Fotovoltaické články – historie a současné trendy vývoje

Fotovoltaika je celosvětově jedním z nejrychleji se rozvíjejících oborů s ročním nárůstem instalovaného výkonu převyšujícím 30 %. Z hlediska vývojových trendů se význam fotovoltaiky jako energetického zdroje neustále zvyšuje. Instalovaný výkon fotovoltaických systémů ve světě již přesáhl úroveň 20 GWp, v Evropě přesáhl instalovaný výkon 10 GWp.

Fotovoltaika, tj. přímá přeměna energie slunečního záření na elektrickou energii, nabývá ve světové energetice důležité místo. První fotovoltaické články byly vyrobeny v roce 1883, ale až v roce 1956 bylo dosaženo 6% účinnosti na článku z monokrystalického křemíku. Větší využití fotovoltaických článků nejdříve ovlivňovaly kosmické programy (napájení družic), později se s rozvojem technologie výrazně rozšířily aplikace pro energetické účely (obr. 1).

Obr. 1: Instalovaný výkon fotovoltaických aplikací

Základním prvkem systémů pro přeměnu slunečního záření na elektrickou energii je fotovoltaický článek. Jedná se o velkoplošnou polovodičovou součástku alespoň s jedním přechodem PN. Přední strana článku je uzpůsobena k pohlcování slunečního záření. Pokud je energie fotonů dostatečně velká, dochází při interakci s polovodičem k uvolnění vazebních elektronů, a v důsledku toho ke vzniku párů elektron – díra. Ty jsou následně separovány vestavěným elektrickým polem přechodu PN, přičemž na článku vzniká napětí (několik desetin voltu) a je možno z článku odebírat proud. Tento proud závisí na ploše článku a intenzitě dopadajícího záření; hustota proudu je za normalizovaných podmínek (1 000 W/m² a spektrum AM 1,5) v řádu desítek mA/cm². Vzhledem k nízkému napětí je třeba spojovat jednotlivé články do série a funkčních bloků – modulů, které musejí zároveň články chránit před nepříznivými vlivy okolního prostředí.

V průběhu více než padesátiletého vývoje byly vyvinuty fotovoltaické články a moduly z různých druhů materiálů. Při výrobě se používají rozličné technologie, předmětem výzkumu a vývoje jsou nové materiály a konstrukční principy. V současné době jsou ve velkých sériích vyráběny fotovoltaické články a moduly jednak z krystalického křemíku, dále pak ve formě tenkých vrstev z polovodičových materiálů, jako jsou amorfní křemík, amorfní křemík-germanium, telurid kadmia CdTe a materiály typu CIS (CuInSe₂, CuIn_xGa_1–xSe₂).

Podíl základních technologií na celkové produkci fotovoltaických modulů v roce 2009 je graficky znázorněn na obr. 2. Největší podíl na celkové výrobě mají moduly z krystalického křemíku (celkem 82,4 % z celkové světové produkce). Krystalický křemík může být buď ve formě monokrystalické destičky (c-Si mono), ve formě destičky multi-krystalického materiálu (c-Si multi) nebo ve formě multikrystalických pásků (c-Si ribbon).

Obr. 2: Podíl jednotlivých technologií na produkci FV článků v roce 2009

Fotovoltaické články a moduly z krystalického křemíku
Křemík je velmi vhodný materiál pro výrobu fotovoltaických (FV) článků, protože z hlediska šířky zakázaného pásu je u křemíku možno dosáhnout velmi vysoké účinnosti generace volných nosičů dopadajícího slunečního záření. Zároveň se u křemíku, základního materiálu pro mikroelektroniku, podařilo velmi dobře zvládnout všechny operace potřebné k vytváření struktur. Teoretická účinnost [2] ideálního křemíkového článku dosahuje 33 %.

Výchozím materiálem pro výrobu FV článků z krystalického křemíku jsou křemíkové destičky (obvykle typu P) čtvercového tvaru o rozměrech až 200 × 200 mm a rezistivitě řádově jednotky cm. Počátek výroby FV článků byl spojen s monokrystalickým křemíkem. Potřeba snižování ceny vstupního materiálu vedla v sedmdesátých letech k vývoji multikrystalického křemíku (řízené tuhnutí taveniny v blocích). Tato technologie přispěla k úspoře materiálu a snížení investičních nákladů. Na druhé straně náhodná orientace krystalických zrn neumožňuje pyramidální texturaci povrchu alkalickým leptáním a hranice zrn zvyšují rekombinační ztráty. Vývojem technologie se podařilo značně přiblížit účinnost článků z multikrystalického křemíku účinnosti článků z křemíku monokrystalického.

Monokrystalické nebo multikrystalické ingoty musejí být rozřezány na destičky o tloušťce cca 0,15–0,3 mm, povrchová vrstva destiček zhmožděná řezáním musí být odleptána. Příprava destiček rozřezáním ingotu je relativně nákladná operace, při které je znehodnoceno téměř 50 % materiálu ingotu.

Z jedné křemíkové destičky je vyroben jeden FV článek. Struktura běžného článku je schematicky znázorněna na obr. 3. Po chemickém opracování (leptání, texturace, čištění) je jednostranně vytvořen přechod PN difuzí fosforu v hloubce 0,2–0,5 μm pod povrchem. Po odstranění fosforsilikátového skla vzniklého při difuzi je povrch pokryt antireflexní vrstvou (SiN_x nebo TiO₂). Po depozici antireflexní vrstvy jsou realizovány kontakty sběrnice – obvykle pomocí vodivých past nanesených na povrch článků sítotiskem. Na straně s přechodem PN (na vrstvu N+) je sítotiskem nanesena sběrnice (Ag pasta) a na zadní stranu je sítotiskem nanesen kontakt (Al-Ag pasta). Po vysušení pasty následuje vypálení, při kterém dojde k rozrušení antireflexní nitridové vrstvy a vytvoření ohmických kontaktů. Pomocí této techniky byla výrazně zjednodušena a zlevněna technologie kontaktování článků (odstranění fotolitografie a vakuových depozičních technologií). Tato technologie je relativně jednoduchá a podstatnou část nákladů při výrobě fotovoltaickýcch článků pak představuje výchozí materiál, tj. destičky z krystalického křemíku.

Obr. 3: Struktura FV článku z krystalického křemíku

Jednotlivé články z krystalického křemíku mají pracovní napětí okolo 0,5 V a proudovou hustotu několik desítek mA/cm² (v případě křemíkových článků cca 30 mA/cm²). Je proto třeba spojovat jednotlivé články do série do funkčních bloků – modulů, které musejí zároveň články chránit před nepříznivými vlivy okolního prostředí. Do série spojené FV články se zpravidla spojují s vysoce průhledným tvrzeným sklem pomocí EVA, zadní strana je kryta vícevrstvou pevnou fólií z plastu. Moduly jsou opatřeny hliníkovým rámem pro uchycení k nosným konstrukcím a na zadní stěně jsou opatřeny svorkovnicí s překlenovacími diodami a kabelovými vývody.

Tenkovrstvé články a moduly
U materiálů s vysokým absorpčním koeficientem je možné realizovat fotovoltaický článek ve vrstvě o tloušťce několika µm, což představuje výrazné úspory polovodičového materiálu. Nejčastěji se využívá amorfní křemík, někdy v kombinaci s mikrokrystalickým (nanokrystalickým) křemíkem. Tenkovrstvé články a moduly se vyrábějí rovněž z CdTe nebo CuInSe₂ a byly vyvíjeny prakticky souběžně s články z krystalického křemíku. V roce 1990 představovala produkce tenkovrstvých modulů 30 % z celkové produkce. Pro tenkovrstvé články a moduly je nutná technologie výroby umožňující realizovat reprodukovatelně tenké vrstvy o vysoké účinnosti fotovoltaické přeměny energie a vysoké stabilitě.

V tenkovrstvé technologii nejsou realizovány jednotlivé FV články, ale celý modul v sekvenci technologických operací. Na nosnou podložku (obvykle sklo) je nejprve deponována vrstva TCO (transparentní vodivý oxid) a laserem jsou odděleny oblasti jednotlivých článků ve tvaru proužků (odstranění TCO). Následuje plasmatická depozice tenkovrstvého článku a odstranění struktury článku laserem v proužku těsně přiléhajícím k hranici vymezené prvním laserovým řezem. Poté je deponován kovový kontakt (obvykle naprašováním). Následuje třetí řez laserem, který odstraní proužek kovového kontaktu tak, aby vznikla struktura modulu se sériově zapojenými články (obr. 4).

Obr. 4: Struktura tenkovrstvého FV modulu

Na zadní stranu modulu je přilaminována krycí vrstva (sklo nebo polymer) a vývody svedeny do svorkovnice. Účinnost tenkovrstvých modulů je v rozmezí 6 až 10 %.

Tenkovrstvé články a moduly mohou být realizovány rovněž na ohebných fóliích, což zjednodušuje některé střešní aplikace. Problémy se stabilitou deponovaných vrstev a vysoká cena potřebných technologických zařízení vedly k tomu, že ke zvyšování podílu tenkovrstvých FV modulů na celkové produkci došlo až po roce 2006, kdy se projevil nedostatek křemíku způsobený prudkým nárůstem fotovoltaických aplikací. Nicméně v současné době je depozice stabilních tenkých vrstev technologicky zvládnuta na ploše modulu až 5 m² a dochází k postupnému nárůstu jejich produkce.

Současné trendy
Pro rozvoj fotovoltaiky jako efektivního zdroje elektrické energie v systémech připojených k rozvodné síti je třeba, aby klesla cena FV modulů na úroveň blízkou 1 €/Wp (cena celého systému na úroveň pod 2,5 €/Wp). K dosažení tohoto cíle je třeba především snížit cenu výchozího materiálu, zjednodušit a zlevnit technologii výroby a zvýšit konverzní účinnost FV článků.

Při porovnávání jednotlivých technologií se obvykle vychází z vysoké energetické náročnosti výroby krystalického křemíku potřebné čistoty. Jedním ze základních trendů je proto snižování tloušťky destiček z 300 µm na 200 až 150 µm, což vede spolu se zvyšováním účinnosti článků k výraznému zvyšování výkonu produkovaného stejným množstvím křemíku (obr. 5). Kromě toho bylo dosaženo snížení spotřeby energie při přípravě výchozího materiálu. V období 2000 až 2007 došlo ke snížení spotřeby energie potřebné pro výrobu 1 kg polykrystalického křemíku v kvalitě potřebné pro solární články (SOG) o 46 % [3]. V průběhu minulých dvou let došlo také k výraznému poklesu ceny SOG křemíku (z 500 USD/kg v roce 2008 na současných 55 USD/kg). Postupné zdokonalování výrobní technologie (spolu s efektem hromadné výroby) vede k výraznému snižování výrobní ceny modulů, která v současné době klesla na úroveň okolo 1,5 €/Wp. Zároveň probíhá vývoj v oblasti zkvalitňování technologických procesů tak, aby se účinnost zvyšovala ze současných 12 až 17 % na úroveň 18 až 22 %.

Obr. 5 Růst měrného výkonu FV článků z krystalického Si (vztaženo ke spotřebě Si)

Tenkovrstvé moduly
V oblasti tenkovrstvých modulů probíhá vývoj především směrem ke zlevnění technologie (např. zvýšení depoziční rychlosti jednotlivých vrstev), zvýšení účinnosti a stability článků a modulů ze současných 6 až 10 % na úroveň 10 až 15 %. To klade velké nároky na technologická zařízení, která představují hlavní část nákladových položek. V oblasti tenkovrstvých technologií je velký potenciál ke snížení ceny modulů, vzhledem k nižší účinnosti je však výsledná cena fotovoltaických systémů prakticky stejná v porovnání s FV systémy realizovanými z krystalického křemíku. Přesto jsou v současné době budovány relativně velké výrobní kapacity a podíl produkce tenkovrstvých článků poroste. Podíl jednotlivých technologií na produkci fotovoltaických modulů v období 1998 až 2009 je znázorněn na obr. 6.

Obr. 6 Podíl jednotlivých technologií na produkci FV článků v období 1998–2009

Závěr
Současný vývoj technologie naznačuje, že krystalický křemík zůstane nejdůležitějším mate­riálem pro výrobu fotovoltaických článků minimálně v následujících pěti letech, a to zejména vzhledem k pokračujícímu snižování cen vstupního materiálu, snižování energetické náročnosti a dalšímu zdokonalování technologie. Významnou roli hraje i vysoká spolehlivost a životnost modulů s články z krystalického křemíku. Zároveň bude pokračovat rozvoj tenkovrstvých technologií jak na bázi amorfního křemíku (případně Si-Ge), tak na bázi CdTe nebo CIS. Podíl tenkovrstvých modulů na celkové produkci může dosáhnout v následujících pěti letech až 25 %. Předpokládaný vývoj produkce fotovoltaických modulů [1] je znázorněn na obr. 7.

Obr. 7  Předpokládaný vývoj produkce FV modulů

Na druhé straně pokles ceny SOG křemíku vede k tomu, že ceny modulů (vyjádřených cenou za 1 Wp) vyráběných různými technologiemi se liší relativně velmi málo (obr. 8) [5]. Nízká cena modulů z krystalického křemíku může zpomalit růst produkce tenkovrstvých modulů.

Obr. 8  Ceny PV modulů v lednu 2010 (ceny uvedeny v €/Wp)

V současné době probíhá intenzivní vývoj a výzkum dalších technologií fotovoltaických článků a modulů, jako jsou například články s vícenásobnými pásy, články využívající kvantových jevů v kvantových tečkách nebo kvantových jamách, organické články a Grätzlovy články (články na bázi nanočástic TiO₂). Všechny tyto technologie jsou vysoce perspektivní z hlediska budoucích možností realizace velmi levných fotovoltaických článků a modulů, jsou však v současné době stále ještě ve stádiu výzkumu nebo vývoje. Jejich výraznější rozšíření nelze proto v následujících pěti letech očekávat.

Článek byl prezentován na mezinárodní konferenci Fotovoltaické fórum 2010.

Prof. Ing. Vítězslav Benda, CSc.
Autor působí jako pedagogický a vědecký pracovník na Fakultě elektrotechnické ČVUT v Praze.

Obrázky: autor

Literatura
1.    Fontaine, B. – Fraile, D. – Latour, M. – Lenor, S. – Philbin, P. – Thomas, D.: Global Market Outlook for Photovoltaics until 2013, EPIA, 2009.
2.    Swanson, R. M.: Approaching the 29 % Limit Efficiency of Silicon Solar Cells. In: IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 2005.
3.    Hesse, K. – Schindlbeck, E. – Freiheit, H. Ch.: An Overview on silicon feedstock. In: 22nd European Photovoltaics Solar Energy Conference, 2007.
4.    Denis De Ceuster, et al.: Low Cost, High Volume Production of  Efficiency Silicon Solar Cells. In: 22nd European Photovoltaics Solar Energy Conference, 2007.
5.    Photon International, 5, 2010.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZb HAUSTECHNIK.