Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 9
Vesmír č. 9
Toto číslo vychází
1. 9. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Zářijové číslo Vesmíru
reklama

Nová role tenkých vrstev ve fotovoltaice

Publikováno: Vesmír 96, 490, 2017/9

 Lidstvo je postaveno před úkol přejít od klasických fosilních paliv k obnovitelným zdrojům energie. Mezi možnými cestami k uskutečnění této změny zaujímá přední místo využití výkonu 125 000 terawatt slunečního světla dopadajícího na povrch Země fotovoltaickou přeměnou.

Fotovoltaika se již stala oborem energetiky s globálním dopadem. Celkový instalovaný výkon dosáhl v roce 2016 přes 300 GWp.1) V jednom okamžiku se Německo dostalo již velmi blízko stavu, kdy byla veškerá spotřeba elektřiny kryta obnovitelnými zdroji (8. května 2016 dosáhl výkon obnovitelných zdrojů 86,3 % výroby, z toho výkon z fotovoltaiky činil 27,6 GW, tedy 59 %). Podíl fotovoltaiky na celkové výrobě elektřiny přesáhl 8 % v Itálii, 7 % v Řecku a Německu, přes 3 % v Česku a celosvětově činí přes 1 %. Ve více než 40 zemích již byla dosažena parita se sítí (tj. výrobní náklady na elektřinu vyráběnou z fotovoltaických systémů klesly pod cenu elektřiny kupované z rozvodné sítě maloodběrateli). V nedávné době byly publikovány výsledky soutěží na velké fotovoltaické instalace, ve kterých sdružená cena elektřiny2) dosáhla 0,035 USD/kWh pro třetí etapu dostavby projektu Mohammed bin Rashid al­Maktoum v Dubaji nebo 0,055 €/kWh na hranici Dánska a Německa. Srovnání ukazuje, že v mnoha zemích je fotovoltaika nejlevnější technologií, pokud jde o investice do nových elektrárenských zdrojů. Přesto z historických důvodů většina (~80 %) dosavadních instalací pobírá finanční podporu. Ta se však někde významně snížila, např. v Německu ze 40 (euro)centů/kWh v roce 2005 na méně než 9 (euro)centů/kWh v roce 2015. Fotovoltaika je ovšem podporována nejen finančně – v současné době je ještě důležitější přednostní právo dodávek do sítě. I to se může brzy změnit, ať už z důvodu ochrany stability sítě, nebo kvůli tomu, že pro výkon zdrojů není dostatek spotřebitelů (což vede k občasným záporným cenám elektřiny na energetických burzách).

Mezinárodní energetická agentura očekává další rozvoj fotovoltaiky, kdy celosvě­tový instalovaný výkon přesáhne hodnotu 1000 GWp v příštím desetiletí a v roce 2050 dokonce 4600 GWp, které se budou podílet na 16 % celosvětové výroby elektřiny. Tento odhad je považován za konzervativní, existují také několikanásobně vyšší odhady [1].

Přes tento ohromující rozvoj zůstávají pro fotovoltaiku v platnosti fyzikální omezení. To nejdůležitější omezení plyne z hlavní přednosti: fotovoltaika je energetický zdroj, který nepotřebuje žádné palivo, z toho ale také vyplývá závislost na okamžité hodnotě oslunění.3)

Velká většina současné fotovoltaiky je založena na článcích z křemíkových desek. Klasické deskové články vznikly v roce 1953 v Bellových laboratořích a ty první měly účinnost 6 %. Od té doby se postupným vývojem zvýšila účinnost křemíkových slunečních článků více než čtyřikrát. Rekord z laboratoře Martina Greena z Univerzity v Novém Jižním Walesu v Sydney
ve výši 25 % z roku 1998 zůstával dlouho nepřekonán, což nebylo překvapivé, protože hodnota se blížila fyzikální hranici, označované jako Shockley­Quiesserova mez, která má pro křemík hodnotu 29,4 %.

Výsledky technického vývoje a inovací tak byly zřetelně vidět především na výrobních nákladech, které se podle tzv. učební křivky fotovoltaiky snižují zhruba o 20 % při zdvojnásobení výkonu vyrobených panelů. Toto empirické pravidlo, označované jako Swansonův zákon, jež ilustruje obr. 2.

Učební křivka nemá vždy hladký průběh. V roce 2005 vedl prudký rozvoj výroby křemíkových článků k akutnímu nedostatku polovodičového křemíku a k zvýšení jeho ceny z 30 USD/kg až na 400 USD/kg. V té době se pozornost obrátila k tenkovrstvým slunečním článkům, které místo desek řezaných z křemíkových krystalů využí­vají tenkou vrstvu polovodiče nanesenou na levnou podložku (obvykle na sklo nebo kovovou fólii). Pokud je polovodičem opět křemík (amorfní nebo nanokrystalický), stačí tloušťka okolo 1 mikrometru, tedy asi stokrát méně než v křemíkových deskách, které mají obvykle tloušťku okolo 200 mikrometrů. Na objevech týkajících se vlastností tenkých vrstev křemíku se v minulosti významně podílel také Fyzikální ústav Akademie věd, kde zásluhou Jana Tauce vznikal obor fyziky amorfních polovodičů a kde Stanislav Vepřek připravil první tenké vrstvy nanokrystalického křemíku (o J. Taucovi a S. Vepřekovi viz rámeček).

Tenkovrstvé křemíkové články však mají ve srovnání s deskovými články jen asi poloviční účinnost, a tak v ekonomické soutěži neobstály a jejich výroba byla postupně zastavena. Poslední výrobní závod v Evropě v Katánii na Sicílii zřejmě ukončí výrobu v letošním roce. Úspěšnější jsou tenkovrstvé články založené na jiných polovodičích (CdTe nebo CuInGaSe). Jejich učební křivku také uvádí obr. 2. Vzhledem k menšímu objemu výroby však i tyto technologie jen obtížně obstojí v soutěži s křemíkovými deskami, které se staly dominantní fotovoltaickou technologií.

To však neznamená, že výzkum fotovoltaických technologií ustrnul. V posledních letech došlo k nečekanému pokroku hned ve dvou směrech. Prvním překvapením bylo překonání rekordu účinnosti křemíkových deskových článků. Rekord z roku 1998 se podařilo poprvé prolomit v roce 2014 ve firmě Panasonic, která dosáhla pomocí článku kombinujícího křemíkovou desku a tenké vrstvy amorfního křemíku účinnosti 25,6 % (díky většímu zakázanému pásu amorfního křemíku). Tato kombinace se označuje jako článek s křemíkovým heteropřechodem a dovoluje dosáhnout vysokých hodnot napětí článků. Kombinaci patentovali výzkumníci firmy Sanyo již před více než 20 lety, ale když v roce 2015 jejich patent vypršel, pustila se do vývoje této technologie řada laboratoří po celém světě. Poslední rekord ve výši 26,7 % drží článek konkurenč­ní japonské firmy Kaneka [2], který má navíc umístěny kontakty na zadní straně, aby na osvětlované straně nestínily.4)

Zlepšení rekordní účinnosti o 1,7 % nevypadá nijak přesvědčivě, ale ve skutečnosti má velký význam. V celkových nákladech na fotovoltaickou instalaci dnes totiž články hrají jen menšinovou roli, a tak dosažení jejich vyšší účinnosti dovoluje lépe využít zbytek systému (střídače, rozvody atd.). Použití tenkých vrstev také vede k výrazně lepšímu teplotnímu koeficientu,5) tedy k niž­ší ztrátě výkonu při zahřátí na vyšší teploty, které mohou běžně dosahovat až 80 °C.

Senzaci v oboru tenkých vrstev přinesl v posledních letech nečekaný materiál: organicko­-anorganický perovskit s chemickým vzorcem CH3NH3PbX3, kde X je chlor, brom nebo jód. Od prvních pokusů prof. T. Miyasaky v roce 2009 se jejich účinnost zvýšila z 3,8 až na současných více než 22 %. Tyto hodnoty jsou zatím nestabilní, protože materiál se působením vlhkosti a osvětlení rozkládá, a tak prototypy článků dosud neopustily laboratoře. Změnou složení je možné měnit také zakázaný pás, a tak jsou perovskity možným partnerem pro tandemové sluneční články, které by mohly obejít omezení Shockley­Quiesserovy meze. Z teoretických výpočtů vyplývá, že účinnost tandemového perovskitového a křemíkového solárního článku může dosahovat až 36 %.

Vývoj fotovoltaiky ukazuje také to, že překvapivé objevy se dějí, a je otázkou, co ještě může nastat. Toužebným přáním zůstává nalezení způsobu, jak energii z fotovoltaických článků ukládat. Zkouší se např. fotoelektrochemické struktury, které by mohly rozkládat vodu na vodík a kyslík. Ale tento směr na zásadní průlom teprve čeká.

Poznámky

1) Zkratka Wp pochází z anglického watt peak (česky watt špičkového výkonu), tedy maximálního výkonu dosažitelného fotovoltaickým článkem při optimálním osvětlení odpovídajícím intenzitě slunečního svitu při průchodu atmosférou pod úhlem 45°.

2) LCOE (= levelized cost of energy) je cena zahrnující náklady na energii v průběhu celého životního cyklu zdroje.

3) Toto omezení se netýká fototermických systémů, které mají setrvačnost, a tak mohou dodávat energii i se zpožděním, dokonce i do nočních hodin.

4) Graf rekordní účinnosti různých typů slunečních článků, zaznamenávané Národní laboratoří pro obnovitelnou energii ve Spojených státech [viz http://www.nrel.gov/ncpv/], je na https://www.nrel.gov/pv/assets/images/efficiency-chart.png

5) Teplotní koeficient výkonu udává, o kolik se výkon panelu změní při zvýšení teploty o 1 °C. Pokles výkonu krystalických panelů je kolem 0,4 %/°C, u tenkovrstvých zhruba poloviční.

Prof. Jan Tauc (1922–2010) byl jedním ze zakladatelů oboru amorfních polovodičů. V tehdejším Ústavu fyziky pevných látek Československé akademie věd v Cukrovarnické ulici vedl oddělení polovodičů až do emigrace v roce 1969. V zahraničí pracoval nejdříve v Bellových laboratořích a později se stal profesorem Brown University na Rhode Iislandu. v roce 1992 byl zvolen členem National Academy of Sciences a v roce 1993 mu bylo uděleno nejvyšší ocenění AV ČR, medaile De Scientia et Humanitate Optime Meritis.

Prof. Stanislav Vepřek (*1939) je jedním z průkopníků plazmové chemie, při jejímž studiu v šedesátých letech ve Fyzikálním ústavu ČSAV objevil způsob, jak vytvářet hydrogenované nanokrystalické vrstvy křemíku pomocí chemického transportu. Po odchodu do emigrace rozšířil svůj záběr o ochranné vrstvy, např. karbidu bóru pro fúzní reaktory, nebo supertvrdé kompozitní vrstvy, na kterých spolupracuje s českou firmou SHM Nový Malín. Výzkumné a vývojové centrum firmy SHM nese jeho jméno. 

Soubory

článek ve formátu pdf: V201709_490-491.pdf (422 kB)

Diskuse

Žádné příspěvky