volno na konzultace či samostudium , příprava na Mikuláše a na Vánoce.

nanotechnologie E. Hulicius: 12NT (Polovodičové) nanotechnologie, FJFI Od 3.10. 2018, čtvrtek, pak pondělí od 15:30/45+ 4 hod. Eduard Hulicius: https://www.fzu.cz/~hulicius/ ve FZÚ Cukrovarnická 10, budova A, 1. patro vpravo, posluchárna u knihovny. 3.10., 8.10., 15.10., 22.10., tedy 4 x čtyřhodinovka, 5/7.11.?? 2 hodiny- exkurse ve FZÚ Jan Proška: proskaj@gmail.com Volné kvantové kovové tečky a jejich biomedicínské aplikace, Troja, bude upřesněno. 29.10., 12.11. čtyřhodinovky a 19.11. 2 hod. exkurse v ÚMG AVČR v Krči, kde by studenti viděli přímou aplikaci kovových nanočástic v biomedicínském výzkumu a pokročilé zobrazovací metody. Exkurse ve FZÚ 2 hodiny.: 5/7.11. od 15:30/45 do laboratoří MOVPE, MBE a dalších ve FZÚ AV ČR, v.v.i. v Cukrovarnické 10, Praha 6: Polovodičové epitaxní technologie MBE a MOVPE, prof. E. Hulicius + dr. V. Novák, Elektronová- a foto-litografie - dr. V. Jurka/dr. K. Olejník, Nanocharakterizace, AFM a STM - dr. A. Fejfar, Nanodiamanty, příprava vlastnosti, aplikace - doc. A. Kromka. 26.11. volno na konzultace či samostudium. 3.12., 10.12. příprava na Mikuláše a na Vánoce. ZK: (neoficiální) předtermíny 17.12. 2018 případně 8.1. 2019 ve FZÚ, od co nejdříve; (13:00?). Nebo jindy podle dohody.

Eduard Hulicius, Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i. (hulicius@fzu.cz) Timetable exkurse ve FZÚ, Cukrovarnická 10, 5/7.11. 2018, od 15:45, do laboratoří: MOVPE, E. Hulicius, budova F, 1. patro vpravo 15:45 16:15 MBE - V. Novák, budova F, 1. patro vlevo 16:15 16:35 Elektronová- a foto-litografie - K. Olejník, budova F, 1. suterén vpravo 16:35 16:55 Nanocharakterizace, AFM/STM - A. Fejfar/M. Ledinský, C sklep 17:00 17:20 Nanodiamanty, příprava, vlastnosti, aplikace - A. Kromka/? A sklep 17:25 17:45

Nanocon 1, Rožnov, 2009 Nanostruktury pro optoelektroniku souboj kaskádových laserů a struktur typu W o reálnou aplikaci jako zdroj laserového záření v blízké infračervené oblasti Eduard Hulicius Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i. Abstrakt V přednášce budou stručně popsány struktury kaskádových polovodičových laserů a laserové W struktury druhého typu na bázi GaSb. Dále budou diskutovány principy činnosti těchto struktur a budou srovnány s klasickými hetero- a nanostrukturami. Bude objasněn efekt nano, pomocí kterého se překonává omezení klasických struktur způsobené nezářivými Augerovými rekombinacemi. Bude zmíněn aplikační potenciál uvedených součástek jako koherentních i nekoherentních zdrojů záření v blízké infračervené oblasti a také současná situace ve vývoji a na trhu. Budou využity a prezentovány zkušenosti autora z EU projektů ADMIRAL, GLADIS a NEMIS co se týká struktur typu W a z návštěv řady zahraničních pracovišť, kde se připravují a studují kaskádové lasery.

Definice spektrálních oblastí: (Tab 1.1.). Vztahy mezi uvedenými veličinami vlnovou délkou l, energií E, frekvencí f a vlnočtem : l (mm) = 1.24/E (ev), f (THz) = 300 / l (mm), (cm -1 ) = 10 000/ l (mm) Wavelength (mm) Energy (ev) Frequency (THz) Wavenumber (cm -1 ) Visible Near Infrared (NIR) Mid Infrared (MIR) Far Infrared (FIR or THz) mm Wave 0.4-0.7 0.7-2.0 2.0-20 20-1000 >1000 1.7-3.1 0.6-1.7 0.06-0.6 0.001-0.06 <0.001 400-750 150-400 15-150 0.3-15 <0.3 14000-25000 5000-14000 500-5000 10-500 <10

Spektrální oblasti a aplikace LD Hlavní proud : viditelná a blízká infračervená oblast Jsou to materiály dnes většinou dobře zvládnuté z důvodů historických i technologických. Stále zůstává prostor na zlepšování parametrů, i zavádění nových struktur (kvantové tečky), převratný break through ale neočekávám. Přiléhající oblasti jsou ultrafialová (nitridy, ZnO, diamant,...? větší hustota optických pamětí, medicínské aplikace,..) střední infračervená:

Střední infračervená oblast elektromagnetického záření, která se obvykle definuje od 2 do 20 μm, je pro optoelektroniku velmi zajímavá nejen z hlediska aplikací: Detekce, přesné a citlivé měření koncentrací různých látek (hlavně atmosférických polutantů, ale i různých průmyslových plynů) laserovou absorpční spektroskopií; v lékařství - diagnostika - složení dechu, i terapie - aktivace léků IČ zářením, které pronikne dost hluboko; "free space" komunikace (atmosférické okno); konverze optické energie na elektrickou (termofotovoltaika); ve vojenství atmosférické okno pro laserové zbraně; detektory, citlivá termovize; detekce výbušnin, jedů a pod.; ostraha v 2. IČ oblasti ------------------- Historicky první aplikačně zaměřené práce zdrojích v (blízké) MIR oblasti byly podníceny pracemi na fluoridových vláknech s ještě nižším absolutním útlumem než mají křemenná vlákna (vlákna Dianov, FIAN; lasery - FIAN, GIREDMET, )

Wavelength Modulation Spectroscopy (WMS)

Závislost šířky zakázaného pásu na mřížkové konstantě vybraných polovodičových materiálů

Střední infračervená oblast je zajímavá i z hlediska nejmodernějšího materiálového inženýrství a nanotechnologií - vzhledem k využití kvantových jevů v nových součástkách: "W" struktury heteropřechodů II. typu - omezení nežádoucí Augerovy rekombinace; kaskádové lasery patrně současné nejsložitější polovodičové součástky; vlnová délka se mění geometrií, architekturou struktury negativní luminiscence pozoruhodný jev s zajímavými aplikacemi;

LD Laser Diode Laserová dioda

Rekombinace a propustné napětí

Emisní spektrum LED?

Spontánní a stimulovaná emise LD Zisk a ztráty v závislosti na energii fotonů, pro různé koncentrace elektronů v aktivní oblasti. Laserování začíná na dlouhovlnné straně spektra (absorpce).

hustoty stavů

Appendix 1 Augerova nezářivá rekombinace Dvoustupňový proces Augerovy nezářivé rekombinace. V této jednoduché pásové struktuře musí být přechody šikmé (zachování hybnosti k) (CHCC) Energie z rekombinace je využita pro přechod mezi těžkými a lehkými děrami (CHHL)

Obvyklý případ pro A III B V polovodiče - je excitována díra ze spinorbitálně odštěpeného pásu (CHHS) Rezonanční Augerův proces v křemíku vyžaduje účast dvou elektronů (typ CHCC)

11. Kaskádové lasery a lasery se strukturou typu W Souboj těchto dvou typů struktury o reálnou aplikaci jako zdroje laserového záření ve střední infračervené oblasti, kde je mnoho možností uplatnění v medicíně, ekologii, komunikacích i ve vojenství. Přiklad aktuálního, dosud nerozhodnutého špičkového aplikovaného výzkumu, kterého se přednašeč aktivně účastní.

Základní způsoby generace záření ve (střední) infračervené oblasti

Pozor, není to toto:

Tunable Emission Over a Wide Spectral Range Conduction band schematic of GaInAs/ AlInAs quantum cascade laser lattice matched to InP. Cross sectional schematic of laser waveguide structure. Photograph of a selfcontained prototype quantum cascade laser pointer realised at CQD. Demonstrated single mode emission from quantum cascade lasers spanning both atmospheric windows.

M. Razeghi, Center for Quantum Devices, Northwestern Univ., Evanston Uncooled Infrared (5-12 mm) Quantum Cascade Lasers Lasers operating in the mid- and far-infrared (5-12 mm) spectral region are desirable for many applications. Up until recently, the only such laser technologies available were based on bulky gas or solid-state lasers as well as cryogenically cooled semiconductor lasers. One of the most exciting projects at the Center for Quantum Devices (CQD) is uncooled infrared quantum cascade lasers (QCLs), which, being a semiconductor laser, is inherently compact and will help eliminate the need for bulky and unreliable cryogenic cooling. This translates to a smaller, cheaper, system with a longer lifetime and less maintenance. Besides our current records with respect to threshold current density and high peak power, we have recently demonstrated the highest power continuous wave QCLs at room temperature.

Distributed Feedback (DFB) Quantum Cascade Lasers

High Performance Lasers Operating at Room Temperature 75 period waveguide core Cavity: 3 mm x 25 mm Cross section image of a buried-ridge QCL laser. Cross section image of a Au electroplated QCL. Electrical and optical characteristics of a typical 9 mm quantum cascade laser operating in pulsed mode at room temperature. Peak output power of 2.5 W is the highest power for a quantum cascade laser in these conditions.

Highest average power QCL. Comparison of groups l>4 mm

Závěr (můj) W-DHS LD: ano 2 3,5 µm (možná do 4 µm) QCL: ano 200 3,5 µm (možná do 3 µm) Zatím Děkuji za pozornost

Naše výsledky v oboru struktur pro polovodičové lasery W-DHS (Double HetroStructure)

Podobně jako u LED je viditelná a blízká IČ oblast převážně průmyslová záležitost. Příprava LD pro střední a vzdálenou IČ i ultrafialovou oblast je velkou výzvou pro badatele. Často je také důležité nahradit stávající typy LD novými s výrazně lepšími parametry. Kvantové jámy (QW) Heteropřechody druhého typu Struktury s napnutými vrstvami Kvantové tečky (QD)

GaAs: buffer 230 nm AlGaAs-n typ 570 nm AlGaAs 400 nm GaAs 150 nm AlGaAs 320 nm AlGaAs-p typ 570 nm GaAs 700 nm GaAs:Te substrate SPSLS 12x (InAs / GaAs)

Srovnání laserů s ternární a supermřížkovou (MQW) aktivní oblastí Ternární InGaAs QW laser InAs/GaAs laser se supermřížkou Optical Power [a.u.] 200 150 100 50 0 Intensity 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 EL I ex =2 A I ex =2.25 A I ex =2.5 A I ex =3 A T=300 K 1.1 1.2 1.3 1.4 Emission Energy [ev] T 0 = 109 K laser A 25 o C 40 o C 50 o C 60 o C 70 o C 80 o C 85 o C Optical Power [mw] 120 100 80 60 40 20 0 Intensity 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 PL EL I ex =0.46A T=300K 1.1 1.2 1.3 1.4 Emission Energy [ev] T 0 = 126 K laser B 25 C 35 C 45 C 55 C 65 C 75 C 85 C 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Current Density [A/cm 2 ] 0 100 200 300 400 500 600 Current Density [A/cm 2 ]

Podobně jako u LED je viditelná a blízká IČ oblast převážně průmyslová záležitost. Příprava LD pro střední a vzdálenou IČ i ultrafialovou oblast je velkou výzvou pro badatele. Často je také důležité nahradit stávající typy LD novými s výrazně lepšími parametry. Kvantové jámy (QW) Heteropřechody druhého typu Struktury s napnutými vrstvami Kvantové tečky (QD)

EU projekty, týkající se MID IR oblasti Control of Enviromental Pollution by Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy in the Spectral Range 2-4 µm ERB 3512 PL 940813 * (COP 813) (1994-1997) Actaris SAS, DE, Schlumberger Industries SA, FR, University of Montpellier, FR, Thales, FR, Nanoplus, DE, Gaz de France, FR,, Gas Natural, ES, Omnisens, CH Advanced Room Temperature Mid-infrared Antimony-based Lasers by MOVPE (ADMIRAL) ERB INCO COPERNICUS 20CT97*BRITE/EURAM III-BRPR-CT97-0466 (1997-2000) EPICHEM, Bramborough, UK, AIXTRON, Aachen, Germany, RWTH, Aachen, Germany, UM2 University of Montpellier, France Gas Laser Analysis by Infra-red Spectroscopy (GLADIS) IST-2001-35178 (2002-2005) UM2 University of Montpellier, France, Ioffe Physicotechnical Institute St. Petersburg, Russia, Fraunhofer Institute, Garmisch-Partenkirchen, Germany, Institute of Electron Technology, Warsaw, Poland, IBSG, St. Petersburg, Russia

Optical Power [a.u.] 1400 1200 1000 800 600 400 200 25 C 50 C 0 0 10 20 30 40 50 Excitation Current [ma] 0-10 EL Intensity [db] -20-30 -40-50 -60-70 -80 T=25 C T=50 C T=70 C I ex =70 ma -90 2340 2360 2380 2400 2420 2440 2460 2480 Wavelength [nm]

The NEMIS project aims at the development and realisation of compact and packaged vertical-cavity surface-emitting semiconductor laser diodes (VCSEL) for the 2-3.5 µm wavelength range and to demonstrate a pilot photonic sensing system for trace gas analysis using these new sources. The availability of electrically pumped VCSELs with their low-cost potential in this wavelength range that operate continuously at or at least near room-temperature and emit in a single transverse and longitudinal mode (i. e. single-frequency lasers) is considered a basic breakthrough for laser-based optical sensing applications. These devices are also modehop-free tuneable over a couple of nanometers via the laser current or the heatsink temperature. They are therefore ideal and unmatched sources for the spectroscopic analysis of gases and the detection of many environmentally important and/or toxic trace-gases, which is a market in the order of 10 million Euro today with an expected increase into several 100 million Euro with the availability of the new VCSELs

Outline Application: trace gas sensing BTJ-VCSEL Design BTJ-VCSEL Results Summary Outlook

NEMIS project NEMIS IST 2005 31845 : New Mid-Infrared sources for photonic Sensors (University Montpellier 2 (F), WSI (G), IOP (Cz), Chalmers (Sw), Vertilas (G), Omnisens (CH), Siemens (G)) Gas analysis by absorption spectroscopy in the Mid-IR for environmental monitoring, industrial process control, (CH 4 and NH 3 detection at 2.3 µm, HF at 2.5 µm, ) Single frequency, P > 1 mw, CW, RT lasers VCSELs NEMIS project : EP GaSb-based VCSEL Three wavelength range of main interest defined by end users : 2.3 µm, 2.7 µm, 3.3 µm Create new mid-infrared sources for photonics sensors

Current Density (ka/cm 2 ) State of the art before NEMIS 1 st monolithic µ-cavity GaSb-based EP-VCSEL : P.I.N. structure : 2 AlAsSb/GaSb (N and P) DBRs, GaInSb/GaSb Type-II MQWs Laser operation at 2.2µm in pulsed regime (200 ns/1 KHz) at RT with I th >2kA/cm 2 (A. Baranov et al., Electronics Letters, 1998, Vol.34, p. 281) 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0-0.2-0.4-0.6-3 -2-1 0 1 2 3 4 Voltage (V) p-doped n-doped Contact diameter: 200 µm MQW Active region n-dbr n-contact p-contact p-dbr GaSb n-substrate Voltage drop per pair @ 1 ka/cm 2 : Te-doped DBR ~ 25 mv/pair Be-doped DBR ~ 155 mv/pair Optical losses : Te-doped DBR ~ 5 10 cm -1 Be-doped DBR > 40 cm -1 * Perona et al. Semi. Sc. Tech (22), 2007 PIN structure no optimized for RT CW operation

Buried Tunnel Junction p + GaSb:Si n + InAsSb:Si n + p + energy r = 2.5 10-6 W cm 2 with n = 1 10 19 cm 3 + - position Substitution: p-doped by n-doped material reduced electrical resistance lower absorption losses

Buried Tunnel Junction p + GaSb:Si p + energy space charge region n n + p + position blocking pn-junction current confinement by diameter d d

Summary GaSb-based VCSEL design with buried tunnel junction first device results: CO detection (57 ppm) cw laser emission up to 50 C @ 2.33 µm single mode emission Outlook reduction of absorption within the cavity improvement of current confinement better matching of field maximum and active region position improvement of device performance (output power and efficiency) extending VCSEL emission wavelength to 2.5-3 µm

Tunable Emission Over a Wide Spectral Range Conduction band schematic of GaInAs/ AlInAs quantum cascade laser lattice matched to InP. Cross sectional schematic of laser waveguide structure. Photograph of a selfcontained prototype quantum cascade laser pointer realised at CQD. Demonstrated single mode emission from quantum cascade lasers spanning both atmospheric windows.

Distributed Feedback (DFB) Quantum Cascade Lasers

High Performance Lasers Operating at Room Temperature 75 period waveguide core Cavity: 3 mm x 25 mm Cross section image of a buried-ridge QCL laser. Cross section image of a Au electroplated QCL. Electrical and optical characteristics of a typical 9 mm quantum cascade laser operating in pulsed mode at room temperature. Peak output power of 2.5 W is the highest power for a quantum cascade laser in these conditions.

Highest average power QCL. Comparison of groups l>4 mm

Závěr (můj) W-DHS LD: ano 2 3,5 µm (možná do 4 µm) QCL: ano 200 3,5 µm (možná do 3 µm) Zatím Děkuji za pozornost

Appendix 2 MBE technology for QCL and W-DHS

MBE ve FZÚ AV ČR, v. v. i.

Appendix 3 Project activity overview WP4 - Characterisation (2 nd year) Eduard Hulicius Institute of Physics, AS CR, Prague, Czech Republic

Contents WP objectives Progress towards objectives Optical constant of GaSb:Te and AlAsSb used for DBR Noise measurement High resolution absorption spectra of selected gases Ageing equipment and measurement Deviations from plan Deliverables/Milestones 63

WP objectives Optical constant of GaSb:Te and AlAsSb Noise measurement High resolution absorption spectra of selected gases Ageing measurement 64

Progress towards objectives Optical constant of GaSb:Te and AlAsSb OK, interesting results, partly published, will be continued. Noise measurement First set was measured, the second is measured, publication is prepared (comparison of GLADIS-FP and NEMIS-VCSEL). High resolution absorption spectra of selected gases Till now service, will be continued with NEMIS lasers as planned. Ageing measurement First results are available (pulsed only), cw and more lasers and higher temperatures will be made during the third year (and after!) as planned. 65

Optical constants of GaSb:Te and AlAsSb Equipment used: FTIR reflectance at the angle of incidence of 10 deg, Bruker IFS55 and IFS66 (vacuum), room temperature; Evaporated and sputtered gold as reference. MIR ellipsometer attached to Bruker IFS55. NIR-VIS-UV reflectance at the angle of incidence of 10 deg, Varian Cary, room temperature. NIR-VIS-UV reflectance at the angle of incidence of 0 deg, Avantes AvaSpec-2048, room temperature. Silicon as reference. 66

Optical constants of GaSb:Te 1.0 0.8 2.5x10 18 5x10 17 FIRrefl-FIRR1 REFLECTANCE 0.6 0.4 1x10 18 N f = 4x10 18 cm -3 0.2 GaSb:Te (2 mm, N f ) / GaSb:Te (N s =2.5x10 17 cm -3 ) 0.0 0 200 400 600 WAVENUMBER (cm -1 ) Effect of Te doping on the optical response of GaSb:Te is best seen in the FIR spectra: plasma of free carriers overlap with the restrahlen band of the polar vibrations of the GaSb lattice (TO frequency of 226.6 cm -1 ). Both free carriers and phonon contribute to lowering of the refractive index in the MIR range. Oscillator strengths obtained from the Drude-Lorentz fit quantify the effect. At lower dopings (<= 1E18 cm -3 ), the spectra are sensitive to the film thickness. 67

Optical constants of GaSb:Te GaSbFilms-ReflGap W gap, bare substrate, 2.5x10 17 cm -3 0.360 REFLECTANCE 0.355 5x10 17 1x10 18 2.5x10 18 N f = 4x10 18 cm -3 0.350 GaSb:Te (2 mm, N f ) / GaSb:Te (N s =2.5x10 17 cm -3 ) 5500 6000 6500 7000 W (cm -1 ) The bandgap range of GaSb:Te: Fermi energy penetrates the conduction band and increases the onset of absorption (Moss-Burstein shift). This slightly lowers the refractive index in MIR. 68

Optical constants of GaSb:Te 0.0002 N f = 4x10 18 cm -3 2.5x10 18 1x10 18 5x10 17 E g MIRrefl-DerR2 bare substrate, 2.5x10 17 cm -3 dr/dw (cm) 0.0000-0.0002 GaSb:Te (2 mm, N f ) / GaSb:Te (N s =2.5x10 17 cm -3 ) 2000 4000 6000 W (cm -1 ) The transparent range of intrinsic or slightly doped GaSb: The (thick) substrate is transparent and the spectra are influenced by the reflections on the (rough) backside; this is significant, since the optical contrast between the substrate and epilayer is small and the patterns produced by the coherent interference inside the epilayer are weak. The spurious contributions of the backsides are suppressed in differentiated spectra. 69

Optical constants of AlAsSb Ava_AlAsSb-ReflTOTa REFLECTIVITY 0.6 0.5 0.4 0.3 R595 (Montpellier) A2017 A2018 R590 (Montpellier), GaSb GaSb, cap 10nm AlAsSb, 2000 nm GaSb, substrate 2 3 4 PHOTON ENERGY (ev) The capped films of AlAsSb are transparent up to the visible range. The interference fringes provide fair sensitivity to both refractive index and film thickness. The capping layer influences strongly the spectra in NIR-VIS-UV range. In fact, above 3.5 ev, the penetration depth in GaSb is smaller than the cap thickness and the light does not see the ternary material. 70

Optical constants of AlAsSb 1.0 AlAsSb-ReflFIR 0.8 REFLECTIVITY 0.6 0.4 0.2 0.0 A2017 A2018 0 200 400 600 WAVENUMBER (cm -1 ) The FIR spectra of GaSb/AlAsSb/GaSb samples are rather complex, displaying the free carriers and lattice vibration of the substrate and cap GaSb, as well as the lattice vibration and (less clearly) free carriers in AlAsSb. The measured spectra (solid lines) can be fitted fairly well (dotted lines) assuming the Drude-Lorentz response of the substrate, film, and cap layer. There seems to be no clear signature of the significantly higher free-carrier density in A2018 compared to A2017, the target values being 5.2E17 and 2.3E18 cm -3, respectively. 71

Optical constants of AlAsSb AlAsSb-ReflMIR 0.40 A2017 REFLECTIVITY 0.35 0.30 0.25 0.20 A2018 1000 2000 3000 4000 5000 6000 WAVENUMBER (cm -1 ) The MIR spectra of GaSb/AlAsSb/GaSb samples are dominated by the interference within the ternary layer, with possible inclusion of the light reflected on the backside of the (transparent) substrate. 72

Optical constants of AlAsSb Ava_AlAsSb-ReflNIRa 0.45 A2017 d AlAsSb = 1869 2 nm d cap = 7.4 0.2 nm A2018 d AlAsSb = 1853 2 nm d cap = 6.9 0.2 nm REFLECTIVITY 0.40 0.35 0.30 0.25 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 PHOTON ENERGY (ev) The NIR spectra of GaSb/AlAsSb/GaSb are free from the spurious reflections on the backside of the substrate; they are suitable for a precise determination of film thicknesses from the fits (lines) of the measured data (symbols) using the twolayer GaSb-AlAsSb-GaSb(cap) system. 73

Optical constants of AlAsSb 0.55 0.50 R595 (Montpellier) d AlAsSb = 1968 2 nm d cap = 12.9 0.2 nm Ava_AlAsSb-ReflNIRm REFLECTIVITY 0.45 0.40 0.35 0.30 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 PHOTON ENERGY (ev) The NIR spectra of GaSb/AlAsSb/GaSb samples are free from the spurious reflections on the backside of the substrate; they are suitable for a precise determination of film thicknesses from the fits (lines) of the measured data (symbols) using the twolayer GaSb-AlAsSb-GaSb(cap) system.m Note the higher-lying envelope for the R595 sample, which is due to the thicker cap layer. 74

Optical constants of GaSb:Te and AlAsSb and evaluation of effective DBR layer thickness Summary of the target and optically measured film thicknesses Film thickness d in nm ====================== (error estimate in nm in parantheses) epilayers GaSb:Te/GaSb sample Te_content d(growth) d(optical) A1978 5E17 2000 1914(10) A1979 2.5E18 2000 1980(25) A1985 1E18 1970 1950(20) A1986 4E18 1970 1990(30) epilayers GaSb_subs/AlAsSb/GaSb_cap AlAsSb GaSb_cap sample d(growth) d(optical) d(growth) d(optical) A2017 1925 1869(2) 10 7.4(0.2) A2018 1925 1853(2) 10 6.9(0.2) 75

Noise measurement I-V and noise characteristics have been measured on NEMIS samples A 1847 and A 1853 (CW lasers from WSI) and A 1883 and A 1884 (pulsed laser from UM2). All these lasers were supplied on a provisional TO 46 headers with an optical window. 10-1 I-V characteristics: 10-3 I F / A 10-5 10-7 A1884 A1883 A1853 A1847 T=300K 10-9 0.5 1.0 1.5 U F / V 76

Noise measurement Results of noise measurements: S u / V 2 s 10-12 10-14 10-16 10-18 A1853 T=300K f =1kHz 100kW 10kW 1kW 100W 0 0.4 0.8 1.2 S u / V 2 s 10-11 10-13 10-15 10-17 A1883 T=300K f =1kHz 100kW 10kW 1kW 100W 0 0.5 1.0 1.5 U F / V U F / V 77

High resolution absorption spectra of CH 4 and CO measurement for WSI and Siemens According demands from WSI and Siemens absorption spectra of selected gases CH 4 and CO (CO 2 is under investigation) within the NEMIS spectral range were measured at lower and higher pressures at wavenumbers between 2000 and 6200 cm -1 with resolution of 0.01 or 0.02 cm -1. We have used spectrometer Brucker IFS 120 (highest resolution 0.001 cm -1 was not necessary to use). Gas pressures were from 1.5 to 60 torr. Influence of pressure up to 1 bar in the NEMIS spectral range on width of absorption lines will be studied during the third year of the project. 78

High resolution absorption spectra of CH4 and CO measurement for WSI and Siemens 1.6 5 4.5 4 3.5 3 2.5 l [mm] 1.5 Absorption spectra of selected gases were measured at low pressures and wavenumbers between 2000 and 6200 cm-1 CH4 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 1.55 Torr A=A+0.15 2.93 Torr A=A+0.10 6.12 Torr A=A+0.05 60 Torr 0.2 0.0 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000-1 W [cm ] 1.8 5 4.5 4 3.5 3 2.5 l [mm] 2 1.5 CO 1.6 1.4 A [arb. u.] A [arb. u.] 2 1.2 1.0 0.8 0.6 1.5 Torr A=A+0.10 2.4 Torr A=A+0.05 5 Torr 0.4 0.2 0.0 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000-1 W [cm ] 79

High resolution absorption spectra of CH 4 and CO measurement for WSI and Siemens l [mm] 2.32 2.31 2.3 2.29 1.6 1.4 1.2 CH4 1.55 Torr A=A+0.15 2.93 Torr A=A+0.10 6.12 Torr A=A+0.05 60 Torr 1.6 1.4 1.2 l [mm] 2.314 2.3132 2.3124 2.3116 2.3108 2.31 CH4 A [arb. u.] 1.0 0.8 0.6 0.4 A [arb. u.] 1.0 0.8 0.6 0.4 1.55 Torr A=A+0.15 2.93 Torr A=A+0.10 6.12 Torr A=A+0.05 60 Torr 0.2 0.2 0.0 0.0 4315 4320 4325 4330 4335 4321 4322 4323 4324 4325 4326 4327 4328 4329 W [cm -1 ] l [mm] 2.3125 2.31225 2.312 2.31175 2.3115 2.31125 2.311 2.31075 2.3105 2.31025 W [cm -1 ] 1.6 1.4 1.2 CH4 A [arb. u.] 1.0 0.8 0.6 0.4 1.55 Torr A=A+0.15 2.93 Torr A=A+0.10 6.12 Torr A=A+0.05 60 Torr 0.2 0.0 4324.0 4324.5 4325.0 4325.5 4326.0 W [cm -1 ] 80

High resolution absorption spectra of CH 4 and CO measurement for WSI and Siemens l [mm] 2.35 2.34 2.33 2.32 2.31 2.3 2.29 1.2 CO l [mm] 2.32 2.315 2.31 2.305 2.3 2.295 2.29 1.2 CO A [arb. u.] 1.0 A [arb. u.] 1.0 0.8 0.8 1.5 Torr A=A+0.10 2.4 Torr A=A+0.05 5 Torr 0.6 4260 4270 4280 4290 4300 4310 4320 4330 4340 4350 4360 W [cm -1 ] 1.2 1.5 Torr A=A+0.10 2.4 Torr A=A+0.05 5 Torr l [mm] 2.3325 2.332 2.3315 2.331 2.3305 l [mm] 2.32 2.319 2.318 1.2 CO 4320 4330 4340 4350 4360 W [cm -1 ] CO 1.0 A [arb. u.] A [arb. u.] 1.0 0.8 0.6 1.5 Torr A=A+0.10 2.4 Torr A=A+0.05 5 Torr 0.8 1.5 Torr A=A+0.10 2.4 Torr A=A+0.05 5 Torr 4287 4288 4289 4290 4310 4311 4312 4313 4314 W [cm -1 ] W [cm -1 ]

Laser ageing measurement

Laser ageing measurement Time dependence of optical power output of studied pulse lasers. 2.4 A1883 40mA A1884 30mA 1ms/100kHz 2.2 2.0 Output Power [a.u.] 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 120 240 360 480 600 720 840 960 TIME [hours] 83

Laser ageing measurement Glued pulse laser instability during first 500 hours 2.5 2.4 2.3 A1884 1us/100kHz/30mA 080912T0 080915T2 080916T4 080917T6 080918T8 16.9.2008 9:15 10:15 h. 18.9.2008 9:00 10:00 h. 1.80 1.75 A1883 1us/100kHz/40mA 080902T1 080903T3 080905T5 080908T7 080910T9 1.80 1.75 17.9.2008 10:00-11:00 h. 16.9.2008 10:15 11:15 h. 15.9.2008 10:15 11:15 h. 2.2 2.1 1.70 8.9.2008 10:50 11:50 h. 1.70 2.0 17.9.2008 9:00 10:00 h. 12.9.2008 10:15 11:15 h. STABILITY [mv] 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 15.9.2008 9:15 10:15 h. 12.9.2008 9:15 10:15 h. STABILITY [mv] 1.65 1.60 1.55 1.50 5.9.2008 10:30 11:30 h. 3.9.2008 8:30 9:30 h. 2.9.2008 14:30 15:30 h. STABILITY [mv] 1.65 1.60 1.55 1.50 A1883 1us/100kHz/40mA 080912T1 080915T3 080916T5 080917T7 080918T9 1.2 1.45 1.45 1.1 1.0 0 600 1200 1800 2400 3000 3600 TIME [s] 10.9.2008 11:15 12:15 h. 1.40 0 600 1200 1800 2400 3000 3600 TIME [s] 18.9.2008 10:00 11:00 h. 1.40 0 600 1200 1800 2400 3000 3600 TIME [s] 84

Laser ageing measurement Laser instability significantly decreases after 500 hours 2.5 2.4 2.3 A1884 1us/100kHz/30mA 081006T0 081008T2 1.80 1.75 A1883 1us/100kHz/40mA 080929T1 080930T3 081001T5 081002T7 [mv] 1.80 1.75 A1883 1us/100kHz/40mA 081006T1 081008T3 STABILITY [mv] 2.2 2.1 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 8.10.2008 9:00 10:00 h. 6.10.2008 9:00 10:00 h. STABILITY [mv] 1.70 1.65 1.60 1.55 1.50 1.45 1.40 3.10.2008 10:00 11:00 h. 1.10.2008 10:00 11:00 h. 2.10.2008 10:00 11:00 h. 29.9.2008 10:15 11:15 h. STABILITY [mv] 1.70 1.65 1.60 1.55 1.50 1.45 1.40 6.10.2008 10:00 11:00 h. 1.2 1.1 1.0 0 600 1200 1800 2400 3000 3600 TIME [s] 1.35 1.30 30.9.2008 9:15 10:15 h. 0 600 1200 1800 2400 3000 3600 TIME [s] 1.35 1.30 8.10.2008 10:00 11:00 h. 0 600 1200 1800 2400 3000 3600 TIME [s] 85

WSI L-I-V measurement Light output-current-voltage (L-I-V) curve Temperature dependent L-I curve Information of the mode-gain offset Differential series resistance Differential quantum efficiency 86

WSI L-I-V measurement Photograph showing the schematic representation of L-I-V measurement setup. 87

WSI Spectra Measurement Vertex 70 FTIR (Bruker Optics GmbH) Spectra measurements with high resolution SMSR (Side Mode Suppression Ratio) Stopband of the DBR Characterization of the PL samples 88

WSI XRD Measurement Intensity (cts/c) 10 4 Substrate AlSb/GaSb DBRs 10 3 10 2 10 1 10 0 Active region QW 10-1 58 59 60 61 62 (degree) Calibration of the MBE growth rate Control of the quatum well strain Information of the material composition 89

Deviations from WP4 plan/measures Small delay in ageing measurement due to delay of final NEMIS laser supply. Not important for final conclusions. Not expected continuation of DBR material optical measurements, which will be continued in the third year, because interesting and publishable results can be obtained. Interesting dissemination of NEMIS related results, which can be interesting for other researchers and applicators. 90

WP4 deliverables/milestones No deliverables or milestones in WP4 for this second year period. 91

WP4 near term plans MBE in-situ and ex-situ characterisations:wsi and UM2 the same as during the second year Specific diagnostic and more precise characterisation: IOP with collaboration of WSI and UM2 - optical constants of Bragg mirror materials - GaSb:Te - measurement of the noise of lasers: IOP Ageing of laser sets: IOP, lasers supplied by VERTILAS, WSI and UM2 - work on the standard (industrial) degradation equipment VERTILAS Laser absorption spectroscopy (LAS) measurements: IOP laser emission parameters change during ageing preparation of calibration of VCSELs by LAS exact measurement of selected gases at higher pressures

Comments Equipment, characterisation and diagnostic methods, results and conclusions which were incorporated in WP4 report by other partners will be (were) presented in detail by them during this meeting. Thank you for your attention 93

Appendix 4 The NEMIS Project details

Devices processing 1 Au/Ge/Ni top contact deposition 2 Wet etching 3 Isolation 4 Contact report 5 Substrate thinning and Au/Ge/Ni bottom contact deposition InAsSb stop etch => wall etching Simple and fast process Ring electrodes with several internal diameters : 10µm, 20µm, 40µm, 80µm and 160µm

EP-VCSEL performances at 2.3 µm Threshold Current (ma) 20 15 10 5 Pulsed operation 3µs / 100kHz Total diameter 60µm 0 0 180 200 220 240 260 280 300 Temperature (K) 600 400 200 Threshold Current Density (A/cm 2 ) Voltage (V) 0 200 400 600 800 1000 1200 3 2 2 1 11 C 13 C 15 C 17 C 19 C 20 C Current density (A/cm 2 ) CW 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Current (ma) 1 Optical power (arb.un.) Normalized optical power (db) 0-5 -10 11 C CW l I=0.31nm/mA 2.3075 2.3100 2.3125 2.3150 Wavelength (µm) 28 ma 29mA 30 ma 31mA 32 ma Pulsed operation (3 µs/100 khz) : Operation above 300K (J th ~0.6 ka/cm 2 ) J th min (0.3 ka/cm 2 ) @ 250K CW operation : Maximum temperature 293K I th (CW) ~ 1 ka/cm 2 @ 284K Wavelength shift Δλ/ΔI = 0.31 nm/ma

VCSEL Design p-contact dielectrical mirror: 4 x Si / SiO 2 (R = 99.7%) light active region: 5 Ga 0.63 InAsSb 0.89 quantum wells Al 0.33 GaAsSb 0.97 barriers (1.6% lattice mismatch) epitaxial mirror: 24 x AlAsSb / GaSb (R = 99.8%) n-gasb substrate n-contact buried tunnel junction (BTJ)

VCSEL Design - Field distribution 4 refractive index 3 2 1 E 2 active region BTJ 0 position

VCSEL Results L-I-V Characteristics voltage (V) 1.5 1.0 0.5 20 C 30 C 40 C -10 C 0 C 10 C T h 50 C 0.0 0 5 10 15 20 100 80 60 40 20 0 output power (µw) 8 µm current (ma) continuous wave operation up to 50 C @ -10 C: I th = 2.3 ma j th, eff = 2.0 ka / cm 2 U th = 0.85 V P max = 79 µw

CO Detection with GaSb-based BTJ-VCSEL normalized second harmonic spectrum (a.u.) measured fit 2.324 2.326 2.328 2.330 wavelength (µm) 57 ppm CO * Wavelength Modulation Spectroscopy (WMS): small-signal wavelength modulation (f = 10 khz) superimposed on a constant bias I 0 = 7 ma * Jia Chen et al. Siemens Corporate Technology, Power & Sensor Systems first gas absorption measurements have been performed 57 ppm CO detection @ 2.33 µm by Siemens Corporate Technology

Appendix 5 MOVPE laboratory MIR co-operations 1) ČVUT Praha FEL 13) ÚRE/ÚFE AVČR Praha 2) VUT Brno FStavební 14) Univ. Porto, Portugal 3) Montpellier University, France 15) S-Y-S University, Kao-Shung, Taiwan 4) NanoPLUS, Germany 5) VŠCHT Praha - FCHI - ÚFCH 6) EMF Limited, UK 7) ÚFCH AVČR Praha 8) MU Brno - PřF - ÚFPF 9) EU SAV Bratislava Slovakia 10) Budapešť, Hungary 11) FTI A.F.Ioffe St. Petersburg Russia 12) MFF UK Praha Red = MidInfrared, (Partly) Blue - other cooperations (QD mainly)

Sylabus dvouhodinové semestrální přednášky "Nanotechnologie"pro obor bakalářského studia "Fyzikální inženýrství" zaměření "Fyzika nanostruktur" Eduard Hulicius, (hulicius@fzu.cz), Laboratoř MOVPE, Oddělení polovodičů, Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i. Praha 6, Cukrovarnická 10 ttp://www.fzu.cz/oddeleni/polovodice/technologie.html http://www.fzu.cz/texty/brana/movpe/movpe.php 4. a 5. Polovodičové detektory záření: Solární fotovoltaické články, detektory s kvantovými tečkami. Fotovoltaický jev, zvyšování účinnosti přeměny světelné energie na elektrickou pomocí nanostruktur, různé typy fotovoltaických článků - nové zdroje elektrické energie. Rekordní účinnosti, perspektivy a omezení. Aplikace fotovoltaiky v kosmu, termofotovoltaika a ostatní okrajové využití. Informace a poznatky z práce Pačesovy energetické komise. Pohled na fotovoltaiku z hlediska fyzikálního, nikoliv ekonomického či ideologického.

Fotovoltaika Přímé využití sluneční energie v České republice Eduard Hulicius FZÚ AV ČR, v. v. i. Fyzikální čtvrtky, FEL- ČVUT, říjen 2009 Většina dat je z let 20072008 Pačesova energetická komise

2.1 Solární kolektorové systémy pro přípravu tepla 2.1.1 Standardní ploché kolektory 2.1.2 Vakuové - trubicové i ploché 2.1.3 Koncentrační, natáčecí 2.1.4 Teplovzdušné kolektory 2.1.5 Koncentrační kolektory na bázi lineární Fresnelovy čočky Osvětlovací funkce kolektoru; Klimatizační funkce; Příprava teplé užitkové vody 2.2 Solární zrcadlové systémy pro ohřev různých látek a následnou výrobu elektrické energie 2.2.1 Pomocí parního cyklu. Žlabový sběrač Diskový sběrač Heliostaty 2.2.2 Pomocí teplovzdušného cyklu

2.3 Solární fotovoltaické systémy pro přímou výrobu elektrické energie 2.3.1 Princip 2.3.2 Materiály a) Křemíkové desky Řezané Si monokrystalické desky (substráty) Přímo připravené tenké Si podložky (většinou polykrystalické) b) Monokrystalické podložky z materiálů A III B V, převážně GaAs, InGaAs, nebo GaSb c) Tenké vrstvy na skleněných či polymerních podložkách Amorfní křemík Hybridní tandemové FVČ z amorfního a polykrystalického Si Materiály A II B VI Barvivem aktivované (Dye Senzitized) materiály na skle či polymeru Organické a hybridní 2.3.3 Obecné shrnutí...

3. Současný stav v ČR 3.1 Solární kolektorové systémy pro výrobu tepelné energie 3.2 Solární zrcadlové systémy pro ohřev kapalin a následnou výrobu elektrické energie. 3.3 Solární fotovoltaické systémy pro přímou výrobu elektrické energie Velké instalace u nás: Elektrárna Bušanovice Elektrárna Opatov Dotace 4. Zhodnocení, komentář, prognóza 4.1 Solární kolektorové systémy pro výrobu tepelné energie 4.2 Solární zrcadlové systémy pro ohřev kapalin a následnou výrobu elektrické energie 4.3 Solární fotovoltaické systémy pro přímou výrobu elektrické energie 5. Literatura a odkazy

6. Apendix 6.1 Termofotovoltaika Předpokládané využití Použití sluneční energie Použití jaderné energie 6.2 Termoelektročlánky 6.3 Mimo-pozemská fotovoltaika 6.3.1 Fotovoltaické elektrárny na družicích a sondách 6.3.2 Fotovoltaické orbitální elektrárny 6.4 Solární systémy pro výrobu vodíku 6.4.1 Vysokoteplotní elektrolýza Účinnost; Materiály; Ekonomický potenciál 6.4.2 Fotosyntéza 6.4.3 Fotoelektrochemické cely 6.5. Skladování energie; Skladování tepla 6.6. Rizika, vandalismus a krádeže

Podklady: [1] Zpráva MPO 2006, Obnovitelné zdroje energie v roce 2006, Výsledky statistického zjišťování [2] Report Yole développement 2007 [3] Solartec http://www.itest.cz/solar/solar2007.htm#1 [4] http://www.solarniliga.cz/primat.html [5] wiki o termofotovolt http://cs.wikipedia.org/wiki/termofotovoltaika [6] J. Motlík, O. Neumayer, T. Matuška, M. Šafařík, V. Stupavský, J. Štekl, V. Myslil, Asociace pro využití obnovitelných zdrojů energie, PODROBNÉ BILANCE OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ ENERGIE, první etapa, prosinec 2007 [7] 4th Workshop on the Future Direction of Photovoltaics 7th March 2008, Aogaku in Tokyo, Japan [8] PV FAQs, National Renewable Energy laboratory, for US Dep. Of Energy, DOE/GO- 102005-2113, June 2005 [9] Huber C., T. Faber, R. Haas, G. Resch, J. Green, S. Ölz, S. White, H. Cleijne, W. Ruijgrok, P.E., Morthorst, K. Skytte, M. Gual, P. Del Rio, F. Hernández, A. Tacsir, M. Ragwitz, J. Schleich, W., Orasch, M. Bokemann, C. Lins: Final report of the project Green-X a research project within the fifth framework programme of the European Commission, supported by DG Research, Vienna University of Technology, Energy Economics Group (EEG), 2004

Sluneční energie: Celkový zářivý výkon slunečního záření je 3,9 10 26 W a životnost je dostatečná. Na zemskou atmosféru dopadá 170 10 15 W, od atmosféry se odrazí 50 10 15 W, sekundárně se vyzáří 80 10 15 W, na zemský povrch dopadne tedy 40 10 15 W, což je asi o čtyři až pět řádů víc než lidstvo nyní spotřebovává. Z hlediska spektrálního (rozložení energie fotonů) jde o velmi široké spektrum od gama záření přes rentgenové, ultrafialové a viditelné až po infračervené, včetně tepelného. Na Zemi dopadne za rok v našich podmínkách průměrně 950 kwh/m 2 1100 kwh/m 2 energie (severní Čechy jižní Morava). V jižněji položených pouštních oblastech (Sahara) to může být až třikrát víc. V našich podmínkách by stávající výrobu elektrické energie v ČR (80 TWh/rok) pokrylo pokrytí asi 80 km 2 při 100% účinnosti, přes 500 km 2 při reálných 15% asi 1 500 km 2 při nakloněných kolektorech.

Definice: Jednotka výkonu Wp (Watt peak): Nominální výkon fotovoltaických panelů je udáván v jednotkách Watt peak (Wp), jde o výkon vyrobený solárním panelem při standardizovaném výkonnostním testu, tedy při energetické hustotě záření 1000 W/m 2, 25 C a světelném spektru odpovídajícím slunečnímu záření po průchodu bezoblačnou atmosférou Země (Air Mass 1,5). Watt peak je jednotkou špičkového výkonu dodávaného solárním zařízením za ideálních podmínek, jde tedy přibližně o výkon dodávaný panelem za běžného bezoblačného letního dne. ((na Wh je to asi 10% 15% u nás, jinde až 40%))

Přímými zdroji rozumíme: A) Solární kolektorové systémy pro přípravu tepelné energie. B) Solární zrcadlové systémy pro ohřev kapalin či plynů a následnou výrobu elektrické energie. C) Solární fotovoltaické systémy pro přímou výrobu elektrické energie. Nebudu popisovat: Pasivní využívání sluneční elektromagnetické energie pro ohřev (i klimatizaci) budov pomocí speciální architektury. Termofotovoltaické články (principiálně velmi podobné fotovoltaickým), které však pro výrobu elektrické energie nevyužívají sluneční záření. Biologické fotosyntetické konvertory sluneční energie. Ostatní zdroje též založené na sluneční energii, ale jaksi nepřímo (větrné, biomasa, fosilní-uhlíkové....). Nepopisuji zde ani větrné sluneční elektrárny, využívající proudění stoupajícího teplého vzduch ohřátého při zemi sluncem pomocí zrcadel. (Jednak je to dost exotické a také to spíš patří mezi větrné elektrárny.)

Stručné principy činnosti jednotlivých systémů A Solární kolektorové systémy pro přípravu tepla 1) Standardní ploché kolektory Sluneční elektromagnetické záření, prakticky všech vlnových délek, je z velké části absorbováno a tepelná energie je odváděna kapalným médiem na místo uskladnění či využití. Ploché kolektory se skládají z dobře tepelně vodivých plechů se zabudovanými trubkami (absorbér), skleněného pokrytí přední strany a z tepelné izolace po stranách a za absorbérem. Mohou sloužit jako stavební části budov a zabudovávají se do lehkého rámu z ocelového plechu, hliníku nebo ze dřeva. Absorbér se ve většině případů skládá z mědi, slitiny mědi a hliníku nebo z chromniklové oceli s černou vrstvou. Tepelně dobře vodivé, časově stabilní a levnější umělé hmoty jsou zatím hudbou budoucnosti.

Na zadní straně absorbéru jsou zabudovány teplonosné trubky, do kterých se předává teplo generované absorbovaným zářením. V trubkách proudí teplonosné médium, které teplo přebírá. Absorbér by měl být schopen nejen dobře absorbovat dopadající energii, ale také co nejméně této energie přeměněné na teplo vyzařovat zpět do jeho okolí. Levné, velmi rozšířené, nevyžadují natáčení za sluncem. Moduly se vyrábějí ve velikostech od jednoho do desítek m2. Záruka životnosti bývá 20 30 let, což je dostatečné z hlediska ekonomického, ale pro fasádní prvky je to málo. Podstatné zlepšení je však pravděpodobné. Kolektor Buderus Logasol SKN 3.0-w, má rozměry 2070 x 1145 x 9 mm, hmotnost je 42 kg a cena celkem po slevě i s DPH 19% je 23 627,45 Kč. Na trhu jsou ovšem i kolektory podstatně levnější. Někdy se vyrábějí i podomácku.

2) Vakuové - trubicové i ploché (pro přípravu tepla) Tyto sluneční kolektory využívají jako tepelnou izolaci ohřátého média vakuum, vytvořené mezi dvěma skleněnými trubicemi. Proti klasickým plochým kolektorům mají vyšší účinnost, a to zejména v nepříznivých klimatických podmínkách. Na vnitřní trubici je nanesena selektivní absorpční vrstva, na které dochází ke přeměně energie slunečního záření na tepelnou. Vzniklé teplo se odvádí speciálními hliníkovými lamelami do měděných trubiček, ve kterých proudí teplonosná kapalina, nebo tato kapalina proudí přímo vnitřní skleněnou trubicí s absorpční vrstvou. Existují i ploché vakuové kolektory, které jsou směrově selektivní a hůře izolují (vyztužovací spojky, inertní plyn). Jsou ale levnější než trubicové. Velmi účinné i v horších podmínkách, ale dražší, choulostivější a pravděpodobně s nižší životností. Trubice lze sice měnit, ale může být problém těsnosti a životnost (pokles výkonu)? Cena: Tecnotrade: 13 430,- Kč (bez DPH) za panel 2,5 m 2 (2007/8)

Deklarovaná životnost: na bázi Al - 20 let;z nerezu 30 let. Výkon: 800 kwh/rok/m 2.Zdroj: http://www.itest.cz/solar/vermos.htm. Největší solární termické systémy v ČR jsou na hotelu DUO v Praze na Proseku - plocha vakuových trubicových kolektorů je 588 m 2 a na koupališti v Rusavě u Zlína (550 m 2 ). Instalace na hotelu vznikla bez dotace i úvěru. Viz http://www.solarniliga.cz/primat.html (2007/8)

3) Koncentrační, natáčecí (pro přípravu tepla) Jejich hlavní výhodou je znásobení energetického toku na co nejmenší absorbér, který má díky svým rozměrům daleko menší ztráty a rychlejší ohřev náplně, než by měl běžný plochý absorbér. Tímto je dosaženo vyšších provozních teplot i v zimním období nebo při značně proměnlivém počasí. Další nezanedbatelnou výhodou je to, že m 2 plochy odražeče je levnější než m 2 běžného kolektoru. Dají se rozdělit na ty které koncentrují záření využitím lomu světla (čočky) a na ty, které ke koncentraci využívají odraz (od tzv. koncentračních zrcadel či odražečů). Výhody: Vysoká účinnost i při nízkých vnějších teplotách (díky nízkým tepelným ztrátám a velkému energetickému toku), celoroční provoz využitelný pro ohřev teplé užitkové vody, účinný provoz od východu do západu slunce, efektivní provoz i při proměnlivém slunečním svitu. Nevýhody: Nutnost natáčecího systému pro sledování slunce, větší nároky na prostor, nezužitkují difusní záření.

4) Teplovzdušné kolektory (pro přípravu tepla) Teplovzdušný kolektor je solární zařízení, které slouží k přitápění objektů v přechodném období. Jedná se o solární panel k přímému ohřevu vzduchu. Sluneční záření se při dopadu na absorbér mění na teplo a ohřívá vzduch uvnitř kolektoru. Při zahřátí vzduchu nad 33 C se automaticky uvádí do provozu ventilátor, který ve spodní části kolektoru nasává chladný vzduch z objektu a vhání do místnosti vzduch ohřátý. Jejich cena je přibližně dvojnásobná oproti klasickým plochým kolektorům, nicméně instalace teplovzdušných kolektorů nevyžaduje žádné teplovodní rozvody ani akumulaci vyrobeného tepla, takže jejich použití může být v některých případech výhodnější, současně je ale ztráta možnosti akumulace velkou nevýhodou. Deklarovaná životnost teplovzdušných kolektorů je přibližně 20 let.

4) Koncentrační kolektory na bázi lineární Fresnelovy čočky Jde o koncentrační sluneční kolektory jako víceúčelové zařízení, v němž jsou skloubeny prvky aktivního i pasivního solárního systému. Základním konstrukčním prvkem je koncentrátor slunečního záření - lineární Fresnelova čočka, vyráběná ze skla metodou kontinuálního lití. Dvojskla s lineární Fresnelovou čočkou osazená do hliníkových nebo dřevěných zasklívacích rámů jsou pak součástí střešního pláště a nahrazují střešní krytinu. Lineární Fresnelova čočka soustřeďuje přímou složku slunečního záření do lineárního ohniska, kde se nachází absorbér z hliníkového profilu s vyvložkovanou měděnou trubkou, na kterém dochází k přeměně koncentrovaného slunečního záření na teplo. To je z absorbérů odváděno teplonosnou kapalinou. Se změnou polohy slunce na obloze se musí měnit i poloha ohniska Fresnelových čoček. Z toho důvodu je rám s absorbéry pohyblivý a řídící elektronika kolektoru natáčí absorbéry tak, aby vždy nacházely v místě maximální koncentrace slunečního záření, tedy v ohnisku čoček.

Osvětlovací funkce kolektoru - střešní plášť nad místností je transparentní (průsvitný) a do prostoru pod kolektorem tak prochází sluneční záření. Jeho energeticky významná část - přímá složka je čočkou zkoncentrována a pohlcena na absorbérech. Interiér je tak rovnoměrně osvětlen pouze rozptýleným světlem bez kontrastních stínů a není vystaven světelným "šokům", které způsobuje proměnlivá oblačnost. Klimatizační funkce tohoto typu kolektoru - energeticky významná přímá složka slunečního záření je zkoncentrována Fresnelovou čočkou na pohyblivé absorbéry a na jejich černém povrchu je přeměněna na teplo. Ve formě ohřáté teplonosné kapaliny může pak být zhruba 60% energie přímé složky slunečního záření odvedeno mimo osvětlovaný prostor, nad kterým jsou nainstalovány kolektory. Tento jev významně přispívá ke snížení energetické zátěže interiéru pod kolektorem, zejména v letních měsících.

Příprava teplé užitkové vody - teplo, které vzniká na černém povrchu absorbérů fototermální přeměnou koncentrovaného slunečního záření je odváděno protékající teplonosnou kapalinou a prostřednictvím výměníku tepla je předáváno do akumulační nádrže nebo do bojleru. V porovnání s výkonovými parametry klasických plochých kolektorů vychází koncentrační kolektor Solarglas SG1 na přibližně trojnásobek ceny (vztaženo k metru čtverečnímu plochy). Koncentrační kolektor však není plnohodnotným kolektorem, jde především o prosvětlovací stavební prvek, funkce slunečního kolektoru (tedy výroba tepelné energie) je až sekundární. Všechny tyto systémy (popsané v části 2.1.) se hodí pro lokální vytápění či ohřev vody. S výhodou je lze umísťovat na střechy či stěny budov. Jsou ekonomicky výhodné. Jejich další rozvoj však též velmi záleží na estetickém vnímání památkářů, architektů a stavebníků-investorů.

B Solární zrcadlové systémy pro ohřev různých látek a následnou výrobu elektrické energie V absorbéru - kotli - vzniká přehřátá pára nebo horký plyn a prostřednictvím konvenčního parního cyklu nebo vysokoteplotního teplovzdušného cyklu se vyrábí elektrický proud. Na 100 MWp je třeba 0,9 km 2 zrcadlové plochy, umístěné na 3,8 km 2 celkové rozlohy (na naší rovnoběžce). Účinnost je i ve slunných oblastech pouze 15-20 %. Zbytek jsou ztráty v přenosu záření od zrcadel na ohřívané médium a při přeměně na elektřinu a energie potřebná k pohánění systému otáčivých zrcadel. Zařízení pro výrobu páry a elektrické energie je stejné jako u klasických elektráren.

1) Pomocí parního cyklu. Sluneční záření, soustředěné sběrači, se v absorbéru přemění na teplo a teplonosná kapalina (např. roztavená sůl nebo olej a pod.) se zahřeje na vysokou teplotu. V tepelném výměníku se předá teplo vodě, která se přemění na páru pohánějící parní turbínu. Základním prvkem jsou fokusační sběrače nebo heliostaty: a) Žlabový sběrač - má tvar žlabu s parabolickým průřezem. V ohnisku jednotlivých úseků parabolického žlabu je černá trubice s teplonosnou kapalinou - absorbér. V trubici se kapalina zahřívá na teplotu několika stovek C. Pro zvýšení výkonu se kolektory spojují do větších soustav. Sběrače je nutno natáčet za sluncem. b) Diskový sběrač je to obdoba parabolického automobilového reflektoru. Sluneční paprsky se soustřeďují do plochého ohniska, kde je umístěný absorbér. Kapalina zahřátá v absorbéru se potrubím odvádí do místa dalšího využití. Má-li mít parabolické zrcadlo velký průměr, sestavuje se z většího počtu vhodně sestavených menších zrcadel. Parabola se opět musí natáčet za sluncem.

c) Heliostaty - skupina vhodně rozmístěných pohyblivých rovinných zrcadel. Každé zrcadlo se během dne automaticky natáčí tak, aby paprsky od něho odražené dopadaly na absorbér. Heliostaty se nejčastěji používají k soustřeďování světla do ohniska tzv. slunečních pecí a věžových slunečních elektráren. Největší současné (2008) sluneční elektrárny žlábkového typu jsou SEGS VIII v Kalifornii, s výkonem 30 MWp, která má celkem 1,5 miliónu zrcadlových válcových desek s parabolickým ohniskem a Solar One v Nevadě s výkonem 65 MWp. Největší sluneční věžová-heliostatová elektrárna Solar One má výkon 10 MWp. Byla postavena v Kalifornii u města Barstow. Elektrárna je zapojena do veřejné elektrické sítě jako špičková. Sluneční energie je zde zachycována 1 800 velkými zrcadly o celkové ploše 40 hektarů (asi 70 fotbalových hřišť). Při zdejším velice vysokém ročním slunečním svitu (2 645 kwhm -2, u nás je to méně než polovina) počítají provozovatelé s roční výrobou 15 milionů kwh.

2) Pomocí teplovzdušného cyklu Jde o použití solárního ohřevu pro Stirlingův nebo teplovzdušný motor vyrábějící elektřinu. Pracovní plyn je v těchto motorech ohříván ve výměnících teplem ze solárních koncentrátorů. Motor je složen ze dvou pístových strojů, opatřených nuceně ovládanými ventily. První je kompresor, ve kterém je pracovní plyn stlačován na požadovaný tlak. Po stlačení plyn vstupuje do ohřívače, kde je teplem přivedeným zvenčí zahřátý na potřebnou teplotu a pak postupuje do plynového motoru, kde expanduje a koná práci. Plyn po expanzi může být odveden výfukem do atmosféry (otevřený cyklus) nebo může být veden přes chladič, kde se ochladí na původní teplotu a vrací se zpět do kompresoru. Pro podobné motory se vžil název teplovzdušné motory a používá se dodnes, i když vzduch byl většinou nahrazen jinými plyny s lepšími termodynamickými vlastnostmi.

Pravděpodobně největší realizace tohoto typu elektrárny je podle zpráv z tisku připravovaná v USA, kde se bude sluneční elektrárna o celkovém výkonu 500 MWp a uvažuje se, že výhledově může být její výkon zvýšen až na 850 MWp. Stavba bude umístěna v pouštních oblastech jižní Kalifornie a bude založena na jednotce o výkonu 25 kwp. To znamená, že elektrárnu bude tvořit 20 000 jednotek pro dosažení celkového výkonu 500 MWp, respektive 34 000 jednotek pro dosažení 850 MWp. Výrobní cena jednotky (Stirlingův motor se zrcadlovým kolektorem a s příslušenstvím) je v současné době okolo 150 000 USD, ale při sériové výrobě se předpokládá pokles ceny zhruba na jednu třetinu.

Spojení Strilingova motoru s heliostatem (Dish-Stirling) již bylo ověřeno na prototypu o výkonu motoru 27 kw s výstupním výkonem generátoru 12 kw. Donedávna tato kombinace držela světové prvenství v největší účinnosti konverze sluneční energie na elektrickou energii (35 %) mezi všemi solárními teplotními systémy. Koncem dvacátého století byl zkušebně postaven takovýto malý systém, který měl vyhovět místním potřebám. Schlaich, Bergermann a Partner (SBP) postavili první Dishovu-Stirlingovu jednotku DISTAL 1 o výkonu 9 kw pro dlouhodobou zkoušku. Ta úspěšně splnila vytyčené požadavky. Trvalý provoz od roku 1992 skončil po 29 000 hodinách v roce 1997. V dalším, zlepšeném typu DISTAL 2 (tab. 1) byl Stirlingův motor umístěn v ohnisku koncentrátoru, jehož průměr byl zvětšen na 8,5 m, a tak bylo dosaženo výkonu asi 850 W/m 2. Na povrchu přijímače tepla (obr. 3) byla teplota 820 C, teplota pracovního plynu helia při tlaku 15 MPa byla asi 650 C.

Okamžitý výkon těchto typů elektráren popsaných v odst. 2.2 lze odvodit od polohy slunce, plochy zrcadel, ztrát na nich, reflexních ztrát absorbéru a účinnosti parogenerátorového cyklu. Celkový výkon záleží, jako u jiných typů solárních elektráren, na délce a síle slunečního svitu. Životnost (a pokles výkonu) záleží na prostředí (prašnost, abrazivnost - zrcadla) a odolnosti materiálu vystavenému velkým tepelným šokům (absorbéry). Výhodou jsou standardní parametry vyráběné elektřiny (napětí, střídavý proud) a staletími ověřený, bohužel však stále málo účinný, parní cykl. Hodí se do míst stálého a intenzivního slunečního svitu a s nízkou hustotou osídlení. Vyžadují několikanásobně větší plochu než je jen aktivní plocha zrcadel (kvůli natáčení). Hodí se na velké systémy. Znovuobjevení možnosti využít Stirlingův motor pro generaci elektřiny však umožňuje použití v menších systémech a dává naději na další zvýšení účinnosti.

C Solární fotovoltaické systémy pro přímou výrobu elektrické energie Fotovoltaické/fotoelektrické systémy přeměňují sluneční energii přímo na elektrický proud. Sluneční články fotoelektrických zdrojů využívají jak přímé, tak difúzní, plošné i koncentrované sluneční záření. Stávající účinnost při přímém osvětlení je 1 až 42 %, teoretická mez pro složité a drahé vývojové mnohovrstvé články je přes 60%, u současných cenově dostupných článků je to typicky kolem 15% (fungují i při difúzním osvětlení, to ale příkon i výkon řádově klesne). Životnost bývá udávána 20 až 30 let (výjimečně i výrazně kratší), záruky výrobců jsou podobné (možná spoléhají na morální zastarání čipů ). Z hlediska poměru cena/výkon je nyní nejvhodnější a nejpoužívanější materiál na fotovoltaické články pro pozemské účely křemík. Využívá se v řadě modifikací monokrystalický, amorfní, poly- i nano-krystalický. Monokrystalický křemík absorbuje světlo o kratší vlnové délce než zhruba 1 mikrometr (fotony o větší energii než zhruba 1,1 elektronvoltů), to jest část infračerveného, celé viditelné a ultrafialové spektrum. Absorbuje tedy větší část celého slunečního spektra.

Sluneční spektrum po průchodu atmosférou pod úhlem 48 od normály (tzv. spektrum AM 1,5). Současně je vyznačena absorpční hrana krystalického křemíku. Převzato od M. Vaněčka, FZÚ AV ČR, v. v. i., Brána pro veřejnost

Dopadá-li na křemík foton o energii menší než 1,1 elektronvoltu (ev je energie, kterou získá elementární náboj jednoho elektronu potenciálovým spádem 1 voltu), projde křemíkem a není absorbován. Když je jeho energie větší než 1,1 elektronvoltů (tato energie odpovídá šířce zakázaného pásu, a tedy absorpční hraně křemíku) pak je tento foton absorbován a v polovodiči vznikne jeden volný elektron a jedna volná díra. Energetický rozdíl mezi energií dopadajícího fotonu a šířkou zakázaného pásu se přeměňuje na teplo a je hlavním důvodem, že teoretická účinnost jednoduchého článku v planární konfiguraci nepřesáhne 30%. Aby sluneční článek sloužil jako zdroj proudu, musí se v něm nastat oddělit elektrony a díry. FVČ nemůže být homogenní polovodič, ale skládá se z části mající elektronovou vodivost (materiál typu n, například křemík s příměsí fosforu) a části mající děrovou vodivost (materiál typu p, například křemík s příměsí boru).

Pásové schéma p-n přechodu krystalického křemíku za osvětlení (energie fotonů hν) s vyznačením hran vodivostního (E c ) a valenčního (E v ) pásu, šířky zakázaného pásu (E g ) Fermiho hladin v polovodiči typu n i p a oblasti existence vnitřního elektrického pole (prostorového náboje). V oc je napětí vzniklé následkem osvětlení p-n přechodu.

Na přechodu p-n dojde vlivem přítomného elektrického pole k oddělení díry a elektronu a na přívodních kontaktech vznikne napětí V oc (v případě křemíku je to 0,5-0,6 V) a připojíme-li ke kontaktům spotřebič, protéká jím elektrický proud. Ten je přímo úměrný počtu absorbovaných fotonů a tedy i ploše celého slunečního článku. Fotovoltaický sluneční článek (FVČ ) je tedy polovodičová dioda (přechod p-n) má velkou plochu (decimetry až metry čtvereční) a tenký spodní celoplošný kovový kontakt (reflektor) a vrchní kovový kontakt (mřížku, hřeben) zabírající jen 4-8% plochy článku, aby nestínil. Obrázky i text podle M. Vaněčka http://www.fzu.cz/texty/brana/fotovoltaika/slunecni_energie.php Informace ze SOLARTECu říjen 2009: vrchní kontakty - 3%. Pokusy s jednostrannými kontakty (proleptané a difundované díry) 1%.

1) Materiály pro různé typy FVČ, jak podle druhů podložek (rozhodují o ceně) na kterých se připravují, tak i podle materiálů (rozhodují o účinnosti) v nichž dochází ke konverzi optické energie na elektrickou. a) Křemíkové desky - Řezané Si monokrystalické desky (substráty) Podložky se připravují rozřezáním monokrystalických Si (c-si) ingotů (průměr až 20-30 cm, délka přes metr). Přechod p-n se přímo v monokrystalickém materiálu připraví difusí vhodných prvků (obvykle bor a fosfor či arsen) za vysokých teplot (kolem 1 000 C). Další postup kontaktování, fotolitografie, zažíhávání, příprava proudových přívodů, kontaktování a konstrukce celého modulu využívá standardních postupů polovodičové mikroelektroniky. Je poměrně drahý a neslibuje možnost příliš razantních úspor.

Celý tento postup je stále relativně drahý a vyžaduje hodně drahého základního materiálu (11 g Si/Wp). Ceny v r. 2007 na výrobu Wp byly mezi 4-5 USD (z toho 1 USD za podložku, 2 USD za výrobu FVČ (i s marží) a 2 USD za modul (i s marží)). S dalšími 2,5 USD je třeba počítat na systém. Při nákladech 10 USD/Wp vychází cena za v oblasti se silným slunečním svitem na 21-33 USC/kWh podle velikosti elektrárny (500 kwp - 2 kwp), v oblasti se slabým svitem (případ ČR) je to 42-82 USC/kWh. Očekávaný vývoj ceny Wp do roku 2015 je pokles až pod 2 USD/Wp. V případě úspěšného zavedení osmipalcové technologie (průměr výchozího monokrystalu) až k 1,4 USD/Wp, viz. [2]. Celosvětová kapacita produkce FVČ založených na Si substrátech, které v posledních letech tvoří asi 80-90% produkce všech FVČ, je asi 4,5 GWp. Víc než polovinu produkce mají čtyři firmy (Sharp 20%, Q-Cells 15%, Suntech 9% a Sanyo 7%), další třetinu má osm firem s produkcí od 3 do 5%. Toto platilo v roce 2007, každý rok se ale podíly dost mění viz. [2].

- Přímo připravené tenké Si podložky (většinou polykrystalické) Tyto se připravují tak, že roztaveným Si se protahuje (asi 1 m/hod) uhlíkový pás na který Si krystalizuje (existuje řada variant dvojitý pás, trubka a pod.). Pak se uhlík odstraní a máme k dispozici dva tenké (pod 200 mm), široké (decimetry) a dlouhé pásy (metry), ze kterých se připravují FVČ podobně jako z monokrystalického Si. Výhody: poloviční spotřeba Si (6g Si/Wp) oproti monokrystalickým. Nevýhody: nižší účinnost konverze (15% lab. 12,7% komerční) i horší výrobní výtěžnost, problémy s kontakty a pravděpodobně i nižší životnost (vše je dáno polykrystaličností). Rozhodující producenti (2007): Evergreen Solar, Schott Solar, SolarForce (F), CGE Alcatel, Philips, BP Solar and FCUL (Port.). Pravděpodobné technologické trendy: užití suchého leptání (plazmatické?) pro větší výtěžnost a nižší náklady. Investice do továrny na výrobu tenkovrstvých FVČ je asi 2,3 MUSD/MW, což je o 30% méně než do továrny na výrobu monokrystalických FVČ viz. [2]. Pozor to nejsou celkové náklady na elektrárnu, ale jen jejich zlomek.

b) Monokrystalické podložky z materiálů A III B V, převážně GaAs, InGaAs, nebo GaSb Sloučeninové polovodiče se označují A III B V respektive A II B VI, kde A a B představuje typ atomu a II, III, V a VI jsou sloupce v periodické tabulce prvků. Princip funkce je podobný jako pro Si. Jen absorpce je různá (dáno absorpční hranou materiálu, tj. šířkou zakázaného pásu polovodiče) a lze připravovat heterostruktury a tudíž tandemové články, které postupně absorbují většinu slunečního záření a dávají různá napětí od jednotek do desetin voltu a tím lépe využijí energii slunečního záření. I jednoduché, homogenní sloučeninové materiály však dosahují vzhledem k dobré kompatibilitě se slunečním spektrem vysokých účinností (GaAs 28% a InP 22%). Ve srovnání s Si FVČ mají tyto materiály kromě vyšší účinnosti podstatně lepší poměr Wp/kg, aktivní oblast jen několik mikronů (díky vyšší absorpci), vyšší napětí, nižší proud, lepší radiační odolnost, menší odpor, menší teplotní koeficient. Jen jsou podstatně dražší!

Potřebují totiž dražší podložky (GaAs, Ge) a nákladnější výrobní proces (epitaxní technologii). Možnost a výhodnost využití koncentrátorů tuto nevýhodu poněkud snižuje. Tyto FVČ totiž lze s výhodou provozovat s fokusačními koncentrátory (obvykle 1000 sluncí ). Výrazně se tím uspoří polovodičový materiál a FVČ při tomto vyšším zatížení, mají vyšší účinnost. Tím se celý systém zlevní, ale je třeba sledovat pohyb slunce, což systémy poněkud komplikuje (spolehlivost, životnost, údržba) a asi 1% získané energie se spotřebuje na natáčení. Existuje a lze vyrobit velké spektrum materiálů s různou šířkou zakázaného pásu, lze tedy vytvářet tandemové cely (několik různých materiálů na sobě) a tak účinně pokrývat velkou část slunečního spektra bez ztráty fotonů, nebo napětí na článcích. Tyto materiály vykazují nejvyšší účinnost konverze laboratorně je současný rekord 41,3%, komerčně přes 30% a teoretická mez je přes 60%. FVČ z těchto materiálů vyrábějí hlavně firmy Spectrolab (Boeing) a Emcore.

Další slibnou aplikací může být FOTOVOLTAIKA

Je zcela otevřenou otázkou, jakou roli budou hrát polovodičové epitaxní heterostruktury ve fotovoltaice. Jednoznačně vyhrávají a budou vyhrávat v kosmických aplikacích (mají vyšší účinnost než jiné fotovoltaické články a jsou lépe přizpůsobeny kosmickým podmínkám. Pro pozemské aplikace mají výhodu, že mohou fungovat s koncentrátory (stačí tisícina plochy polovodičů) a koncentrátory-zrcadla jsou levné, tím se eliminuje vyšší cena vlastní polovodičové struktury. Modul musí ale sledovat slunce a vyžaduje přímý sluneční svit. Stávající rekordní materiály - účinnost konverze energie světelné na elektrickou = 42,8 % - jsou připravovány MOVPE epitaxí! Pokud se fotovoltaika vůbec masově uplatní, mohla by to být právě tato.

Komerční výroba je v současnosti jen pro kosmické aplikace, pro pozemní aplikace jsou FVČ zatím příliš drahé. Vzhledem k odlišnému slunečnímu spektru ve vakuu a na Zemi se struktury FVČ pro různé aplikace poněkud liší, ne snad materiály, ale tloušťkami jednotlivých vrstev.

Sluneční spektrum po průchodu atmosférou pod úhlem 48 od normály (tzv. spektrum AM 1,5). Současně je vyznačena absorpční hrana krystalického křemíku. Převzato od M. Vaněčka, FZÚ AV ČR, v. v. i., Brána pro veřejnost

Struktura a materiály tří typů tandemových FVČ se třemi, pěti a šesti částmi pro co nejúplnější využití spektra slunečního záření. Podle [2].

Intenzivní výzkum a vývoj probíhá na mnoha pracovištích: - Spectrolab (Boeing) (space & terrestrial cells) (US), Emcore (space & terrestrial cells, bypass diodes, bought Tecstar) (US), RWE Space Solar Power GmbH (GaInP/GaAs/Ge cells, Si cells) (DE), Isofoton (ES), Saturn JSC (Russia), ARIMA Opto (LED maker, diversification project) (TW), Japan Energy (JP), Spire (US), Essential Research (R&D services) (US), NREL (US), IMEC (BE), Fraunhofer ISE (DE), University of Delaware ($ 53 M DARPA founded project, including BP Solar, Dupont, Corning and Emcore) (US), Hitachi Research Center (JP), IOFFE Physico-technical Institute (Russia), EMDL (Ohio University) (US), Radboud University (thin film III V cells) (NL), Hahn Meitner Institute (DE), SolFocus (US).

Je otázkou zda i třeba velmi razantní snížení laboratorní ceny čipu takových to FVČ může vést k levné masové výrobě. Vzhledem k relativní vzácnosti některých prvku (hlavně In, a to nejen na trhu, ale i v zemské kůře),by velmi pravděpodobně rychle došlo k podobné situaci jako s nesrovnatelně hojnějším křemíkem, kde se ještě řadu let bude řešit úzké hrdlo masové výroby Si-FVČ výroba monokrystalů i polykrystalů. V případě Si to bude vyřešeno asi do roku 2015, ale pro sloučeninové polovodiče, i když koncentrátory snižují materiálové požadavky ve srovnání s křemíkem o tři řády, by to mohlo trvat desetiletí.

30. září 2008 Fraunhofer ISE Researchers Achieve 39.7% Solar Cell Efficiency Freiburg, Germany. At 39.7% efficiency for a multijunction solar cell, researchers at the Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE in Freiburg have exceeded their own efficiency record of 37.6%, which they achieved in July of this year. The result was reached using multijunction solar cells made out of III-V semiconductors. III-V semiconductor multijunction solar cells are used in concentrating photovoltaic (PV) technology for solar power stations.

Photo of the world record solar cell made of Ga0.35In0.65P/Ga0.83In0.17As/Ge with a cell area of 5.09 mm².

Press Release 01/09, 14.01.2009 World Record: 41.2% efficiency reached for multi-junction (3) solar cells at Fraunhofer ISE, Freiburg, Dr. F. Dimroth 2009 Researchers at the Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE have achieved a record efficiency of 41.1% for the conversion of sunlight into electricity. Sunlight is concentrated by a factor of 454 and focused onto a small 5 mm² multi-junction solar cell made out of GaInP/GaInAs/ Ge (gallium indium phosphide, gallium indium arsenide on a germanium substrate). 2010 42,8% USA, A University of Delaware-led consortium has received Defense Advanced Research Projects Agency funding to double the efficiency of terrestrial solar cells within 50 months.

The record for multiple junction solar cell is disputed. Teams led by the University of Delawar, the Fraunhofer Institut for Solar Energy Systems, and NREL all claim the world record title at 42.8, 41.1, and 40.8%, respectively [4][5][6]. Spectrolab also claims commercial availability of cells at nearly 42% efficiency in a triple junction design; the cost is breathtaking. NREL claims that the other implementations have not been put under standardized tests and, in the case of the University of Delaware project, represents only hypothetical efficiencies of a panel that has not been fully assembled [7] NREL claims it is one of only three laboratories in the world capable of conducting valid tests, although the Fraunhofer Institute is among those three facilities.

Metamorphic multi-junction solar cells, which are a special type of solar cells using III-V semiconductor compounds. These cells are made out of thin Ga 0.35 In 0.65 P and Ga 0.83 In 0.17 As layers on GaAs or Ge substrates. These materials are especially suitable for converting sunlight into electricity. They can be combined together, by applying a trick called metamorphic growth. In contrast to conventional solar cells, the semiconductors in these cells do not have the same lattice constant. This makes it difficult to grow the III-V semiconductor layers with a high crystal quality, since at the interface of materials with different lattice constants strain is present that results in the creation of dislocations and other crystal defects. It is necessary to localize the defects in a region of the solar cell that is not electrically active. As a result, the active regions of the solar cell remain relatively free of defects a prerequisite for achieving the highest efficiencies.

The high efficiency multi-junction solar cells are used in concentrating photovoltaic systems for solar power stations in countries with a large fraction of direct solar radiation. Dr. Andreas Bett, Department Head at Fraunhofer ISE: The high efficiencies of our solar cells are the most effective way to reduce the electricity generation costs for concentrating PV systems, we want that photovoltaics becomes competitive with conventional methods of electricity production as soon as possible. With our new efficiency results, we have moved a big step further towards achieving this goal!

c) Tenké vrstvy na skleněných či polymerních podložkách - Amorfní křemík Amorfní polovodiče se z hlediska uspořádání na blízkou vzdálenost příliš neliší od monokrystalických, chybí však dokonalá periodicita na velkou vzdálenost, také pásová struktura se v mnohém liší. Většina optických i elektrických parametrů je horší než u monokrystalů. To, že nemají dokonalou monokrystaličnost však umožňuje jejich přípravu na mnohem levnější nekrystalické podložky a také jednodušší přípravu tenkých vrstev. Také lze využít odlišné absopce v a-si. Na skleněnou desku (3 mm silné standardní ploché sklo) se pomocí tenkovrstvých technologií (např. napařením, naprášením, laserovou ablací, ) nanese průhledný a vodivý kontakt, na něj tenká struktura z amorfního křemíku (a-si) s P-I-N přechodem, pak další průhledný vodivý kontakt, krycí ochranná vrstva a celou strukturu FVČ z a-si uzavírá zadní sklo. p-n přechod se v těchto strukturách nepřipravuje difusí, ale materiál se leguje přímo při růstu.

Účinnost těchto FVČ je velmi nízká (od 3 do 5%) a ani životnost není dobrá, je také třeba počítat s počátečním rychlým poklesem na 80% původní účinnosti. Cena je však velmi nízká a lze snadno a rychle vyrábět relativně velké plochy FVČ.

- Hybridní tandemové FVČ z amorfního a polykrystalického Si Mírně komplikovanější a výrobně jen nepatrně dražší jsou hybridní systémy, když se do struktury FVČ z a-si přidá vrstva mikrokrystalického, přesněji až nanokrystalického křemíku (m-si). Podstatně se tím však zvýší účinnost konverze sluneční energie na elektrickou. Běžně se dosahuje hodnot přes 10%. Příčinou je to, že se vykryje větší část slunečního spektra. Levnější a lehčí polymerní materiály použitelné jako podložka se ještě zatím vyvíjejí. Praktické realizace: V roce 2007 firma Sunfilm (DE) zahájila v Drážďanech stavbu produkční továrny na 60 MWp. Firma Q-Cells hodlá v r. 2009 realizovat produkci 25 MWp, která má být v r. 2010 rozšířena na 100 MWp [2]. Plány firmy Sharp jsou impozantní z 15 MWp v roce 2007 na 6 GWp(!) v roce 2011 [7].

Vykrytí slunečního spektra a struktura hybridního tandemového FVČ z amorfního a polykrystalického Si. Podle [2].

- Materiály A II B VI V současné době hlavně CdTe/CdS. Struktura těchto FVČ je principiálně podobná jako je popsáno u c-si. Aktivní oblast je však z mnohem více absorbujícího CdTe/CdS, může být tedy mnohem tenčí. Běžně se dosahuje účinnosti 11-12%. Způsobů přípravy aktivní vrstvy je řada plynné depozice, napařování, sublimace, elektrodepozice a jsou poměrně levné. Je možné nanášet strukturu i na polyimidový film (klesne ovšem o 1% účinnost). CdTe/CdS FVČ mají vyšší účinnost než křemíkové FVČ i při zatažené obloze. Tento materiál není příliš používán, neboť se jeho výrobou nezabývá žádná velká průmyslová firma a také je velká obava z toxicity kadmia, přestože CdTe i CdS jsou stabilní sloučeniny. CuInSe (CIS) a Cu(In,Ga)Se, Cu(InGa)(S,Se) 2 (oboje se označuje zkratkou CIGS).

Kombinací různých materiálů se dosáhla vysoká účinnost - 19,3% při velmi nízké cenně 1 USD/Wp. Vysoký měrný výkon - 1000 W/kg a lepší radiační odolnost dokonce i než mají FVČ z A III B V, je činí vhodnými pro aplikace ve vesmíru. Jejich homogenně černá barva a stálost může být výhodou při použití na povrchových pláštích budov. Další výhodou je i rychlá návratnost investice. Firma Antec Solar má roční výrobní kapacitu 10 MWp. Očekává se renesance tohoto materiálu (zvlášť v USA) a v některých prognózách [2] se v roce 2015 očekává více než dvacetiprocentní podíl tohoto matriálu na celkové výrobě fotovoltaických materiálů. Nevýhody: Na trhu není dostatek standardní produkce těchto FVČ (není velký výrobce). Překážkou mohou být i požadavky na bezpečnost (zdravotní závadnost kadmia). Vážnou překážkou je i nedostatek zásob a zdrojů In, tudíž jeho vysoká (a kolísavá) cena.

- Barvivem aktivované (Dye Senzitized) materiály na skle či polymeru Princip konverze energie je podobný prvnímu kroku fotosyntézy. Světlo je absorbováno monoatomární vrstvou barviva, které je na povrchu polovodiče (obvykle TiO 2, použití nanočástic TiO 2 podstatně zvyšuje aktivní objem FVČ). Foton excituje v barvivu (např. ruthenium-polypyridin) elektron, ten přechází do polovodiče, který je spojen s jednou elektrodou (průhledný SnO 2 ) a kladný náboj přechází přes elektrolyt s oxidačně redukčním potenciálem (kapalina na bázi iodidů, gel, či pevná látka vodivý polymer) na druhou elektrodu (Pt a SnO 2 ). Tyto materiály byly vyvinuty relativně nedávno (1991, M. Gratzel, B. O Regan, EPFL Lausanne), existuje řada prototypů z různých materiálů a od letošního roku i hromadná výroba firma G24i otevřela ve Walesu (UK) výrobní linku s potenciálem roční produkce 30 MWp ročně. Očekávaná velká výhoda je láce, dostupnost všech materiálů a obejití současného nedostatku Si.

Velký problém je životnost a stárnutí těchto FVČ, pokud se připravují na PET fólie. Životnost může zlepšit použití gelu (místo kapaliny) jako elektrolytu. Také účinnost je stále nižší než u FVČ na bázi Si (dosahuje jen 6-7%), je zde ale potenciál na její zvýšení přes 10%. Kompletní struktura FVČ založeného na absorpci v barvivech na polovodičích. Podle [2].

Despite the impressive development of dyes and high efficiencies achieved for dye sensitised solar cells, it is recognized that new sensitising concepts and materials can lead to the next cell generation. The workshop Semiconductor Sensitised Solar Cells aims at extensive discussion of alternative sensitises like quantum dots, nano-structures and thin absorbers. Solar cells based on nanoscale semiconductor sensitisers such as quantum dots and ultrathin absorber layers, have recently received considerable attention. This workshop Semiconductor Sensitized Solar Cells aims at extensive discussion of alternative, inorganic sanitizers for dye sensitised solar cells.

- Organické a hybridní Na rozdíl od FVČ z anorganických polovodičů, kde k rozdělení záporných a kladných nosičů náboje (elektronů a děr) může dojít na p- n přechodu i v homogenním materiálu (Si) je u organických FVČ třeba dvou odlišných materiálů (s různou šířkou zakázaného pásu). Možností je několik: Polymer-polymer; polymer-fulleren; polymer-anorganická látka. Světelný foton generuje v organickém polovodiči (polymeru) polaron (vázaný pár elektron-díra), který se na heterorozhraní uvedených odlišných materiálů rozpadne na elektron a díru, které jsou odvedeny na příslušné elektrody viz obr. č. 8. Tak vznikne napětí a případně i proud.

Princip činnosti a schéma struktury FVČ založeného na absorpci na polymerech. Podle [2].

Potenciální výhody těchto FVČ (snadná a velmi levná výroba, ohebnost a malá váha modulů), však v současné době znehodnocují zásadní nevýhody malá účinnost - obvykle je u jednoduchých (a tedy potenciálně levných) materiálů, kolem 1-2%, jen u složitých sofistikovaných tandemových cel je to asi 6%. Velkým problémem je krátká životnost, přesto ale existují aplikace, ale jsou omezené na produkty krátkodobého použití (např. obaly) nebo vojenské využití. Je možné, že se objeví nové materiály, nebo převratná úprava stávajících a tyto problémy odpadnou. Komerčně tyto systémy vyrábí firma Konarka.

Nejen o účinnosti, ale i různé triky: Better solar: In conventional solar cells (a), light enters an antireflective layer (yellow) and then a layer of silicon (green) in which much of the light is converted into electricity. But some of the light (solid arrows) reflects off an aluminium backing, returns through the silicon, and exits without generating A new material (represented electricity. by the dots in [b]) makes it possible to convert more of this light into electricity. Instead of reflecting back out of the solar cell, the light is diffracted by one layer of the material (larger dots). This causes the light to reenter the silicon at a low angle, at which point it bounces around until it is absorbed.

Obecné shrnutí Díky výrazné podpoře fotovoltaiky z veřejných zdrojů rostl trh s FVČ začátkem tohoto století o 30% ročně, v roce 2004 dokonce o 60%, pak nastal útlum kvůli nedostatku kapacit výroby čistého Si (který se široce používá i v mnoha jiných oblastech elektroniky, vyrábí se také méně kvalitní metalurgický křemík asi 300 milionu kg). V r. 2006 byla celková produkce křemíku elektronické (polovodičové) kvality 38 milionu kg, z toho polovina pro FVČ. V roce 2008 se očekává výroba 75 Mkg, z toho 53 Mkg pro FVČ. Nové produkční kapacity budou k dispozici v r. 2009 a dá se očekávat další růst produkce FVČ, ale jistá nerovnováha mezi nabídkou Si a poptávkou po něm má trvat do r. 2015. V ČR, v Českých Velenicích má od roku 2008 firma Arsira HIC vyrábět 1,5 Mkg polovodičového křemíku z metalurgického.

Cena prvních panelů z FVČ byla nad úrovní 150 USD/Wp, od 70. let cena s rostoucím objemem výroby a vývojem technologie klesala až na dnešní cenu přibližně 3-4 USD/Wp. Což je stále relativně vysoký investiční náklad. Uvádí se, že cena, která by byla konkurenceschopná s klasickými zdroji je asi 1 USD/Wp [2]. Vše je ovšem stále také závislé na dotační politice vlád. Japonsko podle informace z [7], přestává dotovat fotovoltaiku, domácí instalace stagnují (díky dobíhajícím dotovaným projektům) ale výroba stále roste a vyváží se převážně do Německa, ale i do Číny a dalších asijských zemí. Přehled je uveden na následujících obrázcích.

Objem produkce kapacity FVČ v různých oblastech světa do roku 2006 v MW, podle [7].

Prognóza rozvoje fotovoltaického trhu v Japonsku do roku 2030 podle jednotlivých aplikačních oborů v MW a v miliardách jenů, podle [7].

Energetická návratnost, materiálová dostupnost, životnost a recyklovatelnost fotovoltaických panelů Odhad aktuální energetické náročnosti výroby fotovoltaického panelu s Si články o nominálním výkonu 100 Wp je včetně konstrukcí a dalšího příslušenství a zařízení nutných pro jeho provoz na úrovni přibližně 300 kwh. Takový panel za rok provozu vyrobí přibližně 100 kwh elektrické energie, energetická návratnost fotovoltaického panelu je tedy okolo 3 let. Jsou ovšem i pesimističtější výpočty založené na menších, starších již realizovaných systémech, které se blíží dvaceti letům. Problém je totiž v tom, jak se počítá energetická návratnost celého systému fotovoltaické elektrárny, např. včetně nutného záskokového zdroje a stavebních úprav pro uložení fotovoltaických panelů. Výrobci poskytují na články 25-letou tzv. výkonnostní garanci, kdy po 25 letech provozu článku bude jeho výkon na 80% jeho nominálního výkonu. Články samotné mohou mít životnost delší než 30 let.

Z hlediska materiálové náročnosti sluneční elektrárna spotřebuje 12krát více oceli než uhelná elektrárna a rovněž podstatně více než elektrárna s lehkovodním jaderným reaktorem. Betonu spotřebuje sluneční elektrárna 60krát více než elektrárna s lehkovodními reaktory stejného výkonu, podle (http://sf.zcu.cz/rocnik07/cislomm/1-7def.html). Nezanedbatelná je i relativně velká spotřeba vzácných a málo dostupných materiálů. V některých případech jsou materiál vlastních článků (např.: kadmium,arsen, berylium, fosfor) či látky použité při jejich výrobě (např.: arsin, fosfin, silan, fullereny) jedovaté nebo rizikové pro životní prostředí. Přesto se recyklovatelnost pokládá za možnou, pro klasické materiály tvořící podstatnou část FVČ systémů (sklo, železo, beton, dřevo) za bezproblémovou (s jistou výhradou pro beton), u vlastní polovodičové struktury je to složitější, pokud budou materiály jinak dostupné, tak z ekonomických důvodů asi ne, ale skladování nikterak nezatíží životní prostředí.

V práci [8] je velmi kvalifikovaně a důvěryhodně diskutována materiálová dostupnost různých prvků na zemi pro potřeby fotovoltaiky za předpokladu potřebnosti výroby 10 20 TW, aby se nahradila produkce elektřiny z konvenčních zdrojů. To by předpokládalo instalaci FVČ s kapacitou 50 100 TWp. Jako cílový rok byl určen rok 2065. Závěr podrobné rozvahy je, že to je z materiálového hlediska možné, i když by se muselo v r. 2065 vyrábět jen na tento účel mnohonásobně víc různých materiálů než je jejich současná celosvětová produkce (sklo, hliník, měď, plasty) a v případě vlastních polovodičových struktur dokonce řádově víc než se produkuje nyní (Si, Ge, Ag, In, Se, Ga, Mo, Te, Cd), přesto je teoreticky většiny prvků dostatek, jen In a Te ne. To však nevylučuje náhradu jejich podílu na produkci jinými materiály. Ekonomické hledisko se nediskutovalo, ale z hlediska materiálové dostupnosti prvků je i takto grandiózní cíl realizovatelný.

Zastoupení a prognóza pro jednotlivé systémy FVČ podle [2]: Napojené na rozvodnou síť Podíl na celkovém očekávaný jednotkové objemu v r. 2005 růst výkony Střešní/fasádové solární panely 73% 45-50% kwp Solární panely integrované s budovami 5%? kwp Solární elektrárny 5% 20-25% k-mwp Odlehlé ( ostrovní ) aplikace Přímé napájení elektronických přístrojů 2% 15% mwp-wp Napájení zařízení mimo rozvodnou síť 8% 15-20% do200wp Domy a vesnice v rozvojových zemích 9% 20-25% do3kwp Vesmírné aplikace od 1958 Pioneer 1? - -

Zhodnocení, komentář, prognóza A) Solární kolektorové systémy pro výrobu tepelné energie Reálně fungující decentralizované systémy. Výhodné i bez dotací. Vhodné pro individuální (obytné i rekreační domy, bazény) i firemní (hotely, koupaliště, nemocnice, úřady, podniky) aplikaci. Nezabírají novou plochu, využívají se střechy i stěny staveb. Snižují náklady na otop a na ohřev vody. Je možné i komplexní využití pro klimatizaci dostatečně ohřáté médium lze totiž využít i na chlazení princip známe u sorpčních ledniček. Celý proces je málo účinný, ale kolektory mohou fungovat i když je nadbytek slunečního záření a nepotřebujeme teplou vodu. Nevhodné a zbytečné pro centralizované velmi velké systémy, protože rozvody tepla jsou drahé. Nové materiály už příliš nezvýší účinnost, ale prodlouží životnost. Budoucí sofistikované komplexní systémy s kvalitním a odolným povrchem mohou zvýšit uživatelsky komfort (klimatizace odvodem tepla z osluněné strany) a účelné architektonické začlenění může nejen snížit cenu montáže, ale i fasádních i střešních prvků.

Přiznávám, že neznám přesné důvody proč se dosud nepoužívají hybridní termálně-fotovoltaické systémy. Obvyklý v současnosti používaný fotovoltaický článek přímo přemění na elektrickou energii pouze 10-20 % solární zářivé energie, zbytek je nevyužitá tepelná energie. Tyto hybridní systémy byly studovány již před více než třiceti lety a o realizaci se dosud nic nepíše. Možná že cena hybridu je o dost větší než cena dvou oddělených systémů a úspora plochy za to nestojí. Možná, že fakt, že čím nižší je teplota FVČ, tím mají vyšší účinnost, je limitující pro lepší účinnost tepelné části hybridních kolektorů. Dotační a regulační politika: Existuje podpora SFŽP a i komunální. Státní zásahy: Směrnice pro novou výstavbu budov? Cestou doporučení, daňových úlev, příkazu na minimální plochu v nové výstavbě (tam kde je to účelné)?? (Jako katalyzátory u aut?) Možná to ale samovolně vyřeší růst cen energie. Nevím. Jsem přesvědčen, že již do roku 2020 bude podstatná část užitkové teplé vody ohřívána tímto způsobem a u nových staveb se bude velkou měrou využívat i pro otop.

B) Solární zrcadlové systémy pro ohřev kapalin a následnou výrobu elektrické energie - jedna z variant pouštních solárních elektráren. Mají menší problémy se skladováním energie než fotovoltaické elektrárny, protože ohřáté médium lze snadněji krátkodobě skladovat než elektrickou energii. Také se elektrárna neodpojí od sítě tak rychle jako fotovoltaická, když se zastíní slunce. Jedna z realizovaných elektráren v jižní Kalifornii se používá, poněkud překvapivě, jako záložní špičkový zdroj, což eliminuje nutnost skladování energie. (Denní špička v Kalifornii, patrně vzhledem k nárokům na klimatizaci, je právě v době kdy svítí slunce.) Velmi vtipné a dost účinné je využití Stirlingova typu motoru jako generátoru elektřiny. Problém s transportem energie na větší vzdálenost je stejný. Výhoda standardní formy generované energie (střídavá, vyšší napětí) je znehodnocena malou účinností.

Velkoplošné (už i jednotky km 2 ) centralizované systémy narazí na opačný problém než fotovoltaické, na významné lokální ochlazení krajiny, které opět bude provázet mocné proudění vzduchu. Toto však, částečně a nechtěně, řeší několikanásobně (až čtyřikrát) větší zábor půdy zrcadly vzhledem k nutnosti sledování slunce, než je aktivní plocha elektrárny. Domnívám se že tento typ elektráren je pro naše podmínky dost nevhodný. Máme nižší celkový sluneční příkon, málo jasných dnů, častou oblačnost, sněhové srážky, vysokou hustotu osídlení. Také nižší nároky na klimatizaci u nás zhoršují možnost využití těchto elektráren pro pokrytí špičkových odběrů.

C) Solární fotovoltaické systémy pro přímou výrobu elektrické energie Některé nové možnosti otvírá zavedení nanotechnologií mikro/nano křemík, fullereny v polymerech, barviva na nanočásticích TiO 2, nanotechnologie se v podstatě užívá i ve strukturách vysoce účinných nekřemíkových sloučeninových polovodičů. To vše je fyzikálně zajímavé a je to i technologická výzva. Reálně však stále celá desetiletí, převládá křemík. Výzkum materiálů a struktur FVČ probíhá již přes padesát let a i většina nových nápadů je starší deseti let. Parametry všech užívaných materiálů i struktur se jistě budou zlepšovat, možná se objeví i nově podstatně lepší přístupy, ale výrazný průlom ( break through ) není na viditelném horizontu. Malé i větší ostrovní systémy, které zpravidla slouží k zajištění elektrické energie pro dobíjení akumulátorů pro napájení světel a svítidel, signalizačních systémů, televizí, rádií, notebooků, lednic, čerpadel atd., mimo dosah sítí, jsou už dávno realizovány, úspěšně slouží a budou se jistě rozvíjet.

O velkých elektrických energetických systémech v našich podmínkách mám však silné pochybnosti. Obecně nevylučuji, že stávající subprocentní podíl se zvýší na procenta, nebo možná i ve vzdálenější budoucnosti dosáhne deset procent. Současný stav našich znalostí však neumožňuje přesný odhad vývoje technologií a tudíž ani cen energie z FVČ. Je možné odhadnout jisté rozmezí budoucího vývoje (maximalistický x minimalistický, optimistický x pesimistický) extrapolací z minulého vývoje a podle odhadu budoucích potřeb omezeného reálnými či dostupnými zdroji.

Podle velmi důkladné a prognosticky velmi korektní zprávy pro EU [9] je rozvoj fotovoltaické energetiky v Evropě do roku 2020 velmi skrovný, týká se to překvapivě i solárních termálních elektráren, které se již nyní bouřlivě rozvíjejí v USA. V Evropě pro ně, s výjimkou Španělska a Portugalska, asi skutečně nejsou podmínky.

Přesto to bude vyžadovat poměrně velké investice viz. obr. č. 14. Pro další desetiletí lze ovšem očekávat rychlejší rozvoj, daný nárůstem investic i očekávanými objevy a inovacemi.

Optimistické závěry v práci [2] se týkají hlavně cen vlastních čipů FVČ, ale jejich cena je podle stejných autorů pouhý zlomek nákladů (20-30%) na celý fotovoltaický systém. A to se obvykle nepočítá cena půdy. Rozbor nákladů na deskový Si FVČ. Zleva: Si substrát; náklady na čip; modul a systém. Vše v USD/Wp. Podle [2].

Většinou se při ideových projektech velkoplošných (v řádu čtverečních kilometrů) fotovoltaických elektráren také neuvažuje problém s ochlazením či přehřátím velkých území, které by mohlo způsobit lokální klimatické změny, degradaci půdy, silné větrné proudění. Fotovoltaické články totiž z principu musí být absorbující černé, tím se ale podstatně sníží odrazivost zemského povrchu a lokalita se ohřeje, odvod tepla ve formě elektrické energie jinam, je násobně menší. Kombinace fotovoltaické elektrárny se solární zrcadlovou je, která by problém eliminovala je dost futuristická představa. Stejně jako fakt, že vzestupné proudy vynesou vzhůru vzduch, který i značně suchý, obsahuje vodní páru, která nahoře zkondenzuje a obloha se zatáhne. Doporučoval bych předběžnou opatrnost. Tyto úvahy ale jdou mimo rozsah tohoto příspěvku. Předpoklad, že se při dostatečně velkých investicích něco vylepší, nebo dokonce objeví, je sice reálný, je třeba si ale uvědomit, že dnes používáme v energetice poznatky objevené před desítkami let.

Velmi optimistické modely rezerv rozvoje decentralizovaných fotovoltaických zdrojů na nevyužívaných a využitelných plochách (např. [6]), nepočítají s délkou rozvodů, nutností spousty měničů, ostrahou, nehodami, kroupami apod. Decentralizace zdrojů elektrické energie tak může změnit celkové náklady na provoz i k horšímu. Dotované ceny a dotace na výstavbu sice u nás vyvolávají silný rozvoj výstavby solárních elektrických zdrojů, ale ve větším měřítku je to dlouhodobě neudržitelné. Je nutné si uvědomit, že výkupní cena energie (2007/8 = 13,46, nyní 12,86 (?) Kč/kWh), bude spíš dvacetkrát než jen desetkrát vyšší, než je skutečná současná tržní výkupní cena takovéto nestálé energie. Větší zdroj, který pracuje a dodává do sítě, jen když svítí slunce nutně vyžaduje záskokové zdroje stejné kapacity, nebo velmi dlouhé přenosové cesty pro propojení vysokých výkonů, nebo nákladnou a ztrátovou akumulaci.

Fotovoltaická energie sama je téměř čistá, neuvažujeme-li ekologickou stopu danou výrobou a likvidací velkého množství různých materiálů, nebo nezanedbatelné ovlivnění lokálního klimatu (a to může být chyba, není to zanedbatelné), tudíž se od stávající ceny fotovoltaické elektřiny může odečíst tento ekologický faktor (nebo selektivně přičíst k ceně energie z klasických špinavých elektráren). Toto jsou však úvahy vhodné pro ekonomy, nebo spíše pro politiky. Jako osobní poznámku bych si dovolil konstatování, že trvalá neschopnost fyziků a techniků vyřešit tak prosté problémy jako je účinná akumulace a levný transport elektrické energie na velké vzdálenosti zvyšuje handicap fotovoltaické energetiky natolik, že podobná neschopnost ve věci obejití mizerné účinnosti parogeneračního cyklu většiny konkurenčních elektráren fotovoltaiku nedokáže favorizovat.

Literatura a odkazy [1] Zpráva MPO 2006, Obnovitelné zdroje energie v roce 2006, Výsledky statistického zjišťování [2] Report Yole développement 2007 [3] Solartec http://www.itest.cz/solar/solar2007.htm#1 [4] http://www.solarniliga.cz/primat.html [5] wiki o termofotovolt http://cs.wikipedia.org/wiki/termofotovoltaika [6] J. Motlík, O. Neumayer, T. Matuška, M. Šafařík, V. Stupavský, J. Štekl, V. Myslil, Asociace pro využití obnovitelných zdrojů energie, PODROBNÉ BILANCE OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ ENERGIE, první etapa, prosinec 2007 [7] 4th Workshop on the Future Direct. of Photovoltaics 7th March 2008, Aogaku, Tokyo, Japan [8] PV FAQs, National Renewable Energy laboratory, for US Dep. Of Energy, DOE/GO-102005-2113, June 2005 [9] Huber C., T. Faber, R. Haas, G. Resch, J. Green, S. Ölz, S. White, H. Cleijne, W. Ruijgrok, P.E., Morthorst, K. Skytte, M. Gual, P. Del Rio, F. Hernández, A. Tacsir, M. Ragwitz, J. Schleich, W., Orasch, M. Bokemann, C. Lins: Final report of the project Green-X a research project within the fifth framework programme of the European Commission, supported by DG Research, Vienna University of Technology, Energy Economics Group (EEG), 2004

Informace z října 2009 stav v ČR: Už je v provozu 2583 různě velkých fotovoltaických (FV) elektráren. Podpora výroby elektřiny z těchto elektráren z fondu pro obnovitelné zdroje je 40% z celkového objemu (přičemž FV vyrábí jen 7%). Je to víc než 1 GKč. V r. 2010 to budou 3 GKč. Nyní tedy dáváme 5 haléřů z každé spotřebované kwh na FV, v r. 2010 to bude 15 hal. Je to tedy 10% ceny na 0,5% produkce. Okolní státy též podporují FV, ale mají stanovený nucený výkup jen 9 Kč/kWh (my 13), což jejich podnikatelům zaručuje (!) státem garantovaný zisk 7% a návratnost investice za 12 let. (Vypočtěte kolik je to u nás?) Kdo za to může? ERÚ, MPO, MŽP, parlament. L. Niedermayer, Slunce, sviť!, Respekt 43 (2009) 33-35

6. Apendix 6.1 Termofotovoltaika - Předpokládané využití: Použití sluneční energie a Použití jaderné energie: 6.2 Termoelektročlánky 6.3 Mimo-pozemská fotovoltaika 6.3.1 Fotovoltaické elektrárny na družicích a sondách 6.3.2 Fotovoltaické orbitální elektrárny 6.4 Solární systémy pro výrobu vodíku 6.4.1 Vysokoteplotní elektrolýza; účinnost; materiály; ekonomický potenciál 6.4.2 Fotosyntéza 6.4.3 Fotoelektrochemické cely 6.5. Skladování energie, Skladování tepla 6.6. Vandalismus a krádeže Děkuji za pozornost

Termofotovoltaika - Je přímá přeměna tepelné energie na elektrickou. Má překvapivě vysokou účinnost konverze (i přes 50%!). Nejsme zde totiž striktně vázáni na dané energiové (barevné) spektrum zdroje jako u slunce, ale můžeme úpravou povrchu zářiče a vhodně zvolenými filtryodražeči energie méně výhodné pro konverzi - výrazně zúžit spektrum vhodné pro daný termofotovoltaický materiál a méně vhodnou část zářivé energie vrátit zpět na zdroj tepla a tím podstatně zvýšit účinnost celého procesu. Baterie těchto článků o výkonu jednotek kw se připravují v Lincoln Lab. V MIT zkoušejí se v experimentálních automobilech (zdroj tepla je spalování zemního plynu Viking 29 http://vri.etec.wwu.edu/viking_29.htm ) a jistě i v ponorkách (zdroj tepla bude asi nukleární reaktor), kde by měl tento bezotřesový a účinný způsob výroby elektrické energie nesporné výhody [5]. Další aplikace může být v kosmických sondách vyslaných mimo dosah solární energie, kde by zdroj tepla byl vhodný radioizotop. http://gltrs.grc.nasa.gov/reports/2005/tm-2005-213981.pdf

Není vyloučené ani potenciální využiti pro přímou výrobu elektrické energie ve velkých elektrárnách, čímž by se obešel méně účinný parní cykl tepelných či jaderných elektráren (který je patrně i méně spolehlivý a má kratší životnost). Předpokladem je dostatečně vysoká teplota zdroje a možností je současná výroba elektřiny klasickým způsobem. Výsledek bude, že se zvýší účinnost celého procesu. Srdcem generátoru je válec z wolframu, do kterého bylo vyleptáno velké množství nepatrných otvorů. V něm je při vysoké teplotě spalováno palivo (např. methan) a emitor se tak zahřívá na teplotu 900 1300 C. Jeho povrch proto vyzařuje infračervené záření, které prochází speciálním flitrem. Ten propouští jen vybrané vlnové délky, zatímco zbytek odráží zpět, čímž se zvyšuje teplota válce a roste tak účinnost celého procesu. Prošlé infračervené záření dále dopadá na pole fotodiod, které přemění energii dopadajícího elektromagnetického záření přímo na elektrický proud.

Předpokládané využití - jako s primárním zdrojem elektrické energie se s termofotovoltaickým generátorem (TFV) zatím uvažuje především pro menší jednotky, sloužící k zásobování elektřinou např. na odlehlých místech a menších osadách. Nelze však pochopitelně vyloučit, že by ve vzdálenější budoucnosti nahradil celé klasické nebo jaderné elektrárny. V blízké budoucnost se nabízí praktické využití v automobilech. Zpočátku by takový systém například mohl s výhodou nahradit běžné alternátory a řešit některé problémy dieselových motorů. Hodí se i jako hlavní zdroj energie pro hybridní vozy - v dalších etapách vývoje by jim mohl posloužit jako čistý a úsporný zdroj elektrické energie. Stejně tak se nabízí možnost využít TFV v klimatizačních jednotkách. Viking 29 - patrně první komerčně využitelný osobní automobil s TFV generátorem zkouší americký Institut pro výzkumu motorových vozidel (WTI) pod názvem Viking 29. Jde o sportovně vyhlížející automobil s 8 TFV generátory na zemní plyn, každý s výkonem přibližně 10 kw pracující při teplotě asi 1 430 C a fotočlánky na bázi GaSb. Vyrobená energie se ukládá do nikl-kadmiového akumulátoru a vlastní pohonnou jednotkou je elektromotor o výkonu 53 kw.

Použití sluneční energie: Protože klasické solární panely jsou totiž zatím značně drahé, je TFV generátor zajímavou variantou zlevnění výroby elektřiny ze sluneční energie. K zahřátí generátoru se použije sluneční světlo, soustředěné parabolickým zrcadlem do malého prostoru v ohnisku zrcadla, v němž je umístěn emitor generátoru. Použití jaderné energie: Zdrojem tepelného záření nemusí být pouze slunce nebo klasický spalovací emitor. Při ohřevu emitoru teplem z jaderného reaktoru by bylo možné značně zvýšit účinnost jaderných reaktorů (pravděpodobně až nad 50%) a současně se taková jaderná elektrárna obejde bez složitého a ekonomicky náročného sekundárního okruhu. V mnohem menším měřítku by mohly také pracovat generátory, využívající tepelnou energii při rozpadu některých radioizotopů a sloužící pro výrobu elektřiny na kosmických sondách, pracujících ve velké vzdálenosti od slunce nebo dokonce směřující až za hranici sluneční soustavy. Podle mého názoru může mít tento způsob výroby elektrické energie budoucnost, ale ne jako centralizovaný, velkokapacitní, ale jako ostrovní. Ceny jsou zatím pochopitelně konkurence neschopné.

6.3. Mimo-pozemská fotovoltaika 6.3.1 Fotovoltaické elektrárny na družicích a sondách Ostrovní energetické fotovoltaické systémy družic a kosmických stanic jsou již řadu let (od r. 1958 - Pioneer 1) realita o jejíž perspektivě se nepochybuje. Využívají se materiály s vyšší účinností a odolnější vůči radiaci proti níž je nechrání atmosféra. Technologické provedení musí též zaručit odolnost vůči velkým změnám teploty při provozu. Vyšší cena používaných tenkovrstvých materiálů (převážně typu A III B V ) je dostatečně kompenzována menší potřebnou plochou a tudíž i váhou. 6.3.2 Fotovoltaické orbitální elektrárny Již řadu let se objevují plány na konstrukci fotovoltaických orbitálních elektráren. FVČ by byly podobné těm na kosmických stanicích. Výhody tohoto řešení jsou: vyšší účinnost FVČ než na zemi, trvalý osvit článků, nezabíraly by půdu a malé problémy s vandalismem. Nevýhody: Náklady na stavbu, problémy s dopravou energie na Zemi (snad mikrovlnami v neabsorbujícím atmosférickém okně), obtíže s opravami a problém s likvidací po ukončení provozu. Zatím je to spíš Sci-fi.

Vandalismus a krádeže - nezanedbatelný problém. Cenné materiály, odlehlé místo, velká plocha. Krádeže prý byly nejčastější příčina poruch experimentálních fotovoltaických ČEZ elektráren mimo střežené prostory. Pojištění, ostraha před vandaly a zloději zpeněžitelných materiálů zvýší náklady. Jednou za deset dvacet let velké kroupy? ZABEZPEČENÍ SOLÁRNÍHO PARKU Kdyby se investor spoléhal jen na ochranu zmíněného svatého z nedalekého poutního místa, optimismus by mu dlouho nevydržel. Jen hliníku je v konstrukcích použito na deset tun a celková hodnota namontovaných panelů hravě přesáhla 60 miliónů korun. Proto vlastní instalaci předcházelo důkladné oplocení pozemku. Vlastní zabezpečení je rozdělené na tři etapy - dostatečně naddimenzovaný plot, infračervená čidla monitorující nežádoucí pohyb a ve finále i specifická ochrana, o které iniciátoři zarytě mlčeli. "Pokud některý nenechavý zájemce jeden ze tří stupňů ochrany poruší, může si být jist, že do pár minut bude mít v zádech ostrahu," shrnuje Jančík. I přes tato opatření je solární park samozřejmě pojištěn - proti škodám způsobeným živlem, vandalismem a krádežemi. Podobně jako u předchozího projektu (60 kwp v Opatově na Svitavsku), nebylo ani zde vyjednávání smlouvy s pojišťovnou jednoduché. Příprava pojistky, která by pokryla veškerá rizika za únosných podmínek, trvala měsíce. "Byla to dlouhá cesta ke kvalitnímu pojištění, ale nakonec se vyplatila. Cenu pojistky jsme upravili tak, aby lépe korespondovala s ročními výnosy z prodané elektřiny," komentuje anabázi manažer. Dodejme, že solární park v samotném srdci Slovácka je nakonec pojištěn u České podnikatelské pojišťovny a související roční výdaje se pohybují na úrovni procent z ročních tržeb za prodanou elektřinu.

Fotovoltaika - jaká je nejlepší dostupná technologie? Datum: 22.3.2010 Autor: Milan Vaněček a Antonín Fejfar, Fyzikální ústav Akademie věd ČR, v.v.i., Praha Recenzent: prof. Ing. Vítězslav Benda, CSc. V současném boomu instalací FV elektřiny se stává, že i do laboratoří Fyzikálního ústavu AV ČR dostaneme otázku, jaký fotovoltaický panel je nejlepší. Na takovou otázku není jednoduchá odpověď. Ideální panel by měl mít především co nejvyšší účinnost, která by nezávisela ani na teplotě, ani na intenzitě osvětlení. Kromě toho by panel nedegradoval, obešel by se bez údržby, byl co nejlehčí a přitom pevný a odolný. Takový panel zatím nikdo nevyrobil (a to bez ohledu na možnou cenu). Pokud není ideální volba, jaké možnosti se tedy nabízejí?

Dostupné technologie Kritérií, na jejichž základě lze porovnávat dostupné technologie, je celá řada. Níže je uveden jen výběr nejpoužívanějších. Předem je nutno říci, že do našich klimatických podmínek se příliš nehodí fotovoltaické články s nejvyšší účinností (složené multispektrální články na bázi polovodičů III-V) pro koncentrátorové systémy. Světový rekord v účinnosti u těchto velmi drahých článků překročil hranici 40 % (viz obrázek). Koncentrátorové systémy jsou výborné pro oblast bez mraků (například pouště), v České republice by však využívaly jen asi polovinu dopadajícího slunečního záření. Nejúčinnější komerčně dostupné panely jsou z monokrystalického křemíku od americké firmy SunPower. Jedná se o jediný typ panelů, jehož účinnost se blíží 20 % (účinnost jednotlivých monokrystalických křemíkových článků na tomto panelu je až 22 %). Jednotlivé články i celý panel jsou celé černé, veškeré kontakty jsou na zadní ploše. Panel, který by měl účinnost vztaženou na celkovou plochu 22% či více ještě nikdo nevyrobil. Nejlepší poměr účinnost/cena mají články z multikrystalického křemíku, které jsou v současnosti na trhu nejrozšířenější. U těch již účinnost panelů v průmyslové výrobě překročila 17 %, i když typické hodnoty jsou zatím nižší (okolo 15 %). Máme-li omezenou plochu, na kterou můžeme tyto panely umístit, pak představují optimální volbu. Nejlevnější jsou tenkovrstvé fotovoltaické panely, jejichž výrobní náklady se v současnosti dostaly pod magickou hranici 1 USD za Watt-peak. Účinnost tenkovrstvých panelů je však ve srovnání s krystalickými zhruba poloviční, v mnoha případech i hluboko pod 10 %.

Nejpomalejší degradace je u panelů vyrobených z monokrystalických článků. Naprostá většina výrobců garantuje průměrný pokles výkonu o 0,8 % ročně (u všech typů panelů). V praxi se však prokázalo, že pokles výkonu je u monokrystalických panelů nižší. Nejstarší fotovoltaické elektrárny jsou v provozu již 25 let. Účinnost křemíkových tenkovrstvých panelů rychle klesá v prvním roce života, následně se pokles účinnosti zpomaluje v podstatě na úroveň poklesu účinnosti krystalických panelů. Proto se u tenkovrstvých panelů udává tato tzv. stabilizovaná účinnost. Nejdelší životnost dosud nemohla být určena. Jak je uvedeno v předchozím odstavci, nejstarší větší realizace jsou pouze 25 let staré. Na rozhodnutí tohoto kriteria si proto budeme muset několik desítek let počkat. Do té doby je však nutno realizovat srovnávací instalace v různých klimatických oblastech. Předpokládá se, že životnost většiny typů panelů bude podstatně vyšší. Nejnižší teplotní koeficient výkonu je výhodný pro instalace, u nichž jsou zhoršeny možnosti chlazení panelů. Jedná se zejména o panely integrované do stavebních konstrukcí (BIPV - Building Integrated PhotoVoltaic). V tomto parametru vedou tenkovrstvé technologie (amorfní křemík), u nichž je teplotní koeficient přibližně poloviční (0,3 %/K) ve srovnání s krystalickým křemíkem (0,5 %/K). Nejlepší energetická návratnost je u tenkovrstvých panelů, u nichž se v současnosti v podmínkách České republiky pohybuje kolem 2 let nebo méně, na jihu Evropy pak méně než 1 rok. Ale i údaj pro krystalické Si panely se neustále snižuje, ze současných cca 3 let v našich klimatických podmínkách.

Děkuji za pozornost