Postęp technologii cienkowarstwowych w

Postęp technologii cienkowarstwowych PV
Autor: prof. dr hab. inż. Jan M. Olchowik - Instytut Inżynierii Odnawialnych Źródeł
Energii, Wydział Inżynierii Środowiska Politechniki Lubelskiej
("Czysta Energia" - nr 1/2015)
Moduły fotowoltaiczne (PV) wytwarzanych współcześnie konwerterów
słonecznego oparte są głównie na krzemie.
światła
Aż ponad 90% światowej produkcji technologii PV bazuje na tym ogólnie dostępnym
surowcu. Wynika to przede wszystkim z tego, że krzem jest drugim pod względem
występowania pierwiastkiem w skorupie ziemskiej, ale nie w czystej postaci.
Najpowszechniej pozyskiwany jest z piasku, zawierającego duże ilości krzemionki (SiO 2).
Mimo dostępu do tych zasobów, krzemowe ogniwa fotowoltaiczne charakteryzują się niezbyt
wysoką sprawnością konwersji PV. Wynika to zwłaszcza ze struktury energetycznej krzemu.
Krzem charakteryzuje się skośną przerwą energetyczną, a to utrudnia bezpośrednie przejścia
nośników ładunku „pasmo-pasmo” i tym samym ogranicza efektywność konwersji energii
słonecznej na energię elektryczną. Ponadto wyodrębnienie czystego pierwiastka Si ze
związków występujących w naturze wymaga skomplikowanych technologii, a to z kolei
przekłada się na koszt jego pozyskiwania.
Rys. 1. Tendencje rozwoju różnych technik PV1
Dlatego też bardziej perspektywicznymi absorberami światła słonecznego do budowy
konwerterów fotowoltaicznych są materiały z prostą i stosunkowo szeroką przerwą
energetyczną. Szczególnie ważnym aspektem zagadnień upowszechnienia technologii PV jest
również czynnik ekonomiczny. Ceny modułów fotowoltaicznych wynikają jednak nie tylko z
kosztów materiałów bazowych, ale także z kosztów technologii ich wytwarzania. W związku
z tym największą dynamiką rozwoju w ramach wytwarzania przyrządów
półprzewodnikowych odznaczają się obecnie metody oparte na technologii cienkowarstwowej
(TFPV). Na rysunku 1 przedstawiono dynamikę rozwoju różnych technik wytwarzania baterii
słonecznych w odniesieniu do ich efektywności pracy.
Jak wynika z wykresu, najbardziej perspektywicznymi dla przyszłych zastosowań są moduły
oparte na cienkowarstwowej technologii Si oraz na bazie nowych struktur materiałowych,
których badania rozpoczęły się dopiero w XXI w.
Na razie nadal krzem
Obecnie największy udział w produkcji elektryczności dzięki konwersji PV ma nadal krzem
w postaci multikrystalicznej – ponad 55% produkcji światowego rynku modułów
fotowoltaicznych. Niemal 30% fotomodułów powstaje przy użyciu krzemu
monokrystalicznego, a tylko niespełna 25% obejmuje inne technologie i materiały (rys. 2).
Rys. 2. Wykorzystanie różnych technologii PV w światowej produkcji energii PV 2
Można jednak zauważyć, że udział objętościowych technologii krzemowych z roku na rok
będzie się zmniejszał, za co odpowiedzialna jest nie tyle ekonomia, co postęp w poprawianiu
ich sprawności i funkcjonalności. Struktury cienkowarstwowe charakteryzują się znacznie
większymi – niż struktury krystaliczne – elastycznością, odpornością na działanie wysokich
temperatur oraz efektywnością konwersji fotowoltaicznej podczas dni pochmurnych.
Wzrost sprawności
Badania krystalicznych fotoogniw krzemowych rozpoczęto w latach 50. poprzedniego
stulecia. W tym czasie udało się w skali laboratoryjnej uzyskać fotoogniwa o sprawności
24,2% (dane SunPower). To niemalże graniczna wydajność dla krzemowych fotoogniw. W
skali przemysłowej sprawność dostępnych na rynku modułów c-Si wynosi 21%3.
W XXI w. wiele uwagi poświęca się cienkowarstwowym strukturom opartym na absorberach
typu a-Si, CdTe, CuInGaSe2 (CIGS) oraz na barwnikowych ogniwach organicznych z
wykorzystaniem cząsteczek TiO2. Jeśli chodzi o postęp w uzyskiwaniu najwyższych
sprawności, to prym wiodą absorbery typu CdTe i CIGS.
Obecnie cienkie warstwy aktywne fotoogniw wytwarzane są takimi sposobami, jak:




fizyczne osadzanie próżniowe (PVD – physical vapor deposition),
chemiczne osadzanie próżniowe (CVD – chemical vapor deposition),
elektrochemiczna depozycja (ECD – electro-chemical deposition),
plazmowo-chemiczne osadzanie próżniowe (PECVD – plasma enhanced chemical
vapor deposition),
 kombinacje wymienionych technologii.
Z punktu widzenia komercyjnego zastosowania konkretnej technologii kluczowe są takie
czynniki jak czas wykształcenia absorbera oraz koszt zużytych w tym procesie materiałów.
Należy także dodać, że w przypadku krystalicznych technologii krzemowych powierzchnia
absorbera jest ograniczona ze względu na techniczne warunki krystalizacji. Aktualnie
obowiązującym standardem dla struktur krystalicznych jest technologia sześciocalowa.
Moduły fotowoltaiczne w tym przypadku wytwarzane są dopiero w następnym etapie.
Mankament ten może zostać wyeliminowany przy zastosowaniu technologii
cienkowarstwowych, w przypadku których od razu uzyskuje się moduł fotowoltaiczny.
Ponadto stosowane technologie cienkowarstwowe nie wymuszają ograniczeń rozmiarowych.
Największe moduły cienkowarstwowe z amorficznego krzemu były wytwarzane w
technologii firmy Applied Materials1, a standardem stały się rozmiary 5,7 m2.
Obecnie, przy cienkowarstwowych absorberach o pojedynczych barierach energetycznych,
rekordowe sprawności różnych materiałów są następujące (dane NRL):






fotoogniwa c-Si – η = 24,2% (SunPower),
fotoogniwa mc-Si – η = 19,5% (Q.ANTUM),
fotoogniwa a-Si (nanokrystaliczne) – η = 16,3% (UnitedSolar),
fotoogniwa CdTe – η = 21% (2014, First Solar),
fotoogniwa CIGS – η = 21,7% (2014, Centre for Solar Energy and Hydrogen
Research (ZSW) in Baden-Württemberg, Germany),
fotoogniwa organiczne – η = 9,1% (Polyera).
Są to wskaźniki laboratoryjne, uzyskane na stosunkowo niewielkich powierzchniach, ale dla
porównania, sprawność elektryczna klasycznych elektrociepłowni węglowych to 25-35%.
Należy też pamiętać, że aby generować użyteczną energię, elektrociepłownie muszą bez
przerwy spalać surowiec w postaci paliw kopalnych. W przypadku konwersji fotowoltaicznej,
surowcem energetycznym jest powszechnie obecne (choć nie o każdej porze) promieniowanie
słoneczne.
Ponadto w technologiach cienkowarstwowych możliwe jest wytwarzania struktur
wielozłączowych, co pozwoli osiągać sprawności konwersji fotowoltaicznej przekraczające
poziom 30%.
Źródła
1. Daube C. (et al.): Advanced Large Area TCO Production Line for Economic
Manufacturing of High Efficiency a-Si/μc-Si Based Thin Film Modules. 25th European
Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition/5th World Conference on Photovoltaic
Energy Conversion. Valencia, Spain 2010.
2. Costerg P.: The Strategy of TOTAL for Photovoltaics: an indystrial Achievement. Materiały
„Conference on the Future of Energy in Enlarget Europe: Perspectives for R&D C0operation”. Warszawa 2004.
3. 29th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition. Amsterdam 2014.