Tenkovrstvé solární články

Až 85 % solárních článků na dnešním trhu tvoří krystalické solární moduly. Odborníci však ujišťují, že tenkovrstvá technologie výroby solárních článků se ukazuje jako efektivnější, a tedy nejslibnější z již známých krystalových modulů.

Hlavní výhodou tenkovrstvé technologie je její nízká cena, a proto má v příštích letech šanci stát se lídrem. Moduly nové základny činí solární panely flexibilními v doslovném slova smyslu. Jsou lehké a flexibilní, což umožňuje umístit takové baterie doslova na jakýkoli povrch, včetně povrchu oblečení.

Flexibilní solární články jsou založeny na polymerových fóliích, amorfním křemíku, hliníku, teluridu kadmia a dalších polovodičích, které se již používají při výrobě přenosných nabíječek pro mobilní telefony, notebooky, tablety, videokamery a další zařízení ve formě malých skládacích solární články. Pokud je však zapotřebí více energie, bude muset být plocha modulu větší.

První vzorky tenkovrstvých solárních článků byly vyrobeny s amorfním křemíkem naneseným na substrát a účinnost byla pouze 4 až 5 % a životnost nebyla dlouhá. Dalším krokem stejné technologie bylo zvýšení účinnosti na 8 % a prodloužení životnosti, stala se srovnatelnou se svými krystalovými předchůdci. Konečně třetí generace tenkovrstvých modulů měla již účinnost 12 %, což je již výrazný pokrok a konkurenceschopnost.

Zde použitý selenid indium mědi a telurid kadmia umožnily vytvořit flexibilní solární články a přenosné nabíječky s účinností až 10 %, a to už je významný úspěch, vezmeme-li v úvahu, že fyzici bojují o každé procento účinnosti navíc. Nyní se podíváme blíže na to, jak se vyrábí tenkovrstvé baterie.

Co se týče teluridu kadmia, ten se začal jako světlo pohlcující materiál zkoumat již v 70. letech 20. století, kdy bylo nutné najít nejlepší možnost využití ve vesmíru. Dodnes zůstává telurid kadmia nejslibnějším pro solární články. Otázka toxicity kadmia však zůstává po nějakou dobu otevřená.

Výsledkem výzkumu se ukázalo, že nebezpečí je minimální, hladina kadmia uvolněného do atmosféry není nebezpečná. Účinnost je 11 %, přičemž cena za watt je o třetinu nižší než u křemíkových analogů.

Nyní k selenidu mědi a india. Významné množství india se dnes používá k výrobě plochých monitorů, takže indium je přesto nahrazeno galliem, které má stejné vlastnosti jako např. solární energie… Filmové baterie na tomto základě dosahují účinnosti 20 %.

V poslední době se začaly vyvíjet polymerové panely.Zde organické polovodiče slouží jako materiály pohlcující světlo: uhlíkové fullereny, polyfenylen, ftalocyanin mědi atd. Tloušťka solárního článku je 100 nm, ale účinnost je pouze 5 až 6 %. Ale zároveň jsou výrobní náklady celkem nízké, fólie cenově dostupné, lehké a zcela ekologické. Z tohoto důvodu jsou pryskyřičné panely oblíbené tam, kde je důležitá šetrnost k životnímu prostředí a mechanická flexibilita.

Takže účinnost dnes vyráběných tenkovrstvých solárních článků:

• Monokrystal — od 17 do 22 %;

• Polykrystal — od 12 do 18 %;

• Amorfní křemík — 5 až 6 %;

• Telurid kadmia — od 10 do 12 %;

• Selenid mědi a india — od 15 do 20 %;

• Organické polymery — 5 až 6 %.

Jaké jsou vlastnosti tenkovrstvých baterií? V první řadě stojí za zmínku vysoký výkon modulů i v rozptýleném světle, který poskytuje až o 15 % vyšší výkon během roku ve srovnání s krystalovými analogy. Dále přichází výhoda výrobních nákladů. Ve vysoce výkonných systémech od 10 kW vykazují tenkovrstvé moduly vyšší účinnost, ačkoli je potřeba 2,5krát větší plocha.

Můžeme tak pojmenovat podmínky, kdy tenkovrstvé moduly získávají oprávněnou výhodu. V oblastech s převážně zataženým počasím budou tenkovrstvé baterie fungovat efektivně (rozptýlené světlo). Pro regiony s horkým klimatem jsou efektivnější tenké filmy (fungují stejně efektivně při vysokých teplotách jako při nízkých teplotách). Možnost použití jako dekorativní designová řešení pro dokončení fasád budov. Transparentnost je možná až 20 %, což opět hraje do karet designérům.

Mezitím v roce 2008 americká společnost Solyndra navrhla umístit tenkovrstvé baterie na válce, kde je vrstva fotočlánku nanesena na skleněnou trubici, která je umístěna uvnitř další trubice vybavené elektrickými kontakty. Použité materiály jsou měď, selen, gallium, indium.

Válcový design umožňuje absorbovat více světla a sada 40 válců se vejde na metr dvou panelů. Vrcholem je, že bílý nátěr střechy přispívá k vysoké účinnosti takového řešení, protože pak fungují i ​​odražené paprsky, které přidávají 20 % své energie. Válcové soupravy jsou navíc odolné i silnému větru s nárazy až 55 m/s.

Většina dnes vyráběných solárních článků obsahuje pouze jeden pn přechod a fotony s energií menší než je pásmová mezera se jednoduše neúčastní generování. Poté vědci přišli na způsob, jak toto omezení překonat, byly vyvinuty kaskádové prvky vícevrstvé struktury, kde každá vrstva má svou vlastní šířku pásma, to znamená, že každá vrstva má samostatný pn přechod s individuální hodnotou energie absorbovaného fotony.

Horní vrstva je tvořena slitinou na bázi hydrogenovaného amorfního křemíku, druhá — podobná slitina s přídavkem germania (10-15 %), třetí — s přídavkem 40 až 50 % germania. Každá následující vrstva má tedy mezeru užší než u předchozí vrstvy a neabsorbované fotony v horních vrstvách jsou absorbovány spodními vrstvami filmu.

V tomto přístupu jsou náklady na vyrobenou energii poloviční ve srovnání s tradičními krystalickými křemíkovými články. Díky tomu bylo u tříprůchodové fólie dosaženo účinnosti 31 % a pětiprůchodové fólie slibuje všech 43 %.

Specialisté z Moskevské státní univerzity nedávno vyvinuli solární články rolovacího typu na bázi polymeru aplikovaného na pružný substrát z organického materiálu. Účinnost se ukázala být pouze 4%, ale takové baterie mohou pracovat i při + 80 ° C po dobu 10 000 hodin. Tyto studie dosud nebyly dokončeny.

Švýcarští vědci dosáhli účinnosti 20,4 % na bázi polymeru a jako polovodiče byly použity indium, měď, selen a gallium. Dnes je to rekord pro prvky na tenké polymerní fólii.

V Japonsku dosáhli 19,7% účinnosti v podobných (indium, selen, měď) naprašovaných polovodičů. A v Japonsku začali vyrábět solární tkaniny, látkové solární panely byly vyvinuty pomocí válcových prvků o průměru asi 1,2 milimetru připevněných k tkanině. Začátkem roku 2015 na tomto základě plánovali zahájit výrobu oblečení a slunečníků.

Je zřejmé, že tenkovrstvé solární panely budou konečně v blízké budoucnosti obecně dostupné pro obyvatelstvo.Ne nadarmo se ve světě provádí tolik výzkumů za účelem snížení nákladů.