Konstrukce a výroba fotovoltaických článků a panelů

Obsah kapitoly

3.1 První generace
3.2 Druhá generace
3.3 Třetí generace
3.4 Křemíkové monokrystalické články
3.5 Fotovoltaické články z polykrystalického křemík
3.6 Fotovoltaické články z amorfního křemíku
Testové otázky

Fotovoltaické články už za sebou mají téměř 50 let vývoje a byla vyvinuta celá řada typů a konstrukcí s využitím různých materiálů. Někdy se pro přehlednost rozlišují čtyři generace fotovoltaických článků.

Zpět na začátek

3.1 První generace

Jde o fotovoltaické články vyráběné z destiček monokrystalického křemíku, v nichž je vytvořen velkoplošný P-N přechod. Tento typ se vyznačuje dobrou účinností dlouhodobou stabilitou výkonu a v současné době je to ještě nejpoužívanější typ fotovoltaických článků (hlavně pro velké instalace). Nevýhodou je relativně velká spotřeba velmi čistého, a tedy drahého křemíku a poměrně velká náročnost výroby.

Zpět na začátek

3.2 Druhá generace

Tato generace je charakterizována snahou snížit množství potřebného křemíku a zlevnit výrobu tím, že se použiji tenkovrstvé články. Nejběžnější jsou články z polykrystalického, mikrokrystalického nebo amorfního křemíku. Jejich hlavní nevýhodu je znatelně nižší účinnost a menší stabilita (účinnost dále klesá s časem). Začínají se používat i jiné materiály než křemík. V poslední době se tenkovrstvé články prosazují hlavně v takových aplikacích, kde je požadována pružnost a ohebnost. Existují např. fotovoltaické fólie, které se při rekonstrukci nalepí na plochou střechu a plní funkci nepropustné fólie a současně vyrábí elektřinu.

Obr. 11: Ukázka výroby fotovoltaické fólie

Zpět na začátek

3.3 Třetí generace

Pokus o „fotovoltaickou revoluci“ představují solární články třetí generace. Zde je hlavní cílem nejen snaha o maximalizaci počtu absorbovaných fotonů a následně generovaných párů elektron-díra (proudový zisk), ale i maximalizace využití energie dopadajícího fotonů (napěťový zisk fotovoltaických článků). Existuje celá řada směrů, kterým je ve výzkumu věnována pozornost:

Vícevrstvé solární články (z tenkých vrstev).
Články s vícenásobnými pásy.
Články, které by využívaly „horké“ nosiče náboje pro generaci více párů elektron-díra.
Termofotovoltaická přeměna, kde absorbér je současně i radiátorem vyzařujícím selektivně na jedné energii.
Termofotonická přeměna, kde absorbér je nahrazen elektroluminiscencí.
Články využívají kvantových jevů v kvantových tečkách nebo kvantových jamách.
Prostorově strukturované články vznikající samoorganizací při růstu aktivní vrstvy.
Organické články (např. na bázi objemových heteropřechodů).

Zatím jediným komerčním případem dobře fungujících článků třetí generace jsou vícevrstvé struktury (dvojvrstvé – tzv. tandemy a trojvrstvé články), z nichž každá sub-struktura (P-I-N) absorbuje určitou část spektra a maximalizuje se tak energetická využitelnost fotonů.

Příkladem tandemového solárního článku je struktura skládající se z P-I-N přechodu amorfního křemíku a P-I-N přechodu mikrokrystalického křemíku. Amorfní křemík má vysokou absorpci v oblasti modré, zelené a žluté části spektra, mikrokrystalický křemík pak dobře absorbuje i v oblasti červené a infračervené. Mikrokrystalický křemík může být nahrazen i „slitinou“ křemíku s germaniem a dle zvoleného poměru se dají upravovat jejich optické (i elektrické) vlastnosti. Tohoto materiálu se např. využívá komerčně právě pro trojvrstvé solární články, kde dva spodní články jsou vyrobeny s různou koncentrací Si a Ge.

Základní podmínkou pro dobrou funkci vícevrstvých článků je, aby každý z článků generoval stejný proud. V opačném případě, horší z článků limituje dosažitelnou účinnost. Výsledné napětí je pak dané součtem obou článků.

Zpět na začátek

3.4 Křemíkové monokrystalické články

Základní a nejstarší typ fotovoltaických článků jsou články vyráběné z monokrystalického křemíku tj. rozměr krystalů je v řádu 10 cm. Vyrábí se z ingotů (tyčí) polykrystalického křemíku zpravidla Czochralského metodou tj. pomalým tažením zárodku krystalu z taveniny velmi čistého křemíku.

Ingoty monokrystalického křemíku se rozřežou speciální drátovou pilou. Tato pila má podobu několika větších paralelně napnutých drátů, které s pomocí vhodného abraziva řežou najednou až několik ingotů. Tyto ingoty se řežou na plátky silné přibližně 0,25 až 0,35 mm a v poslední době lze vyrábět i články o tloušťce pouze 0,1 mm. Souběžně s poklesem tloušťky destiček se podařilo zmenšit i odpad řezání. Plátky se zarovnávají na rovnoměrnou tloušťku, vyleští a na povrchu odleptají, aby se odstranily nepravidelnosti a nečistoty.

Polovodičový P-N přechod se na destičkách vytvoří přídavkem fosforu, který na povrchu utvoří vrstvu s vodivostí typu N.

Z výše uvedeného postupu je vidět, že je to velmi energeticky i technicky náročná technologie, a není tedy divu, že se intenzivně hledaly cesty, jak ji zlevnit.

Jednou z možností je rovnou táhnout z taveniny tenký monokrystalický pásek, který se dá rozřezat na solární články mnohem snadněji a ze stejného množství křemíku se dá vyrobit dvojnásobná plocha fotovoltaických článků. Účinnost tohoto typu článku je však o něco nižší než u článku vyrobených řezáním z velkých ingotů monokrystalického křemíku.

Zpět na začátek

3.5 Fotovoltaické články z polykrystalického křemíku

Jde dnes o nejběžnější typ článků. Tyto články se vyrábějí odléváním čistého křemíku do vhodných forem a řezáním vzniklých ingotů na tenké plátky. Odlévání je podstatně jednodušší metoda než tažení monokrystalu a lze také připravit bloky se čtvercovým nebo obdélníkovým průřezem. Takto vyrobené články mají o něco horší elektrické vlastnosti (nižší proud a účinnost), protože na styku jednotlivých krystalických zrn (jejich rozměry jsou řádově v milimetrech) je větší odpor.

Zásadní výhodou je ale to, že výchozí surovina je levnější a lze ji vyrábět ve větších rozměrech a s obdélníkovým neb čtvercovým tvarem.

Tento typ článků má zajímavý vzhled, viditelné hranice krystalů připomínají leštěný kámen a zdá se, že to je činí oblíbeným u architektů.

Obr. 12: Struktura křemíkové článku

Zpět na začátek

3.6 Fotovoltaické články z amorfního křemíku

Články z amorfního křemíku mají oproti dvěma výše uvedeným typům výhodu v tom, že spotřebují podstatně méně materiálu a ve výsledku jsou tedy při velkosériové výrobě znatelně levnější.

Proces výroby je založen na rozkladu vhodných sloučenin křemíku ve vodíkové atmosféře. Tímto způsobem se dají připravit velmi tenké vrstvy křemíku na skleněné, nerezové nebo plastové podložce.

Takto nanesená vrstva křemíku je amorfní, tj. nemá pravidelnou krystalickou strukturu a obsahuje určité množství vodíku. Díky větší absorpci slunečního záření může být podstatně tenčí (už vrstva o tloušťce 1 µm pohltí 90% slunečního záření). Takto lze připravovat velmi tenké a ohebné fotovoltaické články a moduly, které se dají požívat jako krycí fólie na střechy nebo našít na oblečení.

Tento materiál má ovšem oproti krystalickému křemíku daleko méně pravidelnou strukturu s větším množstvím poruch. Některé atomy křemíku nemají kolem sebe potřebné sousedy, se kterými by mohly vytvořit vazbu. Vznikají tak nenasycené vazby, které vytvářejí energetické hladiny uvnitř pseudozakázaného pásu. Tyto rekombinační centra pak snižují účinnost. Snížení hustoty nenasycených vazeb je možno docílit jejich pasivací, nejčastěji vodíkem.

Obr. 13: Druhy fotovoltaických panelů Zpět na začátek

Testové otázky

Zpět na začátek