Nové trendy ve vývoji fotovoltaických článků

Zvýšení efektivity využití fotovoltaických článků můžeme dosáhnout různými způsoby. Místo křemíku lze sáhnout po levnějších anorganických materiálech nebo vodivých polymerech. Pomocí nanotechnologií můžeme zlepšit separaci vznikajících párů elektron – díra nebo zvýšit účinnou absorpci fotonů. Intenzivně se zkoumají i možnosti využití fotosyntetických mechanismů pro výrobu elektřiny. Šanci představují i neobvyklé mechanismy, například současné pohlcení dvou fotonů, excitace více elektronů jediným fotonem či štěpení fotonů o vysoké energii na dva.

Elektřina z fotovoltaických článků je v porovnání s klasickými zdroji doposud velmi drahá a kromě speciálních případů se bez dotační podpory státu neobejde [1]. Nejrozšířenějším materiálem pro výrobu fotovoltaických článků je v současnosti monokrystalický a amorfní křemík. Na Zemi se křemík vyskytuje v mimořádně vysokém zastoupení (25,8 %) – ne však volný, ale pouze ve formě oxidované (oxid křemičitý, křemičitany aj.). Jeho výroba v elementární formě je mimořádně technologicky a energeticky náročná. K podstatnému zlevnění elektřiny z fotovoltaických článků na bázi křemíku povede buď výrazné zvýšení účinnosti procesu konverze světlo – elektřina, nebo zlevnění vlastní suroviny.

Situace je obdobná i u dalších materiálů používaných při konstrukci slunečních baterií, jako je germanium, telurid kademnatý CdTe, selenid měďnato-indito-galitý CuInGaSe4, arsenid galitý GaAs, fosfid indito-galitý a nitrid indito-galitý InGaN2, u něhož lze vhodným nastavením poměru india a galia zúžit zakázané pásmo až na 0,7 eV [2]. Teoreticky by ve vícevrstevném uspořádání mohla účinnost takového článku dosáhnout až 70 %. Doposud málo diskutovaným, ale zřejmým problémem výše uvedených materiálů je, že jsou na rozdíl od křemíku vysoce toxické pro životní prostředí.

Levné materiály
Vodivé polymery
V roce 2000 předvedl americký chemik a fyzik Alan Heeger během své přednášky při udílení Nobelovy ceny notebook s monitorem, který byl zhotoven z vodivého polymeru [3]. Odstartoval tak novou éru praktického využití polymerních organických sloučenin v elektronice a fotovoltaice. Nízká cena a nenáročná příprava kompenzují nízkou účinnost konverze, která dosahuje maximálně 7 %. Problémem všech doposud připravených vodivých polymerů zůstává i jejich chemická a fotochemická nestabilita, především rozklad vlivem ultrafialového záření a oxidace vzdušným kyslíkem. Přes veškerá zmíněná negativa je výz­kum v oblasti organických fotovoltaických materiálů velmi perspektivní a můžeme očekávat rychlý pokrok v této oblasti [4, 5].

Anorganicko-organické řešení
Na univerzitě v Berkeley se vydali jinou cestou. Mezi levnými anorganickými sloučeninami vytipovali sulfid železnatý FeS, sulfid měďnatý CuS, oxid měďnatý CuO a selenid kademnatý CdSe jako látky vhodné pro výrobu solárních článků [6].

Prakticky využitelnou kombinaci anorganického a organického materiálu představuje 200 nm silná vrstva klastrů selenidu kademnatého ve vodivém polymeru poly-(3-hexylthio­fenu). Při dopadu fotonu vznikne v CdSe pár elektron – díra. Elektrony proudí z klastrů do anody, díry se přenášejí prostřednictvím vodivého polymeru do katody, přičemž vzniká potenciálový rozdíl 0,7 V [7].

Nanotechnologie
Oblast nanotechnologií významně zasahuje i do problematiky vývoje fotovoltaických článků. Při konstrukci solárních článků se samozřejmě uplatňují i nejvíce zkoumané nanočástice poslední doby – uhlíkové nanotrubice, které by mohly vylepšit vodivosti článků [8]. Potenciálně velmi zajímavé a intenzivně studované jsou i nanostrukturní formy křemíku [9, 10].

Zvýšení účinnosti s pomocí nanostrukturních útvarů je možno dosáhnout dvojím způsobem: zvýšením absorpce dopadajícího slunečního záření nebo zvýšením účinnosti separace vznikajících párů elektron – díra.

Separace párů elektron – díra
Účinnost lze zvýšit nahrazením běžného rovinného uspořádání strukturovanými povrchy, takže kontakt mezi polovodičem typu P a N je mnohem větší. Takový článek se podařilo zhotovit z porézního oxidu titaničitého typu P pokrytého teluridem kademnatým typu N. Jeho účinnost zvýšilo silně zvlněné rozhraní s množstvím klků [11].

Zvýšení účinnosti až o 46 % oproti běžnému plochému rovinnému uspořádání lze u fotovoltaického článku z oxidu titaničitého s adsorbovanými barvivy docílit, zvětšíme-li plochu jeho kontaktu s vodičem, na němž je jeho vrstva umístěna. Fotovoltaicky aktivní vrstvu vytvoříme na podložce tvořené nanodráty z běžně užívaného materiálu oxidu cíničito-inditého [12].

Silně absorbující povrchy
Mnohem slibnější se zdá využití nanotechnologií pro vytváření matných povrchů, které odrážejí jen malou část dopadajícího záření. Lesklý namodralý vzhled běžných typů fotovoltaických článků nám napovídá, že část slunečního záření v modré oblasti spektra se odráží. Tím pochopitelně klesá jejich účinnost. V krátké době jsme v této oblasti zaznamenali velký pokrok – od jednoduchého převrstvení křemíkového povrchu nanočásticemi křemíku metodou rotačního pokrytí [13] až po složité vícevrstevné struktury. Sedm vrstev tvořených střídavě nakloněnými sloupečky nanometrových rozměrů z oxidu křemičitého nebo oxidu titaničitého, každá o síle 50 až 100 nm, vytvoří povrch, který pohltí přes 96 % dopadajícího slunečního záření (bez ohledu na úhel dopadu) [14].

Složité struktury je třeba vytvářet proto, že nestačí pouze foton pohltit, ale především zachycenou energii efektivně přenést do fotovoltaicky aktivního materiálu. Za zmínku stojí, že k vytvoření takových povrchů inspirovala vědce příroda, a to buď struktura hmyzího oka [15], nebo vrstevnaté struktury na povrchu krunýřů brouků [16].

Biologické systémy
Dlouhodobě velká pozornost je věnována fotosyntetickému systému rostlinných buněk, který se pro vybrané vlnové délky viditelného záření vyznačuje takřka stoprocentní energetickou účinností. Během fotosyntézy dochází k absorpci fotonů chlorofylem, obdobně jako u fotovoltaických článků modifikovaných barvivy. Výsledkem složitého sledu následných reakcí však není přímo zisk elektrické energie, ale syntéza energeticky bohatých sloučenin, především cukrů. Vysokou energetickou účinnost chloroplastů – center fotosyntézy – zajišťuje složitý komplex mnoha velkých molekul s překrývajícími se orbitaly. Zatím se nikomu nepodařilo napodobit fotosyntézu in vitro, nicméně první dílčí úspěchy již byly zaznamenány [17].

Nestandardní mechanismy
Více elektronů z jednoho fotonu
Vědci z americké Národní laboratoře pro obnovitelné zdroje (NREL – National Renewable Energy Laboratory) pozorovali u křemíku zajímavý jev, který by mohl mít dalekosáhlé důsledky pro zvýšení výkonu fotovoltaických článku. Při dopadu fotonu o vlnové délce kratší než 420 nm na nanokrystal křemíku dochází k uvolnění dvou až tří elektronů. Tento jev byl teoreticky předpovězen již před více než deseti lety, experimentálně se jej podařilo ověřit až v roce 2007 [18].

Existují i další látky, ve kterých jeden foton excituje dva elektrony a současně nedojde k deexcitaci termálním pochodem. Chová se tak třeba dvoujaderný komplex platiny připravený v roce 2002 na univerzitě v Cincinnati [19].

Dvoufotonová absorpce
Současná absorpce dvou fotonů je již dříve pozorovaný jev, kterého by se dalo využít k výrobě elektřiny z fotonů o nízké energii. Je známo, že Slunce vyzařuje mnohem více energie v infračervené oblasti spektra než ve viditelné. Zároveň však žádný foton infračerveného záření nemá dostatek energie na to, aby překonal i nejužší zakázané pásmo polovodiče. Současnou absorpcí dvou fotonů lze tuto překážku překonat. Účinnost celého procesu není zatím velká, přibližně dvě procenta, na jejím zvýšení se však intenzivně pracuje [20].

Štěpení fotonu
Obdobný problém představují fotony s příliš vysokou energií. Excitují sice po jednom elektronu a přispívají tak ke vzniku fotovoltaického proudu, avšak jejich nadbytečná energie se bez užitku změní v teplo. Martin Green se svými kolegy z univerzity v Novém jižním Walesu v Austrálii sestrojil z arsenidu hlinitého či fosfidu galitého konvertor, který po pohlcení jednoho fotonu s vysokou energií vyzáří dva s nižší energií. Ty jsou již vhodné pro vlastní fotovoltaickou konverzi bez ztráty energie. S využitím tohoto principu by bylo možno teotericky dosáhnout zvýšení účinnosti fotovoltaic­kých článků až o 30 % [21].

Koncentrační články
Existuje ještě jedna možnost, jak získat z fotovoltaických článků více elektřiny bez navyšovaní jejich účinnosti. Pomocí předřazených optických prvků je možno záření směrovat a zajistit, aby na článek dopadalo více světla. Tato varianta je zajímavá především pro oblasti s nižší průměrnou intenzitou dopadajícího záření, tedy i pro Českou republiku. Používá se k tomu dávno známých optických soustav, Fresnelových čoček nebo Cassegrainovy montáže zrcadel. Naději na praktické uplatnění mají i moderní optické prvky, které využívají tradiční principy a nové materiály, třeba se záporným indexem lomu, s nimiž můžeme získat kompaktní zařízení s vysokou zaměřovací schopností.

Svůj dílčí vliv na efektivitu výroby fotovoltaické elektřiny může mít i hydrofobizace povrchu fotovoltaických článků. Vodní kapky po nich stečou rychleji, než se odpaří, a nezbudou po nich žádné usazeniny absorbující světlo. Takový povrch lze získat například leptáním křemíku postupně louhem a kyselinou fluorovodíkovou ve směsi s peroxidem vodíku [22].

Nové lokality
Řešení, které se nabízí samo, je instalovat fotovoltaické články v zeměpisných šířkách, kde dopadá hodně světelného záření. Nicméně k tomu je třeba spíše politického než vědeckého přístupu, což zdaleka přesahuje rámec tohoto článku. Máme spíše na mysli, že nové technologie umožňují umístění solárních článků tam, kde to dříve nebylo možné. Články jsou nově vyrobeny z pružné fotovoltaické fólie z tenkých vrstev křemíku deponovaných na flexibilním mechanickém podkladu. Při jejich přehnutí nevzniknou trhliny – mechanické pnutí v celém článku je kompenzováno posunem mezi jednotlivými vrstvami. Takto pružnou fólií je možno pokrýt i složitě tvarovaný předmět za zisku elektřiny a zároveň odstínit nadbytečné sluneční záření dopadající například na obytné budovy [23].

Efektivní energetické úpravy oken můžeme dosáhnout metodou prof. Balda z Technologického institutu v Massachusetts, kterému se podařilo realizovat myšlenku ze 70. let minulého století. Skleněná tabule je pokryta směsí speciálně vyvinutých barviv, která pohlcují sluneční záření. Zachycené fotony vzápětí reemitují, ovšem pouze v určitých směrech, takže skončí v okenním rámu, v němž jsou umístěny standardní fotovoltaické články [24]. Takové zařízení by se mělo v blízké době objevit na trhu.

Zatím nejvyšší účinnosti funkčních fotovoltaic­kých článků, přesahující 40 %, se podařilo dosáhnout výzkumným týmům z Delawarské státní univerzity, Fraunhoferova ústavu, NREL a společnosti Boeing‘s Spectrolab, Inc., přičemž vždy kombinovali několik technologií [25, 26].

Závěr
Článek popisuje různé principy a metody, které mohou zvýšit efektivitu fotovoltaických článků, a tím výrazně zkrátit dobu jejich návratnosti. Nové technologie umožní v budoucnu umístění fotovoltaických článků i na dříve nevyužitelná místa. Jako nejefektivnější z hlediska dosažitelné účinnosti se zatím jeví techniky kombinované.

Autoři děkují MŠMT ČR za finanční podporu výzkumu polovodičových materiálů (MSM 0021620857).
Článek byl prezentován na mezinárodní konferenci Fotovoltaické fórum 2010.

doc. RNDr. Ivan Jelínek, CSc.; RNDr. Ondřej Dvořák, CSc.
Doc. RNDr. Ivan Jelínek působí na Katedře analytické chemie Univerzity Karlovy v Praze;  RNDr. Ondřej Dvořák, CSc., se mj. věnuje doktorandskému studiu v Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, obor elektrochemie.

Foto: Soleg

Literatura
1.    Zákon č.180/2005 Sb., o podpoře využívání obnovitelných zdrojů.
2.    Wu, J. – Walukiewicz, W. – Shan, W. – Yu, K. M. – Ager III, J. W. – Haller, E. E. – Lu, Hai Schaff – William J.: Physical Review B, 2002.
3.    Heeger, Alan J.: Nobel Lecture: Semiconducting and Metallic Polymers: The Fourth Generation of Polymeric Materials. http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2000/heeger-lecture.html.
4.    Yongie, Liang – Zheng, Xu – Jiangbin, Xia – Szu-Ting, Tsai – Yue, Wu – Gang, Li – Claire, Ray – Luping, Lu: Adv. Mater., 22, 2010.
5.    Gilot, J. – Abbel, R. – Lakhwani G. – Meijer, E. W. – Schenning, A. P. H. J. – Meskers, S. C. J.: Adv. Mater. 22, 2010.
6.    Wadia, C. – Alivisatos, A. P. – Kammen D. M.: Materials Availability Expands the Opportunity for Large-Scale Photovoltaics Deployment. In: Environ. Sci. Technol., 2009, 43 (6), pp. 2072–2077.
7.    Huynh, W. U. – Dittmer, J. J. – Alivisatos, A. P.: Hybrid Nanorod-Polymer Solar Cells. In: Science 29, 2002, pp. 2 425–2 427.
8.    www.nanoforum.org
9.    Canham, L. T.: Appl. Phys. Lett., 57, 1046, 1990.
10.    Dian, J. – Jelínek, I.: Chemické listy, přijato k tisku.
11.    Ernst, K. – Belaidi, A. – Konenkamp, R.: Solar Cell with Extremely Thin Absorber on Highly Structured Substrate. In: Semicond. Sci. Technol., 2003, 18, pp. 475.
12.    Wang, Hong-Wen – Ting, Chi-Feng – Hung, Miao-Ken – Chiou, Chwei-Huann – Liu, Ying-Ling – Liu, Z. – Ratinac, K. R. – Ringem, S. P.: Three-dimensional Electrodes for Dye-sensitized Solar Cells: Synthesis of Indium–tin-oxide Nanowire Arrays and ITO/TiO2 Core–Shell Nanowire Arrays by Electrophoretic Deposition. In: Nanotechnology, 2009, 20, No 5.
13.    Sun, Chih-Hun – Jiang, Peng – Jiang, Bin: Broadband Moth-eye Antireflection Coatings on Silicon, Appl. Phys. Lett., 2008, 92, 061112.
14.    Kuo, Mei-Ling – Poxson, David J. – Kim, Yong Sung – Mont, Frank W – Kim, Jong Kyu – Schubert, E. F. – Lin, Shawn-Yu: Realization of a Near-perfect Antireflection Coating for Silicon Solar Energy Utilization. In: Optics Letters, 2008, Vol. 33, Issue 21, pp. 2 527–2 529.
15.    Min, Wei-Lun – Betancourt, Amaurz P. – Jiang, Peng – Jiang, Bin: Bioinspired Broadband Antireflection Coatings on GaS. In: Appl. Phys. Lett., 2008, 92.
16.    Carapace of Beetle Appears Multihued Because of Ultrathin Layers in a Corkscrew Orientation. http://www.asknature.org/strategy/dedbde73861fa03a05f74ebb4dda69d6#.
17.    Terasaki, N.: Plugging a Molecular Wire into Photosystem I: Reconstitution of the Photoelectric Conversion System on a Gold Electrode. In: Angewandte Chemie International Edition, 2009, 48, No. 9, pp. 1 585–1 587.
18.    Jude, H. – Carroll, G. T. – Bauer, J. K. – Connick, W.B..: Designing Two-electron Photo-reagents. http://www.uc.edu/news/connickab.htm, 25.–30. 3. 2002.
19.    Balouchev, S. – Miteva, T. – Yakutkin, V. – Nelles, G. – Yasuda, A.  – Wegner, G.: Up-Conversion Fluorescence: Noncoherent Excitation by Sunlight. In: Physical Review Letters, October 4, 2006 (online).
20.    Trupke, T. – Green, M. A. – Würfel, P.: Improving Solar Cell Efficiencies by Down-conversion of High-Energy Photons. In: J. Appl. Phys., 2002, 92, 1668.
21.    Wong, C. P.: Self-cleaning, Low-reflectivity Treatment Boosts Efficiency for Photovoltaic Cells. http://www.physorg.com/news157137843.html, 24. 3. 2009.
22.    Kim, Dae-Hyeong – Ahn, Jong-Hyun – Choi, Won Mook – Kim, Hoon-Sik – Kim, Tae-Ho – Song, Jizhou – Huang, Yonggang Y. – Liu, Zhuangjian – Lu, Chun– Rogers, John A.: Stretchable and Foldable Silicon Integrated Circuits. In: Science, 2008, 320, pp. 507–511.
23.    Thomson, E. A.: MIT Opens New ‚Window‘ on Solar Energy – Cost Effective Devices Expected on Market Soon, http://web.mit.edu/newsoffice/2008/solarcells-0710.html, 10. 7. 2008.
24.    National Renewable Energy Laboratory – tisková zpráva. NREL Solar Cell Sets World Efficiency Record at 40.8 Percent. http://www.nrel.gov/news/press/2008/625.html, 13. 8. 2008.
25.    Frauenhofer Institute Solare Energie systeme – tisková zpráva. World Record: 41% Efficiency Reached for Multi-Junction Solar Cells at Frauenhofer ISE. http://www.ise.fraunhofer.de/press-and-media/pdfs-zu-presseinfos-englisch/2009/press-release-world-record-41.1-efficiency-reached-for-multi-junction-solar-cells-at-fraunhofer-ise-pdf-file, 14. 1. 2009.
26.    University of Delaware UDAily: UD-led Team Sets Solar Cell Record, Joins DuPont on $100 Million Project, http://www.udel.edu/PR/UDaily/2008/jul/solar072307.html, 23. 7. 2007.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.