Polovodiče: Fotovoltaické články z krystalického křemíku a tenkovrstvé články

Dnešní článek, v pořadí čtvrtý o polovodičích, pojednává o fotovoltaických článcích z krystalického křemíku a o tenkovrstvých článcích. V první části budou vysvětleny fotovoltaické články z krystalického křemíku a v druhé budou vysvětleny tenkovrstvé články.

Křemík je velmi vhodný materiál pro výrobu fotovoltaických článků. Z hlediska šířky zakázaného pásu je u křemíku možno dosáhnout velmi vysoké účinnosti generace volných nosičů. Zároveň u křemíku, jako základního materiálu pro mikroelektroniku, se podařilo velmi dobře zvládnout všechny technologické operace potřebné k vytváření struktur.

Fotovoltaické články z krystalického křemíku

Výchozím materiálem pro výrobu FV článků z krystalického křemíku jsou křemíkové destičky (nejčastěji typu P) čtvercového tvaru o rozměrech až 200×200 mm. Počátek výroby FV článků byl spojen s monokrystalickým křemíkem (např. Czochralského metoda vytahování křemíku z kelímku).

Potřeba snížení ceny vstupního materiálu vedla v sedmdesátých letech k vývoji multikrystalického křemíku, kde při výrobě dochází k řízenému tuhnutí taveniny v blocích. Tato technologie přispěla k úsporám vstupního materiálu a ke snížení investičních nákladů. Nevýhodou je vznik náhodných orientací krystalických zrn neumožňujících texturaci povrchu alkalickým leptáním. Vzniklé hranice zrn zvyšují ztráty rekombinací.

Vývojem technologie se podařilo značně přiblížit účinnost článků z multikrystalického křemíku účinnosti článků z křemíku monokrystalického. Monokrystalické nebo multikrystalické ingoty musejí být rozřezány na destičky o tloušťce přibližně 0,15 až 0,3 mm. Povrchová vrstva destiček, která je zhmožděná řezáním, musí být odleptána. Příprava destiček rozřezáním ingotu je relativně nákladná operace, při které je znehodnoceno téměř 50 % materiálu ingotu.

Z jedné křemíkové destičky je vyroben jeden FV článek:

1. Chemické opracování destičky – leptání, texturace, čištění
2. Jednostranné vytvoření přechodu PN difúzí fosforu ve vzdálenosti 0,2 – 0,5 μm od povrchu
3. Odstranění fosforsilikátového skla vzniklého při difúzi
4. Pokrytí antireflexní vrstvou (SiN_x nebo TiO2)
5. Depozice antireflexní vrstvy
6. Realizace kontaktů sběrnice pomocí vodivých past nanesených na povrch článků technikou sítotisku – na stranu s přechodem PN (na vrstvu N+) je sítotiskem nanesena sběrnice (Ag pasta) a na zadní stranu je sítotiskem nanesen kontakt (Ag + Al pasta)
7. Vysušení pasty a následné vypálení – dochází k rozrušení antireflexní nitridové vrstvy a vytvoření ohmických kontaktů (tato technika výrazně zjednodušila a zlevnila kontaktování článků -> odstranění fotolitografie a vakuových depozičních technologií)
8. Odstranění povrchových zkratů na hranách článku
9. U realizovaných článků jsou změřeny parametry a články jsou tříděny podle proudu v bodě maximálního výkonu I_mp

Konstrukce fotovoltaického panelu z článku z krystalického křemíku

V reálném provozu musí být FV články chráněny před nepříznivými vlivy okolního prostředí. Do série spojené FV články se zpravidla spojují s vysoce průhledným tvrzeným sklem pomocí EVA (Ethylenvinylacetát), zadní strana je kryta vícevrstvou pevnou fólií z plastu. Moduly jsou opatřeny hliníkovým rámem pro uchycení k nosným konstrukcím a na zadní stěně jsou opatřeny svorkovnicí s kabelovými vývody a překlenovacími diodami.

Moduly jsou opatřeny hliníkovým rámem pro uchycení k nosným konstrukcím a na zadní stěně jsou opatřeny svorkovnicí s kabelovými vývody a překlenovacími diodami.

Fotovoltaické moduly jsou při provozu zahřívány absorbovaným slunečním zářením a pracují tak za podmínek značně odlišných od standardních testovacích podmínek.

Jejich pracovní teplota závisí na:

1. Intenzitě dopadajícího záření
2. Teplotě okolí
3. Tepelném odporu modulu
4. Rychlosti proudění okolního vzduchu

Z tohoto důvodu se jako standardizovaný údaj udává hodnota teploty NOCT (Normal Operating Conditions Temperature -> intenzita slunečního záření G= 800 W/m², teplota okolí 20°C a rychlost větru 1 m/s).

Technologie tenkovrstvých fotovoltaických článků

U materiálů s vysokým absorpčním koeficientem je možné realizovat fotovoltaický článek ve vrstvě o tloušťce několika μm, což představuje výrazné úspory polovodičového materiálu. Tenkovrstvé články a moduly představují v současné době zhruba 15 % celkové produkce a vyrábějí se z CdTe, amorfního křemíku a CuInSe₂.

Tenké vrstvy nejsou samonosné a je třeba je deponovat na vhodný substrát. Důležitým konstrukčním a technologickým problémem je dosažení nízkého sériového odporu R_s. Vzhledem k vysokému příčnému odporu vrstev se z přední (osvětlované) strany fotovoltaického článku odvádí proud pomocí vrstvy transparentního vodivého oxidu (TCO) zároveň sloužícího jako antireflexní vrstva. Vrstva TCO často slouží jako difúzní bariéra na kovovém kontaktu.

Tenké vrstvy jsou deponovány různými technologiemi – napařováním, naprašováním, chemickou depozicí z plynné fáze (CVD), elektrochemicky, apod. Vrstvy TCO (SnO₂, ITO, ZnO) jsou obvykle naprašovány. Vrstvy amorfního nebo krystalického křemíku jsou běžně deponovány chemickou depozicí z plynné fáze, založené na dekompozici silanu SiH₄ → Si + 2H₂. Při přidání diboranu (B₂H₆) do směsi silanu s vodíkem narůstá vrstva dotovaná bórem (P+), pokud je do směsi přidán fosfin (PH₃), narůstá vrstva dotovaná fosforem.

Rychlost růstu a struktura vrstvy (amorfní nebo mikrokrystalický křemík) závisí na teplotě podložky a koncentraci silanu ve směsi s vodíkem. V tenkovrstvé technologii často nejsou realizovány jednotlivé články, ale celý modul v sekvenci technologických operaci:

1. Na nosnou podložku (obvykle sklo) je deponována vrstva TCO (transparentní vodivý oxid)
2. Laserem jsou odděleny oblasti jednotlivých článků ve tvaru proužků (odstranění TCO)
3. Plasmatická depozice tenkovrstvého článku
4. Odstranění struktury článku laserem v proužku těsně přiléhajícím k hranici
   vymezené prvním laserovým řezem
5. Deponování kovových kontaktů (obvykle naprašováním)
6. Třetí řez laserem odstraňující proužek kovového kontaktu tak, aby vznikla struktura modulu se sériově zapojenými články

Na zadní stranu modulu je pomocí EVA přilaminována krycí vrstva (sklo nebo polymer) a vývody jsou svedeny do svorkovnice. Účinnost tenkovrstvých modulů je v rozmezí 6 až 10 %. Tenkovrstvé články a moduly mohou být realizovány rovněž na ohebných fóliích, což zjednodušuje některé střešní aplikace.

Zdroj úvodní fotografie: svetplnyenergie.cz