NOVÉ TRENDY A VÝSLEDKY VÝZKUMU VE FOTOVOLTAICE Ondřej Frantík 1,2, Radim. Bařinka 1, Pavlína Bařinková 1, Jiří Hladík 1, Jiří Šenkýř 1 a Aleš Poruba 1 1 Solartec s.r.o., Televizní 2618, 756 61 Rožnov pod Radhoštěm, Česká republika 2 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT, Technická 3058/10, 616 00 Brno, Česká republika Autor: Ondřej Frantík, ondrej.frantik@solartec.cz ABSTRAKT: Příspěvek je zaměřen na aplikační trendy v oblasti fotovoltaiky a s tím spojený výzkum a vývoj. Jedná se o využití technologie krystalického křemíkového materiálu na netradiční aplikace, důraz je kladen na zákaznický design a jeho aplikaci v běžném životě. První část příspěvku se okrajově zabývá novinkami v samotné technologii krystalických křemíkových článků, a to konkrétně přechodu z p-typového solárního článku na n-typový, a následně možností opravy vadných solárních článků laserovou technologií. Druhá část je již plně zaměřena na aplikaci takto vytvořených článků v každodenním životě. Zaměřujeme se především na BIPV (Building Integrated PhotoVoltaic) a na aplikaci super lehkých solárních panelů. Tyto panely budou testovány v extrémních podmínkách závodu solárních kol The Sun Trip 2013. Klíčová slova: super lehké solární panely, BIPV, solární kola 1. Úvod Příspěvek se zabývá novými trendy a výsledky výzkumu ve fotovoltaice, přičemž jsou tyto pojmy vztahovány pro Českou republiku. Je nutné si uvědomit, že transfer technologií a myšlenek ze zahraničí plnou měrou není vždy ideální. A v některých případech je nezbytné některé podmínky upravit vzhledem k zákonitostem, které v rámci České republiky panují. Ovšem jsou zde také technologické průlomy, které je potřebné plně akceptovat a bez diskuzí přijmout. Takovým průlomem je přechod ze standartního základního p-typového materiálu pro výrobu krystalických křemíkových článků na n-typový materiál. Dalším průlomovým jevem se ukazuje opravitelnost solárních článků nebo opravitelnost základního materiálu, tzv. waferů, tedy destiček křemíkového materiálu. Těmito novými trendy ve fotovoltaickém průmyslu se přímo zabývá projekt FP7-SME-201: REPTILE: Repairing of Photovoltaic Wafers and Solar Cells by Laser Enabled Silicon Processing, který bude níže popsán. Cílem tohoto článku je mimo jiné ukázat velkou možnost integrování fotovoltaiky do standardních zařízení, která jsou součástí běžného lidského života. 2. Krystalické křemíkové solární články Jak již bylo zmíněno výše, novým technologickým průlomem ve výrobě solárních článků je přechod ze standardního p-typového materiálu na n-typový. Důvody jsou prozaické, standartní p-typový materiál značně degraduje slunečním zářením, anglické označení pro tuto degradaci je Light Induced Degradation (LID) [1]. Tento jev je pak patrný na obrázku 1.
Obr. 1: Degradace p-typového materiálu v závislosti na době osvitu podle [1] Ovšem s použitím základního n-typového substrátu je spojena řada problémů, např. nakontaktování p-typového borového emitoru. Emitor je nezbytnou součástí solárního článku a je charakterizován vrstvovým odporem (R SH ). Tuto problematiku se nám podařilo vyřešit vyzkoušením řady kontaktovacích sítotiskových past za různých vypalovacích podmínek. Úspěšnost kontaktování se pak určuje veličinou kontaktní odpor (r C ), přičemž čím je nižší tím došlo k lepšímu kontaktu. Obrázek ukazuje nejnižší dosažený kontaktní odpor pro konkrétní pastu, velký rozsah vrstvového odporu a různé vypalovací podmínky (TP) [2]. Obr. 2: Úspěšná pasta s velikým pracovním oknem Další zajímavým průlomem v oblasti fotovoltaiky je oprava základního substrátu, popřípadě hotového solárního článku laserovou technologií. Touto problematikou se přímo zabývá výše zmíněný evropský grantový projekt. V tomto výzkumném a vývojové projektu má své zastoupení jak společnost zabývající se výrobou laserů a komponent pro ně, tak
společnosti zaměřené na výzkum a výrobu solárních článků a panelů či společnost, v jejímž portfoliu je instalace takto vyrobených panelů. Základní myšlenkou je vytvořit zařízení, které by detekovalo vady, např. pomocí elektroluminiscence (obr. 3), a následně odřezalo laserem vadné části solárního článku (či základního materiálu) a zbylá část byla použita, buď to jako celek či byla rozřezána na menší kousky. Obr. 3: Snímek elektroluminiscence solárního článku 3. Solární moduly z křemíkových solárních článků V této části se budeme zabývat především nestandartními solárními panely, které v sobě ukrývají křemíkové solární články. Tyto panely jsou často upraveny pro konkrétní aplikaci, aby vyhovovali náročným podmínkám, které jsou na ně kladeny. Často jsou integrovány přímo do zařízení, jako je mobil, notebook, auto či přímo do budov. Pro tyto aplikace se často vyžaduje úprava designu, zvýšené nároky na pevnost, nízkou hmotnost atd. První rozebíranou skupinou jsou panely BIPV (Building Integrated PhotoVoltaic). Ve většině případů se jedná o síť solárních článků, jež jsou zapouzdřeny mezi dvě skla, a přidáním dalších komponent nám vznikne izolační trojsklo, které je plně použitelné při stavbě. Řez takovouto strukturou je na obrázku 4. Realizace je vidět na obrázku 5, instalace v jižní Francii. Mezi výhody BIPV panelů patří, že se chovají jako IR a UV filtr, zdroj elektrické energie, tepelná a akustická izolace a mají inovativní design. přívodní kabeláž sklo síť solárních článků inertní atmosféra Distanční sloupky Obr. 4: Řez solárním modulem pro BIPV
Obr. 5: Instalace BIPV modulů v jižní Francii Do druhé skupiny, která bude v tomto příspěvku popsána, patří super lehký solární modul. Na vývoji tohoto modulu jsme intenzivně spolupracovali s další českou společností zabývající se plastovými hmotami. Na ilustračním obrázku 6 je vidět, že se modul skládá ze tří částí: nosný substrát, síť solárních článků a krycí epoxidová hmota na bázi pryskyřice. Na nosný substrát jsou kladeny vysoké nároky na pevnost a lehkost. Síť solárních článků se pak skládá z řezů standartních článků. Nejnáročnější byl pak vývoj nové hmoty, která musí být stálá vůči venkovním podmínkám a především vůči UV záření a teplotě. epoxid na bázi pryskyřice síť solárních článků nosný substrát Obr. 6: Super lehké solární panely Testování takto vytvořených solárních modulů bude probíhat v extrémních podmínkách v závodě solárních kol The Sun Trip 2013. Tento závod začíná ve Francii a končí v Kazachstánu, což odpovídá cca 7300 km. Českou republiku bude zastupovat dvojice závodníků z týmu Czech Solar Team. Denně plánují ujet na lehokolech až 200 km, k tomuto jim budou pomáhat elektromotory poháněné výše zmíněnými panely. Vzhledem k tomu, že pojedou dvě lehokola (obr. 7), bude jedno poháněno moduly ze standartních článků a druhé moduly ze článků výše zmíněného projektu. Samozřejmě budou měřeny proudy jednotlivých modulů, aby bylo možné je porovnat. Tyto hodnoty se následně budou zaznamenávat na paměťovou kartu a budeme znát počet Wh za den. Dalším kontrolovaným údajem bude teplota okolí a panelu, protože teplota značně ovlivňuje účinnost solárních článků.
Obr. 7: Lehokola se super lehkými solární panely, [3] 4. Závěr V článku bylo nastíněno, jakým směrem se může ubírat fotovoltaika v nejbližší dekádě. Především jde o zákaznickou výrobu, případně zákaznický výzkum s využitím kombinace vysoce kvalitních a odpadních materiálů či článků, tak aby bylo dosaženo vysokého poměru výkon/cena. 5. Použité odkazy [1] Lim, B., & Schmidt, J. Boron-Oxygen-Related Recombination Centers in Compensated N- Type Czochralski-Grown Silicon. npv workshop. Konstanz (Německo): 2011. [2] Frantík, O., Čech, P., Wostrý, P., Bařinka, R. Passivation layers for solar cells with boron emitter. Proceedings 27th EU PVSEC 2012. Mnichov (Německo): 2012. [3] http://czech-solar-team.com/cz/