Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 5/2017 vyšlo tiskem
18. 9. 2017. V elektronické verzi na webu bude 18. 9. 2017.

Svítidla a světelné přístroje
MAYBE STYLE představuje LED designová svítidla německého výrobce Lightnet
TREVOS – nová svítidla pro průmysl i kanceláře
Kolik typů LED panelů vyrábí MODUS?
Inteligentní LED svítidlo RENO PROFI

Osvětlení interiérů
Světlo v bytovém interiéru – otázky a odpovědi

Aktuality

Soutěž o nejlepší realizovaný projekt KNX instalace Spolek KNX národní skupina České republiky, z. s. vyhlásil soutěž o nejlepší projekt…

Institut světelného designu vás zve na dvoudenní workshop PROSTOR – SCÉNA – SVĚTLO – BARVA

Výroční SIGNAL festival provede diváky po nových trasách i svou historií Festival světla SIGNAL divákům předvede 20 instalací od umělců z České republiky i…

Tradiční podzimní akce pro odborníky - seminář Interiéry 2017 Šestý ročník odborného semináře INTERIÉRY 2017 se koná ve čtvrtek 9. listopadu 2017 na…

Více aktualit

Sluneční články – materiály a technologie

Světlo 1/00
 

Gustav Holub

Sluneční články – materiály a technologie

Obr. 1.

Současný generovaný výkon z instalovaných slunečních článků a modulů celosvětově činí pouze něco málo přes 100 MW. Podle názoru odborníků z renomovaného výzkumného ústavu Fraunhofer Institut, SRN, by se musely náklady na tyto zdrojové systémy v budoucnosti snížit o trojnásobek až pětinásobek, aby sluneční energie v této podobě byla schopna konkurovat jiným obvyklým zdrojům elektrické energie. Tohoto cíle lze dosáhnout lepší výrobní technikou, novými a výkonnějšími materiály a větší účinností budovaných systémů.

Odborníci ze zmíněného německého ústavu mají dlouholeté zkušenosti s výrobou multikristalinového křemíku pomocí blokového lití, protlačováním, resp. kontinuálním litím a zejména tažením pásů. Pro výrobu kristalinových slunečních článků z tenkostěnného křemíku vyvinuli postup tažení pásů z práškového materiálu (SSP), z kterého pomocí specifické metody vznikají částečným roztavením tenké a jemné kristalinové fólie. Tyto fóliové pásy jsou optimálně upraveny a naneseny na fotovoltaicky aktivní vrstvy, které se na nich segregují. Tento nově vyvinutý materiál je techniky a cenově zajímavou alternativu keramických substrátů.

1. Tenké kristalinové vrstvy křemíku
Jsou dlouhodobě stabilní a chovají se příznivě k životnímu prostředí. Tenkostěnné sluneční články jsou velmi perspektivní při snižování výrobních nákladů, a proto se prosazuje snaha kombinovat příznivé vlastnosti článků vyrobených známými metodami a tažením z práškových materiálů. Byl zahájen vývoj rychlého a účinného segregování tenkostěnných křemíkových vrstev z trichlorsilanu na různých substrátech a jsou vyvíjena opticky zahřívaná zařízení k rekristalizaci těchto vrstev.

Obr. 2.

2. Multikristalinové sluneční křemíkové buňky
Vlastnosti multikristalinového křemíku jsou v podstatě určovány kristalizačním procesem a tzv. defektní hustotou. Proto je třeba pro tyto materiály vyvinout příslušný výrobní proces. Kromě toho je zapotřebí řešit chemicko-technologické postupy, jako je suché leptání nebo optická zpracovatelská metoda. Obr. 1 vlevo ukazuje vertikální řez (leštěný a chemicky leptaný v nepravých barvách) vrstvou křemíku segregovanou z plynné fáze substrátu vyrobeného z křemíkového prášku procesem SSP. Vpravo je rekristalizovaná vrstva křemíku na keramickém substrátu. Nejdříve je specifickým procesem segregována jemnozrnná vrstva křemíku a rekristalizací pomocí opticky zahřívaného zónového tavicího zařízení jsou vyrobeny kristaliny s šířkou několika milimetrů a délkou několika centimetrů.

3. Vysoce účinné sluneční články
Jsou vyvíjeny struktury a procesy výroby slunečních buněk, resp. článků s vysokými účinnostmi, z monokristalického křemíku. V současné době je u tzv. zónově taženého křemíku dosahováno nejvyšší účinnosti 23,3 % a u hlubokotažného křemíku 22 % (nejlepší mezinárodní hodnota). Zvláštní důraz je kladen na zjednodušení a redukci výrobních kroků bez podstatného snížení účinnost. Veškeré procesní úkony jsou vykonávány v maximálně čistém prostředí. Zde je tedy nezbytná těsná spolupráce s příslušnými průmyslovými obory. Na obr. 2 vlevo je ukázán výsledek eliminování (pasivování) defektů v křemíku vodíkem, jehož využitím je dosahováno zvýšení výkonu slunečních buněk z multikristalinového křemíku. To je zcela zjevné ve srovnání s tzv. zkratkovou topografií sluneční buňky. Levá dolní polovina ukazuje měření před pasivováním a pravá horní polovina po něm. Nekvalitní nebo méně kvalitní oblasti jsou znázorněny modře až zeleně a oblasti s vysokou kvalitou jsou v barvě žluté. Na obr. 2 vpravo je řez sluneční buňkou s vysokou účinností. Podstatnou zvláštností je antireflexní strukturalizace s inverzními pyramidami, jemně strukturovaná kontaktní mřížka pro snížení ztrát, dvoustupňový emitor, lokální povrchové zpětné pole (LBSF) na jedné straně, jakož i pasivace vrstvou SiO2, aby byla potlačena povrchová kombinace generovaných nosičů náboje.

Obr. 3.

4. Fotovoltaické buňky skupin III až IV a vrstvové struktury
Pokračuje vývoj fotovoltaických buněk na bázi materiálů skupiny III až IV, jako jsou FaAs a GaSb. Předmětem zájmu jsou ternární a kvartérní polovodiče z Ga, In, Al, As, Sb a P s pásmovými intervaly 0,7 eV a 2,0 eV. Z těchto vrstvových struktur se vyrábějí např. vysoce kvalitní články s vysokou koncentrací s účinností vyšší než 30 %. Rovněž jsou vyvíjeny nové procesy, jako je získávání epitaxních struktur III až IV na speciálním průmyslovém zařízení. Tyto vrstvené struktury lze všestranně použít např. pro zmíněné vysoce účinné články, lasery, diody LED, senzory nebo v termovoltaice.

5. Dielektrické a elektrické vrstvy
Dielektrické vrstvy z materiálů SiO2, SiNx, TiO2 a MgF2 s tloušťkami 10 nm až 3 mm jsou vyráběny chemickou segregací za podpory plazmy a napařovacího procesu. Podle potřeby se používají pro pasivování povrchů, emitorů a k objemovému pasivování nebo jako difuzní bariéra a krycí vrstva při rekristalizaci vrstev či jako antireflexní vrstva. Pro elektrické kontakty slunečních článků jsou ve Fraunhoferově Institutu radiací elektronů a kelímkovým napařováním segregovány tenké vrstvy z Ti, Pd, Ag, Au, AuGe, Al, Ni, které jsou následně galvanicky zesilovány. Na obr. 3 vlevo je zobrazeno několik příkladů slunečních buněk III až IV z GaAs na substrátech Ge, používaných v kosmické technice k zásobování satelitů elektrickou energií. Sluneční světlo se 100násobně až 500násobně koncentruje na sluneční článek. Na obr. 3 vpravo jsou znázorněny čtyři příklady barevných slunečních buněk multikristalinového typu. Změnou indexu lomu vrstev SiNx mezi 1,8 < n < 2,15 a tloušťky vrstvy od 80 nm do 450 nm se vlivem různého spektrálního činitele odrazu objevuje modrá, zelená, zlatá a modročervená barva. V budoucnosti lze pro integraci do střech budov a do fasád očekávat i jiné zabarvení.

Obr. 4.

Obr. 4 vlevo znázorňuje rozložení životnosti nosičů náboje v multikristalinovém křemíkovém kotouči. Červená oblast značí vysokou kvalitu s velmi narušenými (modrými) drobnými kristalinovými oblastmi. Obrázek vpravo ukazuje kontaktní strukturu, ve které byly tzv. čipovou pilou do povrchu křemíku vyříznuty drážky široké 30 mm a zaplněny kovovou pastou. Tím vzniká velmi jemná kontaktní mřížka. V závěru hodnotící studie zmiňovaného ústavu je konstatováno, že základem vývoje nových materiálů a výrobních technologií na mezinárodní špičkové úrovni je porozumění všem faktorům omezujícím současné výrobní technologie. Existující široká paleta analytických postupů a simulačních programů je trvale doplňována. Vedle zlepšování známých technologií je vývoj nových postupů důležitým tématem ve výzkumu fotovoltaiky. Odborníci pracují na nových, cenově příznivých procesech pro strukturování a texturování povrchů slunečních článků a pro výrobu jemných kontaktů na nich.

[Solarzellen – Werkstoffe und Technologie. Fraunhofer Institut, SRN, březen 1999.]