Vývoj účinnosti fotovoltaických panelů

Minimální účinnost fotovoltaických panelů solárních elektráren s výkonem nad 20 kilowattů bude muset v ČR dosahovat 22%. Podle průzkumu odborného magazínu Photon International se účinnost naprosté většiny solárních panelů předních světových výrobců pohybuje mezi 12 až 14 %. Technologie s účinností větší než 22 % existují, nejsou však vhodné pro použití v Česku. Díky podmínkám jejich provozu se hodí do pouštních oblastí, jejich instalace fungují například v Nevadě či Arizoně. Jak je to s historií, současností a  výhledem možné účinnosti fotovoltaických panelů v budoucnosti?

V první generaci fotovoltaických článků byl využíván jako základ křemíková deska.Začaly se používat v 70-tých letech. Dnes jsou tyto články nejrozšířenější používanou technologií (90%) a dosahují poměrně vysoké účinnosti přeměny (v sériové výrobě 16 až 19 %, speciální struktury až 24 %). I když je jejich výroba relativně drahá (a to zejména z důvodu drahého vstupního materiálu – krystalického křemíku), budou ještě v několika dalších letech na trhu dominovat.

Impulsem pro vývoj článků druhé generace byla především snaha o snížení výrobních nákladů úsporou drahého základního materiálu – krystalického křemíku. Články druhé generace se vyznačují 100x až 1000x tenčí aktivní absorbující polovodičovou vrstvou (thin-film) a jejími představiteli jsou např. články z amorfního a mikrokrystalického křemíku (případně silicon-germania, či silicon-karbidu, ale také tzv. směsné polovodiče z materiálů jako Cu, In, Ga, S, Se, označované obecně jako CIS struktury). S úsporou materiálu došlo v porovnání s články první generace k poklesu výrobních nákladů (a tedy za předpokladu velkosériové výroby i k poklesu ceny), nicméně dosahovaná účinnost je obvykle nižší (v sériové výrobě obecně pod 10%). Nespornou výhodou tenkovrstvých článků je možnost volby substrátu  a v případě použití flexibilních materiálů (organické, kovové či textilní folie) i značně širší aplikační sféra. Komerčně se začaly články druhé generace prodávat v polovině osmdesátých let.

U solárních článků třetí generace je hlavním cílem nejen snaha o maximalizaci počtu absorbovaných fotonů a následně generovaných párů elektron - díra ("proudový" zisk), ale i maximalizace využití energie dopadajících fotonů ("napěťový" zisk fotovoltaických článků). Existuje řada směrů, kterým je ve výzkumu věnována pozornost:

- vícevrstvé solárních články z tenkých vrstev

- články s vícenásobnými pásy

- články, které by využívaly "horké" nosiče náboje pro generaci více párů elektronů a děr

- 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 příkladem dobře fungujících článků třetí generace (přímo navazující na FV druhé 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 (hydrogenovaného) křemíku (a-Si:H) a p-i-n přechodu mikrokrystalického (hydrogenovaného) křemíku (µc-Si:H). 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 germániem a dle zvoleného poměru obou materiálů se dají upravovat jejich optické (i elektrické) vlastnosti. Tohoto materiálů 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 funkcí vícevrstvých článků je, aby každý z článků generoval stejný proud. V opačném případě, horší (příp. nejhorší) z článků limituje dosažitelnou účinnost. Výsledné napětí je pak dané součtem obou (příp. všech) článků.

Hodnoty účinností v grafu vývoje naměřených účinností fotovoltaických článků se dostaly už nad 40%. Týmy vědců z University of Delaware, Fraunhoferova Institutu pro solární energetické systémy a NREL docílily hodnot světového rekordu na 42,8 %, 41,1% a 40,8% . Jde zatím o ne zcela ověřené hodnoty účinnosti, neboť tyto výsledky nebyly podrobeny standardizovaným testům plně smontovaných panelů.

Podle: https://www.elsop.cz/inpage/technologie/