Němečtí vědci vyvinuli solární článek s rekordní účinností

Výzkumní pracovníci z Fraunhoferova institutu pro solární energetické systémy společně se společností EVG vyvinuli solární více-přechodový článek na křemíkové bázi, který dokáže přeměnit jednu třetinu energie obsažené v dopadajícím slunečním záření na elektrickou energii. Podle institutu se jedná o nový rekord pro tento typ článku. Výsledek byl prezentován na stránkách institutu a v renomovaném časopisu Nature Energy.

Křemíkové články v současnosti dominují globálnímu fotovoltaickému trhu s podílem zhruba 90 %. Výzkum na tomto poli se již blíží teoretické mezní účinnosti, která je daná vlastnostmi polovodičového křemíku. Zároveň se ale otvírají možnosti pro vývoj nové generace článků, které budou mít vyšší účinnost.

Vědci z Fraunhoferova institutu dosáhli vysoké účinnosti vícevrstvých fotovoltaických článků na bázi křemíku spojením s extrémně tenkými 0,002mm polovodičovými vrstvami ze sloučenin P a N polovodičů, které jsou propojeny s křemíkovým solárním článkem. Pro srovnání, tloušťka těchto vrstev je menší než jedna dvacetina tloušťky lidského vlasu. Viditelné světlo je absorbováno v horní vrstvě tvořené galium indium fosfidem (GaInP), vlny blízké infračervenému světlu jsou přeměněny ve vrstvě galium arsenidu (GaAs) a delší vlnové délky ve spodní křemíkové vrstvě. Tímto způsobem je rozšířeno vlnové spektrum, které jsou křemíkové články schopné přeměnit na energii.

“Fotovoltaika je klíčovým pilířem přeměny energetiky. Poslední dobou se její náklady snížily natolik, že se nyní stala ekonomicky životoschopným konkurentem konvenčních zdrojů energie. Tento vývoj stále ještě neskončil. Nový výsledek  ukazuje, jak může být materiálová spotřeba snížena díky vyšší efektivnosti, takže je možno dále optimalizovat nejen náklady na fotovoltaiku, ale také její výroba může být uskutečněna způsobem šetrným k životnímu prostředí.” Dr.Andreas Bett, ředitel Fraunhoferova institutu.

Více vrstev s různou absorpční schopností

Naposledy, přesně před rokem, vědci ze stejného institutu dosáhli účinnosti 31,3 %. Letošní pokrok byl uskutečněn díky procesu známého z mikroelektronického průmyslu, který se nazývá “direct wafer bonding”. Při procesu jsou na podložku z křemíku nanášeny přímo vrstvy polovodičů z III. a z V. skupiny o tloušťce pouhých 1,9 mikrometrů.

Pro použití této technologie jsou povrchy ve vysokém vakuu vakuu nejdříve deoxidovány iontovým svazkem a následně pod tlakem spojeny. Atomy na povrchu polovodičů III. a V. skupiny se spojují s atomy křemíku, čímž vzniká monolitický materiál. Složitost vnitřní struktury není navenek vůbec znát – destička má jednoduchý přední a zadní kontakt stejně jako běžný křemíkový článek a proto může být do fotovoltaických modulů integrována stejným způsobem.

Vyvinutý solární článek se tedy skládá z řady dílčích článků, které jsou naskládány na sebe. Takzvané diodové tunely propojují tři podvrstvy (GaInP, GaAs a křemíkovou). Horní vrstva absorbuje záření o délkách 300-670 nm, střední vrstva GaAs přeměňuje energii z vln o délce 500-890 nm a podkladová křemíková vrstva potom 650-1180 nm.

Aby tato nová technologie mohla být nasazena masivněji v průmyslu, bude zapotřebí snížit náklady na epitaxi vrstev polovodičů III. a V. skupiny, dále musí dojít ke zlevnění propojení vrstev s podkladovou křemíkovou vrstvou. Toto jsou největší problémy bránící okamžitému nasazení výsledku Frauenhoferova institutu do praxe. Vědci nicméně doufají, že se jim brzy povede uvést na trh moduly s celkovou účinností přesahující 30 %.

Rekordní účinnosti různých typů slunečních článků zaznamenávané Národní laboratoří pro obnovitelnou energii ve Spojených státech [viz http://www.nrel.gov/].

Rekordní účinnosti různých typů slunečních článků zaznamenávané Národní laboratoří pro obnovitelnou energii ve Spojených státech zdroj: http://www.nrel.gov

Zdroj úvodní fotografie: Fraunhofer ISE, autor: Dirk Mahler

Autor:



20 odpovědí na Němečtí vědci vyvinuli solární článek s rekordní účinností

  1. Milan Vaněček napsal:

    Za 20 let už si budete moci solární panely s účinností více než 30% koupit. Nyní je průměrná účinnost nejvíceprodávaných panelů 17-18 %.
    Základ bude asi stále levná křemíková deska, další jeden až dva články v „multijunction“ struktuře budou buď z tenkých vrstev polovodičů typu A3B5 nebo perovskitu.

    • Petr napsal:

      ??? Zajímavé 🙂
      Vždyť tohle je zrovna ta část zlevňování masovou průmyslovou výrobou, na kterou se furt odvoláváte i u věcí, které tak nefungují.
      Takže by to mělo být naopak dostupné za normální cenu do výroby spíš už za 5-7 let.

      • Milan Vaněček napsal:

        Za 5-7 let budete mít těžiště výroby panelů okolo PERC či HET technologie (staví se plněautomatizované továrny) na jednoduchém křemíkovém přechodu, s účinností ne 17-18% ale 22-23%; za stejnou či menší cenu bude více Wattpeak na panel. Multijunction cells jako těžiště seriové výroby (přes 100 GW za rok) zde nemohou být za 5 let, ani náhodou.

        • Petr napsal:

          Za 5 roků se bude stavět určitě přez 50GW nových výrobních kapacit ročně, a v zemích kde výstavbu neblokují loutkáři podplacení aktivisté se rozjede taková továrna se vším všudy do 2 let.

          Struktura ceny solární elektrárny je taková, že o 50% účinnější panel se může prodávat klidně o 100% dráž. Takže jak to bude dostupné tak okamžitě najede většina nových továren na tuto multivrstvou technologii.

          Takže Multijunction cells (přes 100 GW za rok) zde mohou být za 8 let úplně klidně.

        • Martin Hájek napsal:

          Tentokrát bych výjimečně věřil pan Vaněčkovi. Ono je potřeba také vidět, že výrobci potřebují amortizovat ty fabriky, které už postavili a to nebude za rok ani za dva. Také je samozřejmě otázka, jak jsou ty extrémně tenké vrstvy stabilní a jak rychle degradují, o tom se v článku nic nepíše a není divu, ještě se to nedalo vyzkoušet.

          • Milan Vaněček napsal:

            Články ze skupiny A3B5 jako Ga As atd jsou velmi stabilní a ověřené v praxi v koncentrátorových FVE. Mnohem levnější články s perovskitovou strukturou jsou teprve ve výzkumu, zvýšení stability se teprve řeší.

          • Josef napsal:

            Je vidět že jste nikdy nepracoval v průmyslu jestli si myslíte, že průmyslníci amortizují své výroby co nejdéle to jde – tak to nefunguje nejvíce se totiž vydělá na novinkách – když máte něco nového co nemá konkurence můžete si nasadit cenu, jak to má každý pak už jsou zisky malé. Takže jakýkoli panel ,který lze vyrobit a prodat s větším ziskem než ty stávající velmi rychle nahradí současnou produkci. Jak bylo řečeno cena FV el. se skládá z více věcí a pokud jí účinnější panel zmenší může si část této úspory naúčtovat výrobce. Samozřejmě, že z laboratoře do obchodu je to daleko a může se také stát že při současných možnostech výroby budou takové panely ekonomicky nevýhodné.

          • Martin Hájek napsal:

            Pane Josefe, máte pravdu, každý správný průmyslník rád vyhodí technologii, do které investoval miliardy dolarů a fungovala půl roku, aby mohl investovat do nové, která zase bude fungovat půl roku a každá rozumná banka mu na to ráda půjčí a nebude ho obtěžovat zbytečnými otázkami, jak hodlá úvěr splatit :-))))))))

    • Milena napsal:

      To ještě netuší, že jim náš Sehnoutek s českým čočkovým patentem 302600 „natrhne zadek“ s dvojnásobným zvýšením účinnosti jejich současně uváděných hodnot!
      A to prý nedostal na svůj soukromý vývoj od pana Bělobrádka a jeho deklarovaných 75miliard na vývoj v ČR ani korunu!

  2. j napsal:

    „jedná o nový rekord pro tento typ článku“ – Jaké má daný typ článku výhody oproti jiným typům s vyšší účinností?

    • Milan Vaněček napsal:

      Fotovoltaický článek z jednoho materiálu (například krystalický křemík) nemůže mít teoretickou účinnost větší než přibližně 30%. Když posouváme absorpční hranu materiálu aby absorboval více slunečního záření snižuje se nám zase napětí. U multispektrálních článků (více vrstev materiálů s různou hranou absorpce) o kterých byla v článku řeč se posunuje teoretická hranice nad 60%.
      Je to tedy jasná cesta jak jít dál pro zvyšování účinnosti.
      Dalši způsob (ale jen mnohem menší) je koncentrace světla (zvyšuje napětí).
      A vyšší využití světla přes celý den lze dosáhnout pohybem panelů (sledování Slunce).
      Jiné cesty nejsou, tudíž budoucí fotovoltaické články budou složeny z několika vrstev s absorpční hranou posouvající se z viditelné do infračervené oblasti slunečního spektra.

    • Petr napsal:

      Ty další typy s větší účinností jsou převážně nesmysly typu miničlánku a před něj strčené lupy.
      Kdežto tohle je komerční masová budoucnost, jen tu někteří myslí, že až za 20 let.

      • Milena napsal:

        Dovolím si Vám, Petře, oponovat: koncentrace slunečních paprsků není nesmysl, ale pouze lidsky upravený fyzikální jev. Nic jiného. Navíc vzniká i vyšší teplo, s čímž se dá také velmi pěkně pracovat, když se to umí. Pro řadu „klasických“ fotovoltaických odborníků je to problém, nadměrné zahřívání, ale velké solární panely již začínají být pomalu a nenápadně starou etapou. Přebíráme poznatky od výše uvedeného autora (starého praktika, ne jen standardního vědeckého pracovníka bez vztahu na praxi) a žasnu, kam to jen „na koleně“ technicky dostal. Jeho nová technologie by si rovnou zasloužila celý výzkumák, ne jen nějaké pracoviště v suterénu.

        Provádíme tyto procesy a zkuste si sám např. osvítit dvě stejné stokorunové zahradní lampičky s fotovoltaickými články, jednu s lupou a jednu bez, k jakému ohromnému zvýšení účinnosti/užitné hodnoty dojde.
        Podstatu koncentrace paprsků, a tím cíleného ozáření nejen solárního článku, podporuje řada již mezinárodních subjektů, jako například americká Semprius nebo prof. Zicha z Třeboňského výzkumného ústavu.
        S koncentrací musíme do budoucna počítat, jinak to ekologicky ani soběstačně nepůjde. I když teď pár jedinců z řad politiků nebo superpodnikatelů křičí podle svých skrytých zájmů.
        Ten, kdo toto přírodou dané prostředí ovládne první, má myslím vyhráno na hodně dlouho. Kéž by se k tomu naše země mohla ve své maličkosti a nadutosti přidat. Chytrých lidí má dost.

  3. Milena napsal:

    Další nový český patent Jana Sehnoutka, který byl dokonce švýcarským patentovým úřadem WIPO nedávno uznán, jako světový unikát (dále WO 2016/034156 A1), svým řešením koncentrace slunečních paprsků dokáže již sledovat dráhu slunce od jeho východu až po západ! A to vše cca s dvojnásobným (!) zvýšením účinnosti u současné běžné technické úrovně fotovoltaických článků! Jde tu proto bez jakékoliv polemiky o skutečný technologický zlom s výhodou pro další desítky generací. Čekal by někdo něco takového z „České kotliny“, kde je solární podnikání téměř „poukazem“ do vězení? A všechny nadprůměrné aktivity jsou ihned kriminalizovány. Zajímavé.
    Kde jsou naši novináři? Kde jsou naši investoři s možností tak zásadním způsobem vstoupit do světové energetiky, která „válcuje“ na světových burzách i naftu? Kde je státní podpora jednotlivců, kteří svojí přirozenou invencí dokáží přeskočit světová renomované výzkumná pracoviště?
    Nejsme vůbec hloupý národ – jen si ho takový svojí vzájemnou závistí přejeme.

  4. Vinkler napsal:

    Hoši pletete hrušky s jablky. Koncentrace nemůže navýšit účinnost, navýší se výkon z plochy článku. Ten pak může být menší a část nákladů se přesune na koncentrátor. Již za komunistů se nabízely Fresnelovy čočky z taženého skla. A o použití nic jsem neslyšel.

    • Milena napsal:

      Ano, máte pravdu pane Vinklere, pokud si před solární článek dáte obyčejnou lupu. Pokud však z těchto lup sestavíte celé pole, a vytvoříte tak souvislou další vrstvu fotovoltaického článku, stává se Vám tato nezbytnou součástí konstrukce, takže jsme v situaci našich německých sousedů, kteří využívají hned několika mikrovrstev, ale na jiné bázi. A vývoj půjde tímto směrem dál. Vlastní materiály nás již překvapí málo. Půjde proto o „sendviče“ a lidský důvtip.
      Co se týče komunisty používaných Fresnelových čoček, musíte se zeptat dotyčných pracovníků, proč se tím dále nezabývali (nemyslím si z vlastní praxe, že by vždy za tohoto režimu vítězila skutečná odbornost-vždy to „táhli“ jednotlivci). I když jde o fenomenální nápad, v praktickém světě, kdy je již technologicky náročné pracovat s desítkami mikrosegmentů, je skoro při každodenním slunečním zatížení nepoužitelný.

      • Milan Vaněček napsal:

        Mileno, podobných patentů na sledování slunce aby jeho paprsky dopadaly od rána do večera na sluneční článek či tepelný absorbér je hodně, přeju panu Sehnoutkovi úspěch v realizaci (ale šancí odhaduji na 1:1000). Teď už existují i mnohem opticky sofistikovanější způsoby (bez pohyblivých mechanických dílů). Ale zásadní věc- koncentrace se uplatní hlavně v pouštních oblastech, u nás je hodně rozptýleného záření od mraků, koncentrace čočkou chce přímý osvit.
        Pane Vinklere, opravdu se zvýšením intensity osvětlení roste pomalu (logaritmicky) napětí které článek dává. Experimentální data můžete vyčíst z obrázku Best research cell efficiencies co je v článku. Fyzikální vysvětlení spočívá ve větším rozštěpení kvazi-Fermiho hladin pro elektrony a díry (tomu je úměrné Voc) s rostoucí intensitou osvětlení.

        • Milena napsal:

          Jen v krátkosti: Děkuji pane Vaněčku za Váš názor. Všechny světové rešerže patentů ohledně optiky a koncentrace slunečních paprsků v souvislosti se solárními články, a to z celého světa, máme k dispozici. Žádný se k „čočkovým“ patentům pana Sehnoutka neblíží, pouze americká firma Semprius má obdobu, ale v pevné deskové formě. V žádném případě zjevně ne tak mobilní, jako jeho. Tím pádem i s nepoměrně nižší užitnou hodnotou a vyšší technologickou náročností v praxi. Váš poměr bych proto s klidem převrátila ve prospěch našeho autora. Uveďte mi prosím čísla patentů, o kterých se ve Vašem názoru zmiňujete. Děkuji Vám za laskavost, pokud Vás to nebude obtěžovat. Naše pracoviště se zabývá částečně i reálností technického řešení z právního hlediska a dlouhodobého využívání, nejen vlastní aplikace v praxi. Proto vyjádření patentových odborníků a pracovníků mezinárodních patentových úřadů bereme vážně a s jistotou se o ně opíráme, neboť to jsou ti, kteří mají z globálního odborněprávního hlediska nejlepší rozhled a možnosti a jsou za to placeni. Ti by byli poslední, kteří by měli něco opomenout, jestli s tím máte zkušenosti: prověřování autorské ochrany a patentové výjimečnosti se provádí několik měsíců i let a porovnávají se detailně všechny registrace ve světě, třeba i několikrát. Ještě jsme nezaregistrovali případ, že by tomu tak nebylo. Děkuji proto za pochopení mého zájmu. Jak je vidno, Jste v oboru zkušený, což vítám. Taková polemika má pak vždy daleko větší váhu a smysl. I já se ráda poučím. Dle mého názoru, jako toho nejmenšího vědeckého pracovníka v solárních technologiích a obnovitelných zdrojích, náš autor, bez jakékoliv podpory, a který je v kontaktu se skutečnými mezinárodními znalci z oboru, originálně autorsky vyplnil neskutečně elegantně, jen za pomoci přírody a jednoduché mechaniky, pracovní prostor této do budoucna mimořádně důležité problematiky, a to minimálně na dvě desítky let dopředu, pokud tento čas, jak znám jeho invenci, neprodlouží o další řešení.

        • Milena napsal:

          Ještě, pane Vaněčku, malý dovětek (vypadám, jak ukecaná ženská, ale využívám výjimečně volného času při mé nemoci :-)):
          Přála bych této zemi, aby si uvědomila, kam patří. Že jsme měli již řadu osobností, které světu pomohli, a můžeme to prokazovat klidně dál. Žádná politika, která dělá z národa jen ovce, však není vhodná pro inovace, vlastní rozvoj ani nepomůže druhým. Těm, kteří si to nejvíce zaslouží: normálním a nějak postiženým lidem. A je skutečně rozdíl, zda jedna skupina obdrží 50,- Kč měsíčně (jinak cca 2Eura!) na „zvýšení“ své životní úrovně jako důkaz mimořádné politické milosti, nebo všem nabídnete elektřinu a teplo jejich domova na celý rok zdarma. O tomto já mluvím. Proto všichni ti jedinci, kteří to dokáží, a jsou dokonce vůbec ochotni se tím na vrub svého soukromého času a vlastních prostředků zabývat, by měli mít naši podporu. Ti dělají skutečně pro nás všechny. A naše společnost by se měla nad tím zamyslet. Než nám takovéto osobnosti odejdou do jiné země, nebo ještě někam dál. Proto by takoví lidé, s takovým rozhledem jako i Vy, měli zakládat nové pracovní týmy, a ukázat druhým, že to jde. Ze „starých“ výzkumáků již nic nového nevypadne. 🙂

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *