Fotovoltaické články pro využití sluneční energie RNDr. Antonín Fejfar, CSc. Fyzikální ústav AV ČR, Cukrovarnická 10, 162 53 Praha 6 fejfar@fzu.cz Shrnutí Využití sluneční energie je pro lidskou civilizací lákavou možností, jak si zajistit prakticky navždy zdroj energie. Fotovoltaické sluneční články jsou jedním z výsledků výzkumu polovodičů a v poslední době i rychle rostoucím průmyslovým oborem. Historie objevu a rozvoje slunečních článků by byla zajímavým příběhem i bez dodatečného zájmu o praktické využití výsledků. V současné době si lidé také víc a víc uvědomují důsledky moderní civilizace na životní prostředí na Zemi. Sluneční články jsou příležitostí, jak se při výuce na středních školách věnovat tématu, které se týká každého z nás. V této přednášce se podíváme na principy současných slunečních článků i na jejich historii. Fotovoltaickou přeměnu je možné vyložit dostatečně jednoduše, i když je založen na pojmech moderní fyziky, včetně kvantové teorie pevných látek a statistické fyziky. Popíšeme výrobní kroky slunečních článků a jejich praktické využití. Nezbytně se musíme dotknout tématu návratnosti jak pořizovacích financí, tak i energie potřebné na vlastní výrobu slunečních článků. Nakonec se ukáže, že stále existuje potřeba nových nápadů a inspirací a je možné, že sluneční články budoucnosti na svůj objev teprve čekají.
TP PT Wp P rostoucího P slunečních 2 Sluneční články se dnes již vyrábějí v množství cca 10 kmp P ročně, přesto jejich aktuální výzkum směřuje ke zkoumání dějů v měřítku nanometrů, a tak se dotýká také moderního oboru nanověd a nanotechnologií. Pro zvídavé posluchače je připravena i ukázka, jak vypadá výzkum na aktuální hranici poznání v oboru nanokrystalických křemíkových vrstev. Přitom se seznámíme i s využitím rastrovacích mikroskopie atomárních sil. Na závěr si zkusíme experimentovat s ukázkovými slunečními články z krystalického křemíku. Nabízí se i pokušení zkusit si udělat sluneční články vlastníma rukama, jenže to pro křemíkové články není možné. Přesto existují jiné typy článků, které je možné připravit na kuchyňském stole a které by mohly být základem např. pro studentské projekty, přičemž s náklady v řádech nejvýše stovek korun. Úvod Slovo fotovoltaika pochází ze spojení řeckého slova fotos pro světlo a jména itaského fyzika Alessandra Volty. Fotovoltaika je nyní průmyslovým oborem s ročním obratem 3,5 miliardy dolarů, 1 který v roce 2003 vyrobil články o kapacitě 742 MWpTP PT, tedy 2 o celkové ploše asi 7,5 kmp P. Výroba slunečních článků rostla za posledních pět let v průměru o 40 % ročně. Tento růst je zatím založen především na podpůrných programech, protože elektřina ze slunečních článků je dosud několikanásobně dražší než z klasických zdrojů, ale lze očekávat, že v horizontu 20 30 let se ceny vyrovnají. Světová výrobní kapacita v roce 2030 může podle prognóz japonské agentury pro nove energie (NEDO) dosáhnout 100 GWp ročně a sluneční články se stanou běžnou součástí našeho života. Fotovoltaické sluneční články mohou dodávat elektrický proud bez pohyblivých částí a především bez emisí skleníkových plynů. Uvádí se, že 1 mp produkce COB2B ekvivalentní 80 mp 2 2 článků je z hlediska lesa. Nicméně velká část (~ 95 %) současných článků se vyrábí z křemíkových desek náročnými technologiemi polovodičového průmyslu, a tak typický článek vrátí energii potřebnou na jeho výrobu až po 5 letech. Životnost článků je 30 let a více, takže články energii na jejich výrobu znásobí několikrát. Dosavadní příspěvek slunečních článků k bilanci COB2B je však negativní: díky rychlému růstu jejich výroby celkový instalovaný výkon článků nestačí ani na výrobu nových. 1 (z anglického watt-peak) je špičkový výkon fotovoltaického článku při standardních podmínkách, tj. při kolmém osvětlení za jasného dne v poledne.
. je a a Jak sluneční články fungují Dnes používané sluneční články jsou velkoplošné polo- vodičové diody, které jsou znázorněny schematicky na obr. 1. Pokud přiložíme mezi horní a spodní elektro- du napětí, bude proud dán Shockleyho diodovou rovnicí. I = IB0B [exp(ev/kbbbt) 1] kde IB0 Bje saturační proud diody, e je elementární náboj, U je přiložené napětí, kbbb Boltzmannova konstanta a T je teplota. Pokud je článek osvětlen, přidá se k tomuto proudu ještě fotogenerovaný proud IBLB, který posune volt-ampérovou charakteristiku tak, jak je ukázáno v obr. 2. Ve čtvrtém kvadrantu článek dodává výkon do vnějšího obvodu. Tento kvadrant je vynesen v pravé části obr. 2 v detailu s vyznačením napětí naprázdno UBocB (typicky 0.5 V) a proudu nakrátko IBscB 2 (obvykle ~30 ma/cmp P). Výkon slunečního článku je dán součinem napětí a proudu 1 2 Volt-ampérová charakteristika slunečního článku ve tmě a při osvě tlení (vlevo) a obvyklý způsob kreslení 4. kvadrantu s vyznačeným i hodnotami proudu nakrátko (IBSCB), napě tí naprázdno (UBOCB) a bodu maximálního výkonu PBmaxB. dodávaného do vnějšího obvodu, tedy P = U.I, a pracovní bod článku by měl být bod PBmB, kde článek poskytuje maximální výkon. Důležitou charakteristikou článků je také faktor plnění FF = PBmaxB / (IBscB * UBocB), který lze znázornit jako podíl plochy obdélníku o stra-nách UBmB IBmB obdélníka o stranách UBocB a IBscB. Faktor plnění FF je dobrým měřítkem kvality článku a pro krys-talické články dosahuje hodnot asi 0,7. Nejdůležitější charakteristikou článku je jeho energetická účinnost označovaná η. Pro komerční křemíkové sluneční články bývá η okolo 15 %.
Proč je účinnost tak malá? Pro vysvětlení se musíme podívat na děje probíhající uvnitř článku v energetickém pásovém schématu na obr. 3. Ve sluneční svitu jsou zastoupeny fotony 3 Vnitřní děje ve slunečním článku znázorněné v energetickém pásovém schematu. 4 Spektrum slunečního svitu dopadající na povrch atmosféry a po průchodu atmosférou ( spektrum označované jako AM1,5). o různých vlnových délkách (viz. obr. 4) a fotovoltaické přeměny se účastní jen ty z nich, které mají energii větší než je zakázaný pás polovodiče (1,14 ev pro křemík). Fotony s dostatečnou energií mohou excitovat elektron z valenčního pásu do vodivostního pásu. Vzniklý elektron relaxuje na dno vodivostního pásu a díra po elektronu na vrchol valenčního pásu a přitom se přebytek energie fotonu nad šířku zakázaného pásu mění na teplo. PN přechod rozděluje elektrony a díry, které tak rekombinují průchodem vnějším obvodem, ve kterém mohou konat užitečnou práci. Ztráty fotonů s energií menší než je zakázaný pás a termalizace fotogenerovaných elektronů a děr jsou hlavní důvody, proč účinnost fotovoltaické přeměny pro křemík nemůže být větší než asi 27 %. Jak byly sluneční články objeveny První sluneční článek založený na monokrystalickém křemíku byl připraven v roce 1953 v Bellových laboratořích. D. Chapin byl pověřen úkolem vyřešit problém s bateriemi, které v telefonních systémech v horkém a vlhkém podnebí až příliš často selhávaly. Zkoušel mimo jiné i tehdy dostupné selénové sluneční články, které ale měly mizivou účinnost 0.5 %. Jeho kolegové Fuller a Pearson experimentovali s křemíkovými diodami a všimli si i jejich chování při osvětlení. V roce 1953 použili arsénem dopovanou tenkou destičku křemíku
2 o ploše asi 2 cmp P, ve které vytvořili bórem PN přechod - a první křemíkový sluneční článek s účinností 6 % byl na světě! O vánocích 1953 autoři popsali objev v krátkém článku pro Journal of Applied Physics. Bellovy laboratoře pak ohlásily objev na tiskové konferenci, kde byl předveden první solární panel napájející rádio. Tisk označil objev za revoluci ve využití sluneční energie a začátek solární civilizace. 5 Objevitelé krysta- lického křemíko- vého slunečního článku a demonstrační fotografie prvního solárního panelu vyrobeného v Bellových laboratořích. 6 Struktura pokročilého křemíkového slunečního článku z roku 1991, který s účinností 24.7 % drží světový rekord. Další vývoj však byl jen pozvolný. Ostatně i předchozí posouzení objevu inženýry Pentagonu bylo ke slaboučkému zdroji o výkonu pouhých 10 mw velmi skeptické. První praktické pokusy se odehrály ve městě Americus v Georgii, kde solární panely měly nahradit chemické baterie telefonického vedení, nicméně brzy se od nich upustilo, mimo jiné kvůli neprůhledným bílým navštívenkám zanechávaných na panelech ptáky. I trio vynálezců, Chapin, Fuller a Pearson, opustilo tento směr a věnovali se výzkumu polovodičů pro đvýkonové tranzistory. Renesance přišla v okamžiku, kdy Sovětský svaz v roce 1957 úspěšně vypustil Sputnik a šokoval Ameriku. Pro připravovanou americkou družici Vanguard I byl potřeba zdroj energie a v hektickém tempu byly vybrány solární články, které pak po sedm let napájely jeden z jejích vysílačů (druhý vysílač, napájený chemickou baterií, umlkl po 20 dnech). Další podstatný impuls pro solární energetiku přišel spolu s ropným šokem
v 70. letech 20. století. Sluneční články prošly intenzivním výzkumem a vývojem a jejich účinnost se zvyšovala. Na obr. 6 je příklad pokročilého slunečního článku s rekordní účinností 24,7 % z 90. let, jeho princip je ale stále stejný jako v Bellovském článku z roku 1953. 7 Znázornění kroků výroby současných křemíkových slunečních článků Jak se dělají současné sluneční články Kroky přípravy krystalických křemíkových článků jsou znázorněny na obr.7. Některé operace jsou očividně náročné jak technologicky, tak z hlediska spotřeby energie: růst monokrystalu křemíku, řezání ingotu a další. Z hlediska spotřeby energie je ale ještě náročnější vlastní příprava zdrojového křemíku. Křemík je sice druhý nejhojnější prvek v zemské kůře, ale vyskytuje se výhradně jen vázaný a je ho tedy nejprve potřeba vyloučit z křemenného písku. Křemíku se vyrábí velké množství pro legování ocelí, jenže pro sluneční články je třeba ho také zbavit příměsí. Výrobci slunečních článků se proto dlouho přiživovali na polovodičovém průmyslu, protože mnohé desky, které pro výrobu procesorů nebo pamětí nevyhovují, jsou stále ještě dostatečně dobré pro sluneční články. Nicméně před dvěma až třemi lety potřeba křemíku pro fotovotaiku převýšila veškerý ostatní polovodičový průmysl a tak se obor ocitl ve stavu nouze o výrobní materiál. Křemík je také hlavním viníkem dlouhé doby energetické návratnosti, a proto se hledají cesty, jak omezit jeho spotřebu. Nejde však jednoduše použít tenčí desky. Současné desky mají tloušťku přibližně 1/4 mm a menší tloušťka již nestačí zabsorbovat všechno světlo, a navíc, desky se ve výrobě snáze lámou nebo se dokonce ohýbají.
Jak by mohly vypadat sluneční články budoucnosti I proto se stále hledají alternativy a nové nápady. V některých případech je možné uvažovat o koncentraci světla (protože čočky nebo zrcadla jsou levnější než sluneční články), jenže potom je třeba natáčet panely za Sluncem. Bylo by možné použít i jiné polovodiče než křemík, nicméně některé jsou příliš drahé (GaAs a pod.) nebo existují výhrady k jedovatosti jejich složek. I v oboru slunečních článků tak platí nepsané pravidlo polovodičového průmyslu: jde-li to udělat z křemíku, bude to z křemíku. Od konce 70. let se pozornost soustředila na tenké vrstvy amorfního křemíku (a-si:h), které dovolují snížit jeho spotřebu asi 100krát, jenže přes veškeré úsilí se nepodařilo odstranit degradaci jeho vlastností světlem. Vcelku nedávno se zájem přenesl na podobně připravované vrstvy složené z mikroskopických křemíkových krystalků s nano- 8 Tenkovrstvý tande mový sluneční metrovými rozměry, které světlem nedegradují. Amorfní křemík a mikrokrystalický křemík mají odlišné hodnoty zakázaného pásu, takže mohou bát také zapojeny do tandemu, jak je ukázáno v obr. 8. V takovém případě se dá využít větší část energie fotonů: horní článek z amorfního křemíku článek, ve kterém je do série zařazen článek z amorfního křemíku (a-si:h) a mikrokrystalického křemíku (µc-si:h). Článek je zobrazen elektronovým mikroskopem vlevo. Napravo je schematicky ukázáno využití různých vlnových délek světla v obou článcích. se zakázaným pásem 1,8 ev využije z každého absorbovaného fotonu větší část energie. Fotony s menší energií jím projdou, ale mohou se zabsorbovat v článku z mikrokrystalického křemíku ze zakázaným pásem 1,1 ev. Výroba takových tandemových článků již běží v Japonsku a připravuje se v Evropě. Příklad aktuálního stavu výzkumu v oboru nanokrystalických křemíkových vrstev V naší laboratoři se věnujeme tenkých vrstvám nanokrystalického křemíku, jejichž vlastnostem po pravdě stále ještě dobře nerozumíme. Důvodem je jejich komplikovaná struktura, která je vidět na příčných řezech několika vzorky zobrazených prozařovacím elektronovým mikroskopem v Obr. 9. Vrstvy na podložce začínají růst s amorfní strukturou. Po dosažení určité tloušťky se ve vrstvě objeví zárodky krystalických zrn, která se dalším
růstem zvětšují, až na sebe narazí a po čase vyplní celou plochu vzorku. Na povrchu se 9 Zobrazení příčných řezů tenkým i vrstvami mikrokrystalického křemíku z prozařovacího elektronového mikroskopu vodivé raménko I velké zrno ~15 µ m 25 ~30 µ m malá zrna sklo µc-si:h I 10 Pozorování mikrokrystalického křemíku pomocí mikroskopie atomárních sil (AFM). Princip AFM měření je v obrázku vlevo, kde je také naznačena struktura µc-si:h vzorku, složená z malých krystalických zrn (~10 nm) uspořádaných do velkých zrn (~ 100 nm) a oddělených hranicemi zrn nebo amorfní mezifází. Vodivé AFM raménko, jehož tvar a rozměry jsou zobrazeny na vloženém snímku, rastruje po povrchu a záznam jeho výchylky vytváří topografickou mapu. Nezávisle lze zaznamenávat i proud vyvolaný napětím přiloženým mezi vodivý hrot a spodní elektrodu. Na profilu topografie podél naznačené šipky lze rozlišit malé krystalické zrno (pozice 500 nm) podle signálu v lokálním proudu od struktury v amorfn í oblast i (pozice 650 nm), kde proud zůstává nízký. přítomnost zrn projeví jako hrbolky o rozměrech až 1 mikrometru, kvůli kterým dostal mikrokrystalický křemík své jméno. Zrna však nejsou plně krystalická, spíše jsou složena z menších zrn o rozměru přibližně 10 nm. Přitom pohyb elektronů a děr ve vrstvě je ovlivněn přítomností krystalické a amorfní fáze, jejichž vodivost se liší o mnoho řádů, i přítomností hranic mezi zrny i uvnitř zrn. Navíc se vlastnosti liší i ve směru kolmo a rovnoběžně s podložkou a mění se s růstoucí tloušťkou vrstvy. Veškerá elektronická měření s makroskopickými elektrodami jsou proto nutně výsledkem mnoha různých dějů, a proto jsme začali s výzkumem, který by dovolil mapovat
elektronické vlastnosti v nanometrovém měřítku a které by dovolilo rozlišit vliv hranic zrn, složek atd. K tomu je potřeba co nejmenší možný kontakt, jaký dovoluje jen hrot mikroskopu atomárních sil (AFM). Schéma měření je nakresleno v levé části obr. 10. Hrot je rastrován po povrchu vzorku a současně se měří proud protékající mezi hrotem a spodní elektrodou vzorku. Výsledky, tj. současně měřené mapy topografie a vodivosti, jsou také ukázány v obr. 10 pro vzorek s asi 40 % obsahem krystalických zrn. ρ γ r d a-si d incubation a-si:h c-si nucleus nearest neighbor (Delaunay) triangulation bisectors grain boundaries 11 Geometrický model růstu křemíkových vrstev, který vede k vytvořen í Voroného mříže 12 Povrch křemíkových vrstev zobrazený pomocí AFM s postupně rostoucí tlouš ťkou d (horní řada ). Ve spodní řadě jsou modelované povrchy vytvořené počítačem základě geometrického modelu. Díky mikroskopům jsme schopni měřit strukturu i vlastnosti jednotlivých složek vrstev. Zůstává ale základní otázka: známe-li strukturu a vodivost složek amorfní fáze a zrn, jaká bude vodivost vrstvy? Abychom na ni našli odpověď, potřebujeme model struktury vrstev. Základ modelu vzešel z jednoduchého postřehu, že izolovaná zrna na povrchu mají kruhový tvar, ale hranice mezi nimi jsou přibližně přímé. Zjednodušený model, který takto popisuje zrna, je na obrázku 11. Model vychází z toho, že zrna rostou současně z náhodných zárodků a všechna mají tvar rotačně symetrického kužele zakončeného kulovým vrchlíkem. Zrna se zvětšují s růstem vrstvy a když na sebe narazí, vytvářejí hranice podél osy spojnice jejich středů. Každé zrno tak postupně vyplní předem definovanou oblast vzorku, tedy její růstovou zónu. Matematicky se tato konstrukce popisuje Voroného mříží, která byla zavedena pro popis růstu z náhodně rozmístěných zdrojů, a která se dá použít na popis např. chemických reakcí, růstu lesa, teritorií živočichů nebo třeba i spádových oblastí zákazníků hypermarketů. V našem případě jsme Voroného mříž použili pro modelování série vzorků mikrokrystalického křemíku s postupně rostoucí tloušťkou. Zobrazení povrchu vzorků pomocí AFM v zorném poli 1 x 1 µm je uvedeno v horní řadě v obrázku 12, zatímco ve spodní řadě jsou uvedeny modelované povrchy spolu s odpovídající Voroného mříží.
14 Experimentální demonstrace nezávislosti Voroného mříže na tvaru rostoucích zrn 13 Skutečný profi l tvaru zrn při růstu rekonstruovaný z rozměrů zrn pozorovaných pomocí AFM Srovnání modelu se skutečným tvary na povrchu vzorku nám pak dovolilo zpětně rekonstruovat skutečný tvar zrn při růstu, viz obr. 13. Těsně po vytvoření zárodku se zrno nejdříve rozpíná stále rychleji, až po dosažení určité velikosti se expanze zrna začne zpomalovat. Přitom však si zrno zachovává přibližně kulový vrchlík. Skutečný tvar zrna se tedy liší od idealizované geometrie, prezentované v obr. 11. Přesto se nemění popis geometrie pomocí Voroného mříže. Toto tvrzení lze ilustrovat experimentem v obr. 14. Zatímco tento experiment sloužil především pro pobavení posluchačů na konferenci v Sao Paulu, geometrická konstrukce Voroného mříže je pro nás základem pro modelování elektrických vlastností vrstev a pro úvahy o funkci slunečních článků založených na mikrokrystalickém křemíku. Závěry Do našeho krátkého shrnutí současnosti i historie slunečních článků se toho mnoho nevešlo. Mluvili jsme vlastně jen o křemíkových článcích, protože na nich je současná
fotovoltaika založena. Je však možné, že pro budoucí masovou výrobu článků se budou víc hodit úplně jiné články. Zajímavé se jeví vrstvy organických polovodičů, z nichž některé byly v poslední době vyvinuty pro světlo-emitující diody, nebo elektrochemické sluneční články (někdy nazývané Grätzelovy). Nakonec je tedy otázka toho, jak budou vypadat sluneční články budoucnosti, stále ještě otevřená. Některé z těchto článků je možné připravit dostatečně jednoduše, aby mohly být základem např. pro studentské projekty. Ale o tom již více v praktické části kurzu. Odkazy na literaturu: [1] J. Toušek: Elektřina ze Slunce, Fotovoltaické systémy a jejich ekonomika, Vesmír 79, prosinec 2000, str. 672 [2] M. Vaněček: Přeměna sluneční energie v energii elektrickou, Československý časopis pro fyziku 52 (2002), str. 92. Užitečné internetové odkazy: www.pvpower.com www.nrel.gov www.pv.unsw.edu.au www.solartec.cz