vyhlásily, že již brzy začnou vyrábět první produkty. To také značí, že se podařilo překonat dřívější problémy se výrazným snižováním životnosti těchto solárních článků při intenzivním osvětlení.

Barvivové solární články využívají elektricky vodivou průhlednou katodu na povrchu článku, kovovou elektrodu na jeho spodní straně a mezi nimi se nachází speciální elektrolyt obsahující organická barviva. V současné době se využívá struktury složené z jódového elektrolytu a vrstvy přírodního barviva naneseného na nanotrubičkách oxidu titaničitém (TiO2), kterou jsou spojeny se zápornou elektrodou a zároveň tak pracují jako takové nanovodiče (nanodrátky) uvolněných elektronů a tím výrazně zvyšují účinnost celého systému. Navíc oxid titaničitý je levný a v přírodě běžný materiál s velmi zajímavými vlastnostmi. Jednou je například jeho samočisticí schopnost ať již na vanách nebo zdech domů. Jako nanovodiče lze místo TiO2 také využít i jiné vhodné materiály, například oxid zinečnatý (ZnO).

Samotný princip funkce barvivových solárních článků spočívá ve změnách, které v buňkách nastávají v důsledku absorpce slunečního záření o různé vlnové délce, při využití fotosenzitivního barviva. Něco podobného totiž se již v přírodě využívá a to motýlých křídlech mají mikroskopickou strukturu, která absorbuje sluneční záření a teplo nebo ve fotosyntéze v rostlinách, protože využívá výměnu elektronů v elektrolytu a přírodní barvivo. Když na článek zasvítí slunce, fotony projdou vrchní průhlednou katodou, elektrolytem a dopadnou na vrstvu barviva. Z něj vyrazí elektron a udělí mu takovou energii, že se nanotrubičkami oxidu titaničitého k záporné elektrodě. V barvivu po něm zůstane kladně nabitá díra, která přijme elektron z jódu v elektrolytu. Kladně nabitý jódový iont pak putuje elektrolytem ke kladné elektrodě, kde přijme elektron a cyklus se opakuje.

Oxid titaničitý ve formě nanotrubek pokrytých barvivem má oproti běžné formě malých částic výhodu ve větší ploše, na kterou mohou fotony dopadat, zachytí i fotony o nižší energii (větší vlnové délce), tvar nanotrubek také omezuje vyplňování děr po elektronech jinými vyraženými elektrony a tím se výrazně zvýší efektivita přeměny sluneční energie v elektrickou.

Protože konstrukce barvivových článků je ve směs z levných materiálů, které se snadno vyrábějí, má být cena takových solárních panelů velmi nízká. Dokonce konstrukce je tak jednoduchá, že dokonce plně fungující barvivový solární článek si může vyrobit každý zručný kutil sám. Na internetu existuje několik návodů krok za krokem, jak to udělat. Účinnost je však samozřejmě jen několik málo %. Navíc jsou barvivové články citlivé i na nepřímé světlo a tak jsou schopny generovat elektřinu i při zatažené obloze nebo z umělého osvětlení v místnostech. I když je jsem u této technologie teprve na začátku vývoje, již dnes se dosahuje v laboratořích díky nanotrubičkám účinnosti až 15%, což znamená, že v budoucnu bude tento parametru dále narůstat. Teoreticky může tato konstrukce dosáhnout účinnosti až 33 %. Vědci si pak ještě v tomto směru dále hodně slibují od kombinace této technologie barvivových článků s kvantovými tečkami nebo jinou technologií směřující dopadající záření přesně na požadovaná místa aktivní vrstvy.

Zjednodušený řez strukturou barvivového solárního článku s popisem
(vpravo nahoře pak detailně zvětšená struktura a funkce)

Organické / polymerové solární články

Organické solární články, mezi které patří jak provedení z vodivých polymerů, tak molekulové organické články, představují v současné době asi pro blízkou budoucnost hlavní technologii pro výrobu velmi levných, lehkých, pružných solárních článků pro každou aplikaci. Doposud největší hendikep proti křemíkovým článkům v podobě nízké účinnosti cca 5 % se postupně s dalším vývojem ztrácí (již byli otestovány vylepšené technologie dosahující i slušných 10 %) a tak masové výrobě v blízké budoucnosti již asi nic nebrání. Pouze je nutné zajistit kvalitní krycí vrstvu, protože organické používané materiály mají tendenci s časem rychle stárnout a tím se postupně snižuje jejich účinnost. Organické články totiž mohou být rozpuštěny v kapalině a nastříkávány nebo tištěny ve vrstvě od 1 mm na nosnou plastovou nebo kovovou podložku, podobně jako například tisk novin. Tak je lze snadno nanést třeba na střešní krytinu, nastříkat na zeď, na kapotu a karosérii auta apod.

Funkce polymerových solárních článků je následující: Energie slunečního světla dopadající na organický solární článek generuje pozitivní a negativní náboj. Jestliže se povede tento pár rozdělit a záporný náboj (elektrony) „odsát“ a přesunout k výstupní elektrodě, bude článek vyrábět elektrický proud. Celá problematika výzkumu a vývoje organických (polymerových) článků se tak točí okolo způsobu, jak elektrony z místa, kde se generují, co nejrychleji odvést k elektrodě, než s dírou (kladným nábojem) opět zrekombinují a energie světla je nenávratně ztracena. Zatímco u křemíkového či jiného polovodičového PN přechodu to provádí elektrický potenciál vzniklý na PN přechodu, který táhne elektrony a díry na opačné strany, u polymerů to takto provést nelze a využívá se objemového heteropřechodu, tj. jaké si smíchání dvou různých materiálů v rámci celého objemu fotocitlivého materiálu (polymer bulk heterojunction photovoltaic cells). Vždy jeden je generátorem párů elektron-díra (dárce elektronů), zatímco druhý provádí rozdělení páru a odvedení elektronů na katodu (akceptoru elektronů). Proto celá účinnost polymerových solárních článků dost výrazně závisí právě na účinném odvedení uvolněných elektronů a je to také důvod, proč první solární články využívající jen kombinace různých druhů polymerů, které jsou obvykle ne moc dobře elektricky vodivé, se vyznačovaly účinností jen cca 2 – 3 %.

To se výrazně změnilo až po nasazování uhlíkových nanostruktur, v podobě tzv. fullerenů a jejich kombinace s uhlíkovými nanotrubičkami, které ve výsledku tvoří takové „hadovité struktury“ asi 50tisíckrát menší než lidský vlas. Zatímco v polymeru uvolněný elektron je fullerenem zachycen a oddělena tak z dosahu díry, nanotrubičky (uhlíkové) jej spolehlivě odvedou ke katodě, kde dohromady s dalšími elektrony vytvoří elektrický proud.

Polymerové články s fullereny vylezl s kolegy pan Alan J. Heeger, který vytvořil objemový materiál s heteropřechodem polovodičového polymeru (dárce elektronů) a fullerenů (akceptoru elektronů) uzavřený mezi svrchní průhlednou elektrodu ITO (katodu) a neprůhlednou spodní elektrodu, (anodu), čímž dokázal účinnost polymerových článků více jak zdvojnásobit (dnes i přes 8%). Fullereny jsou prakticky kulovité uhlíkaté nanostruktury, které umožňují přijmout do sebe elektrony (záporné nosiče náboje), ale již ne díry (kladné nosiče náboje). Pokud tedy v polymeru fotonem, který prošel průhlednou vrchní elektrodou, vznikne pár elektron-díra, díky aktivní vrstvě polymer - fulleren, která odejme elektron, se pár rozdělí a již nemůže opět zrekombinovat (spojit se). Elektrony pak již mohou snadněji putovat na katodu a vytvářet tak elektrický proud. Tím se výrazně zvyšuje účinnost polymerových článků. Vědci a vývojáři se pak snaží dalšími úpravami dále účinnost zvýšit, byť třeba jen o 1 %. Například je výhodné potažení anody velmi tenkou hladkou vrstvou (5 až 10 nm) oxidu niklu, který je výborný vodič pro extrahování děr a usměrňuje tok zbloudilých elektronů. Zároveň je jako materiál levný, elektricky homogenní a nekorodující. Další inovací, která však slouží spíše k snížení ceny je nahrazení drahé vrchní průhledné katody ze slabého oxidu india, například hůře vodivým a velmi levným polymerem v kombinaci s jeho přímým propojením s vysoce vodivou anodovou elektrodou na spodní neosvětlené straně článku prostřednictvím množství miniaturních „prokovů“ skrze strukturu. Prakticky jde o zvýšení vodivosti záměrným kontrolovaným zkratováním katody a anody. Nakonec je možná ještě zvýšit účinnost tzv. tandemovým uspořádáním, kdy se solární článek složen jakoby z několika různých menších článků na sobě, přičemž každý reaguje převážně na jiné světlo (jiné vlnové délky). Tak lze přeměňovat na elektřinu nejen viditelné světlo, ale i infračervené v jednom solárním článku.

Jak je tedy na těchto příkladech vidět, na snižování ceny a zároveň zvyšování účinnosti se pracuje opravdu na každém prvku struktury solárního článku.

Tzv. tandemová struktura polymerových solárních článků umožňuje převádět světlo na elektrickou energii
v daleko větším rozsahu vlnových délek (frekvencí)

Závěr

Různých, ke křemíkovým článkům alternativních technologií, se v poslední době na universitách i v různých výrobních společnostech objevila celá řada. Všechny však mají za cíl jedno společné: levná výroba, snadné použití (velká pružnost, malá hmotnost a tloušťka) a co nevyšší účinnost přeměny energie světla na elektřinu. Bohužel tyto tři vlastnosti doposud vždy působily proti sobě, protože například u křemíku platí úměra, že čím menší tloušťka článku, tím menší účinnost. Takže ten, kdo dokáže je nějakou technologií vhodně skloubit, tomu možná bude patřit celosvětový trh se solárními články. Což je rozhodně silná motivace pro všechny výrobce. Zatím to vypadá, že šance jsou vyrovnané a zatím nemůžeme odepisovat ani již dnes často zatracovaný křemík a jeho PN přechod, který doposud žádná jiná technologie neporazila, alespoň co se komerční výroby týče.

Poznámka: Zkrácená a upravená verze tohoto článku byla uveřejněna v květnu v příloze tištěném časopisu Elektroinstalatér.

Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: