Současné trendy v oblasti fotovoltaických článků a modulů

Instalovaný výkon fotovoltaických systémů ve světě ke konci roku 2008 již přesáhl úroveň 14 GW_p, v Evropě přesáhl instalovaný výkon 9 GW_p. Vývoj produkce fotovoltaických modulů v období 1998–2008 [1] je znázorněn na obr. 1. 

Velký vliv na cenu produkce má efekt hromadné výroby, kdy řádové zvýšení produkce má za následek snížení ceny na polovinu. Pro podporu nárůstu produkce jsou poskytovány v různých státech různé formy dotací (v současné době se nejčastěji využívá tzv. feed-in tarif). Z hlediska efektivnosti v aplikacích se pro porovnání používá jako jednotka cena za 1 W_p výkonu.

Zdokonalování technologie a zavádění hromadné výroby se projevilo ve výrazném snižování ceny FV modulů. Ty začaly být od poloviny devadesátých let hromadně využívány pro FV systémy připojené k rozvodné síti a v současné době v instalacích převládají.

Fotovoltaické články a moduly

V průběhu více než padesátiletého vývoje byly vyvinuty fotovoltaické články a moduly z různých druhů materiálů při využití řady různých technologií, nové materiály a konstrukční principy jsou předmětem výzkumu a vývoje. V současné době jsou ve velkých sériích vyráběny fotovoltaické články a moduly jednak z krystalického křemíku, dále pak ve formě tenkých vrstev z dalších polovodičových materiálů, jako jsou amorfní křemík, amorfní křemík-germanium, telurid kadmia CdTe a materiály typu CIS (CuInSe₂, CuIn_xGa_1–xSe₂). Podíl základních technologií na celkové produkci fotovoltaických modulů v období 1998–2007 je graficky znázorněn na obr. 2. Z tohoto grafu je zřejmé, že v současné době je převažujícím materiálem pro výrobu fotovoltaických článků a modulů krystalický křemík.

 

Křemík je velmi vhodný materiál pro výrobu fotovoltaických článků, protože z hlediska šířky zakázaného pásu je u křemíku možno dosáhnou velmi vysoké účinnosti generace volných nosičů dopadajícím slunečním zářením. Zároveň u křemíku jako základního materiálu pro mikroelektroniku se podařilo velmi dobře zvládnout všechny operace potřebné k vytváření struktur. Teoretická účinnost [2] ideálního křemíkového článku dosahuje 33 %.

 

Výchozím materiálem pro výrobu FV článků z krystalického křemíku jsou křemíkové destičky (obvykle typu P) čtvercového tvaru o rozměrech až 200x200 mm a rezistivitě řádově jednotky Ωcm. Počátek výroby FV článků byl spojen s monokrystalickým (CZ) křemíkem. Potřeba snižování ceny vstupního materiálu vedla v sedmdesátých letech k vývoji multikrystalického křemíku (řízené tuhnutí taveniny v blocích). Tato technologie přispěla k úsporám materiálu a snížení investičních nákladů, na druhé straně náhodná orientace krystalických zrn neumožňuje texturaci povrchu alkalickým leptáním a hranice zrn zvyšují ztráty rekombinací. Vývojem technologie se podařilo značně přiblížit účinnost článků z multikrystalického křemíku účinnosti článků z křemíku monokrystalického. Monokrystalické nebo multikrystalické ingoty musejí být rozřezány na destičky o tloušťce cca 0,2–0,3 mm, povrch destiček zhmožděný řezáním musí být odleptán. Příprava destiček rozřezáním ingotu je relativně nákladná operace, při které je znehodnoceno téměř 50 % materiálu ingotu.

Z jedné křemíkové destičky je vyroben jeden FV článek. Struktura běžného článku je schematicky znázorněna na obr. 3. Po chemickém opracování (leptání, texturace, čištění) je jednostranně vytvořen přechod PN difuzí fosforu ve vzdálenosti 0,2–0,5 µm od povrchu. Po odstranění fosforsilikátového skla vzniklého při difuzi je povrch pokryt antireflexní vrstvou (SiN_x nebo TiO₂). Po depozici antireflexní vrstvy jsou realizovány kontakty sběrnice, obvykle pomocí vodivých past nanesených na povrch článků sítotiskem. Na straně s přechodem PN (na vrstvu N⁺) je sítotiskem nanesena sběrnice (Ag pasta) a na zadní stranu je sítotiskem nanesen kontakt (Al-Ag pasta). Po vysušení pasty následuje vypálení, při kterém dojde k rozrušení antireflexní nitridové vrstvy a vytvoření ohmických kontaktů. Pomocí této techniky byla výrazně zjednodušena a zlevněna technologie kontaktování článků (odstranění fotolitografie a vakuových depozičních technologií). Technologie je relativně jednoduchá a podstatnou část nákladů při výrobě fotovoltaických článků představuje výchozí materiál, tj. destičky z krystalického křemíku.

Jednotlivé články z krystalického křemíku mají pracovní napětí okolo 0,5 V a proudovou hustotu několik desítek mA/cm² (≈30 mA/cm²). Je proto třeba spojovat jednotlivé články do série do funkčních bloků – modulů, které musí zároveň články chránit před nepříznivými vlivy okolního prostředí. Do série spojené FV články se zpravidla spojují s vysoce průhledným tvrzeným sklem pomocí EVA, zadní strana je kryta vícevrstvou pevnou fólií z plastu. Moduly jsou opatřeny hliníkovým rámem pro uchycení k nosným konstrukcím a na zadní stěně jsou opatřeny svorkovnicí s kabelovými vývody a překlenovacími diodami.

 

 

V tenkovrstvé technologii nejsou realizovány jednotlivé články, ale celý modul v sekvenci technologických operací:

● na nosnou podložku (obvykle sklo) je deponována vrstva TCO (transparentní vodivý oxid),

● laserem odděleny oblasti jednotlivých článků ve tvaru proužků (odstranění TCO),

● následuje plasmatická depozice tenkovrstvého článku,

● následuje odstranění struktury článku laserem v proužku těsně přiléhajícím k hranici vymezené prvním laserovým řezem,

● poté je deponován kovový kontakt (obvykle naprašováním),

● následuje třetí řez laserem, odstraňující proužek kovového kontaktu tak, aby vznikla struktura modulu se sériově zapojenými články, jak je schématicky znázorněno na obr. 4.

 

Na zadní stranu modulu je pomocí EVA přilaminována krycí vrstva (sklo nebo polymer) a vývody svedeny do svorkovnice. Účinnost tenkovrstvých modulů je v rozmezí 6 až 10 %.

Tenkovrstvé články a moduly mohou být realizovány rovněž na ohebných fóliích, což zjednodušuje některé střešní aplikace. Problémy se stabilitou deponovaných vrstev (tenkovrstvé moduly s deklarovanou životností 20 let jsou nabízeny až po roce 2002) a vysoká cena potřebných technologických zařízení vedly k tomu, že ke zvyšování podílu tenkovrstvých FV modulů na celkové produkci došlo až po roce 2006, kdy se projevil nedostatek křemíku, způsobený prudkým nárůstem fotovoltaických aplikací. Nicméně v současné době je depozice stabilních tenkých vrstev technologicky zvládnuta na ploše modulu až 5 m² a dochází k postupnému nárůstu produkce tenkovrstvých fotovoltaických modulů.

 

Pro rozvoj fotovoltaiky jako efektivního zdroje elektrické energie v systémech připojených k rozvodné síti je třeba, aby klesla cena FV modulů na úroveň blízkou 1 €/Wp (cena celého systému na úroveň pod 2,5 €/Wp). K dosažení tohoto cíle je třeba:

●snížit cenu výchozího materiálu,

●zjednodušit a zlevnit technologii výroby,

●zvýšit konverzní účinnost FV článků.

 

Krystalický křemík

Při porovnávání jednotlivých technologií se obvykle vychází z vysoké energetické náročnosti výroby krystalického křemíku potřebné čistoty.

Je proto jedním ze základních trendů snižování tloušťky destiček z 300 μm na 200–150 μm, což vede spolu se zvyšováním účinnosti článků k výraznému zvyšování výkonu produkovaného stejným množstvím křemíku, jak je znázorněno na obr. 5. Kromě toho bylo dosaženo snížení spotřeby energie při přípravě výchozího materiálu. V období 2000 až 2007 došlo [3] ke snížení spotřeby energie potřebné pro výrobu 1 kg polykrystalického křemíku čistoty pro solární články (SOG) o 46 %. Postupné zdokonalování výrobní technologie (spolu s efektem hromadné výroby) vede ke snižování výrobní ceny modulů, jak je znázorněno na obr. 6. Zároveň probíhá vývoj v oblasti zkvalitňování technologických procesů, tak aby se účinnost zvyšovala ze současných 12–17 % na úroveň 18–22 %.

 

 

Předpokládaný vývoj cen modulů v závislosti na růstu produkce [1] je znázorněn na obr. 7. Nicméně v současné době jsou budovány relativně velké výrobní kapacity a podíl produkce tenkovrstvých článků poroste. Předpokládaný vývoj je znázorněn na obr. 8.

 

Současný vývoj technologie naznačuje, že krystalický křemík zůstane nejdůležitějším materiálem pro výrobu fotovoltaických článků minimálně v následujících pěti letech, a to vzhledem k pokračujícímu snižování cen vstupního materiálu, snižování energetické náročnosti a dalšímu zdokonalování technologie a s ohledem na vysokou spolehlivost a životnost modulů s články z krystalického křemíku. Zároveň bude pokračovat rozvoj tenkovrstvých technologií, a to jak na bázi amorfního křemíku (případně Si-Ge), tak na bázi CdTe nebo CIS. Podíl tenkovrstvých modulů na celkové produkci může dosáhnout v následujících pěti letech až 25 %.

V současné době probíhá intenzivní vývoj a výzkum dalších technologií fotovoltaických článků a modulů, jako jsou:

● články s vícenásobnými pásy,

● články využívající kvantových jevů v kvantových tečkách nebo kvantových jamách,

● organické články,

● Grätzlovy články (články na bázi nanočástic TiO₂).

 

VÍTĚZSLAV BENDA

 

2) Swanson, R. M.: Approaching the 29% limit efficiency of silicon solar cells, IEEE Photovol­taic Specialists Conference, 2005.

4) Denis De Ceuster, et al: Low Cost, high volume production of >22% efficiency silicon solar cells, 22nd European Photovoltaics Solar Energy Conference, 2007.