Preparation of semiconductor nanomaterials 2014/2015 (prof. E. Hulicius, FZÚ AV ČR, v.v.i.,)
Fotovoltaika Přímé využití sluneční energie v České republice Eduard Hulicius FZÚ AV ČR, v. v. i. Upgrade 2014 Fyzikální čtvrtky, FEL- ČVUT, říjen 2009 Většina dat je z let 20072008 Pačesova energetická komise
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 vyzáří8010 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 zvelkéčásti 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.
Cena: Tecnotrade: 13 430,- Kč (bez DPH) za panel 2,5 m 2 (2007/8) 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 snižší životností. Trubice lze sice měnit, ale může být problém těsnosti a životnost (pokles výkonu)?
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)
Nevýhody: Nutnost natáčecího systému pro sledování slunce, větší nároky na prostor, nezužitkují difusní záření. 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.
4) Teplovzdušné kolektory (pro přípravu tepla) Teplovzdušný kolektor je solární zařízení, které sloužík 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 -mátvar 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 sroční 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 ). Zhlediska 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 m), 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 srůznou 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 ztěchto materiálů vyrábějí hlavně firmy Spectrolab (Boeing) a Emcore.
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 třítypů 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 ještěřadu 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!