Vývoj solární fotovoltaické technologie

S technologickým pokrokem a rozšiřováním průmyslu náklady na výrobu energie z fotovoltaiky (FV) nadále klesají, což ji v budoucnu staví do role klíčového zdroje energie pro udržitelný rozvoj.

Klíčové komponenty fotovoltaické technologie
Základní součástí technologie výroby fotovoltaické energie jsou solární fotovoltaické články. Vývoj solárních fotovoltaických článků lze rozdělit do tří generací. První generaci tvoří solární články na bázi křemíku, druhou generaci tvoří tenkovrstvé solární články a třetí generaci tvoří nové technologie, jako jsou vysokokoncentrované fotovoltaické články (HCPV), organické solární články, flexibilní solární články a barvivové solární články. V současné době na trhu dominují solární články na bázi křemíku, zatímco tenkovrstvé články postupně získávají svůj podíl. Většina článků třetí generace, s výjimkou HCPV, je stále ve fázi výzkumu.

Solární články na bázi křemíku

Mezi solárními články na bázi křemíku je nejvyspělejší technologie monokrystalického křemíku. Účinnost a náklady těchto článků jsou primárně ovlivněny výrobním procesem, který zahrnuje kroky, jako je odlévání ingotů, řezání destiček, difúze, texturování, sítotisk a spékání. Solární články vyrobené tímto konvenčním procesem obvykle dosahují účinnosti fotoelektrické přeměny 16–18 %.

Monokrystalické křemíkové solární články mají nejvyšší účinnost přeměny, ale jsou také nejdražší. Polykrystalické křemíkové solární články nabízejí dobré snížení nákladů přímou výrobou velkoobjemových čtvercových křemíkových ingotů vhodných pro hromadnou výrobu. Tento proces je jednodušší, šetří energii, zachovává křemíkový materiál a vyžaduje nižší kvalitu materiálu.

Snížení nákladů na solární články lze dosáhnout dvěma hlavními strategiemi: snížením spotřeby materiálu (např. snížením tloušťky křemíkových destiček) a zvýšením účinnosti konverze. Mezi metody ke zvýšení účinnosti patří zvýšení absorpce světla (např. texturování povrchu, antireflexní povlak, zmenšení šířky přední elektrody), snížení rekombinace fotogenerovaných nosičů náboje (např. pasivace emitoru) a minimalizace odporu (např. lokalizované dopování, technologie zadního povrchového pole).

Nejvyšší zaznamenaná účinnost konverze monokrystalických křemíkových solárních článků je 24,7 %, čehož dosáhl solární článek struktury PERL z Univerzity Nového Jižního Walesu. Mezi klíčové technologické vlastnosti patří nízká koncentrace dopování fosforem na povrchu křemíku pro snížení povrchové rekombinace, vysoká koncentrace difúze pod předními a zadními povrchovými elektrodami pro vytvoření dobrých ohmických kontaktů a použití fotolitografie ke zúžení předních povrchových elektrod, čímž se zvětší plocha absorpce světla. Tato technologie však dosud nebyla industrializována.

Mezi další techniky pro zlepšení účinnosti patří články s povrchově drážkovanou texturou a technologie zadního kontaktu (EWT) od společnosti BP Solar. První z nich dosahuje účinnosti 18,3 % díky laserovému drážkování, které zmenšuje šířku předních elektrod a zvyšuje absorpci světla. Druhá technologie dosahuje účinnosti 21,3 % přesunutím předních elektrod dozadu, čímž se zvětšuje plocha absorbující světlo.

Tenkovrstvé solární články

Zatímco krystalické křemíkové solární články dominují díky své vysoké účinnosti, výrazné snížení jejich nákladů je náročné kvůli vysoké ceně křemíkového materiálu. Tenkovrstvé solární články, které spotřebovávají méně materiálu, se ukázaly jako cenově efektivní alternativa. Mezi hlavní typy tenkovrstvých článků patří tenkovrstvé články na bázi křemíku, články z teluridu kademnatého (CdTe) a články z selenidu mědi, india a galia (CIGS).

Tenkovrstvé články na bázi křemíku mají tloušťku pouze 2 mikrometry, což představuje přibližně 1,5 % křemíkového materiálu potřebného pro krystalické křemíkové články. V závislosti na počtu PN přechodů mohou být tyto články jedno-, dvou- nebo více-přechodové, přičemž každý z nich je schopen absorbovat sluneční záření různých vlnových délek. Nejvyšší účinnost jedno-, dvou- nebo vícepřechodových článků je kolem 7 %, zatímco dvoupřechodové články mohou dosáhnout až 10 %.

Tenkovrstvé CdTe články nabízejí vyšší účinnost (až 12 %) díky svým dobrým vlastnostem absorpce světla. Karcinogenní povaha kadmia a omezené přírodní zásoby teluru však představují dlouhodobé vývojové výzvy.

Tenkovrstvé články CIGS jsou považovány za budoucnost vysoce účinné technologie tenkých vrstev. Úpravou výrobního procesu lze zlepšit jejich absorpci světla, což vede k vyšší účinnosti konverze. V současné době dosahuje laboratorní účinnost 20,1 %, zatímco komerční produkty dosahují 13–14 %, což z nich činí nejúčinnější mezi tenkovrstvými články.

Buňky třetí generace

Teoreticky mohou články třetí generace dosáhnout vysoké účinnosti konverze. S výjimkou HCPV je většina z nich stále ve fázi výzkumu. Články HCPV obvykle používají polovodičové materiály III-V, které mají vyšší tepelnou odolnost a zachovávají si vysokou účinnost konverze i při vysokém osvětlení. Vícepřechodové struktury umožňují těmto článkům přesně se přizpůsobit slunečnímu spektru s teoretickou účinností až 68 %. Komerční výroba může dosáhnout účinnosti nad 40 %.

Solární články jsou zapouzdřeny do modulů a jejich použití závisí na jejich vlastnostech a požadavcích trhu. Mezi rané aplikace patřily komunikační základnové stanice a satelity, později se rozšířily do obytných oblastí, jako jsou solární střechy. V těchto scénářích omezené instalační plochy a požadavky na vysokou hustotu energie upřednostňovaly krystalické křemíkové moduly. S rozvojem velkých solárních elektráren a fotovoltaiky integrované do budov (BIPV) vedly cenové aspekty k rostoucímu využití tenkovrstvých článků. Na zavádění různých technologií mají vliv i podmínky prostředí a klimatické podmínky.

Aplikace solární fotovoltaické technologie

Přeměna slunečního záření na využitelnou elektřinu vyžaduje kompletní solární fotovoltaický systém. Solární fotovoltaické články tvoří základ tohoto systému, který zahrnuje také střídače, baterie, monitorovací systémy a distribuční systémy.

Klasifikace a složení fotovoltaických systémů

Solární fotovoltaické systémy se dělí na systémy nezávislé na síti (off-grid) a systémy vázané na síť (grid-tied). Systémy nezávislé na síti mohou být samostatné nebo hybridní.

Samostatné systémy se obvykle používají v odlehlých oblastech, jako jsou komunikační základnové stanice a solární pouliční osvětlení, a jsou zcela závislé na solární energii. Patří mezi ně solární moduly, střídače, regulátory, baterie, distribuční systémy a ochrana před bleskem. Baterie a regulátory významně ovlivňují náklady a životnost systému. Hybridní systémy kombinují solární energii s jinými zdroji, jako jsou dieselové generátory nebo větrné turbíny.

Systémy propojené s rozvodnou sítí, běžně používané pro solární střechy a velké fotovoltaické elektrárny, nevyžadují skladovací zařízení, což snižuje náklady. Mezi tyto systémy patří solární moduly, střídače, distribuční systémy, ochrana před bleskem a monitorovací systémy. V současné době tvoří systémy propojené s rozvodnou sítí 80 % všech solárních aplikací.

Další technologie pro výrobu fotovoltaické energie

Kromě technologie solárních fotovoltaických článků jsou pro systémy výroby fotovoltaické energie klíčové také technologie střídačů, integrace do sítě, úložiště energie a inteligentní monitorování:

Výstupní výkon solárních článků se mění s intenzitou slunečního záření, což způsobuje přerušované provozní režimy. Integrace rozsáhlé sítě může mít na síť vliv, takže je nezbytné regulovat síť a chránit ji před ostrovním provozem.
Výstup solárního modulu je stejnosměrný proud (DC), který vyžaduje vysoce kvalitní převod na střídavý proud (AC) pomocí střídačů.
Výkon modulu může být ovlivněn faktory, jako je teplota a zastínění, což vyžaduje monitorování systému a alarmy.
Technologie dálkového ovládání je pro fotovoltaické elektrárny v odlehlých oblastech zásadní.
Čína je lídrem ve výrobě solárních modulů, co se týče kvality a rozsahu. Mezi vysoce ziskové oblasti v rámci průmyslového řetězce patří čištění křemíku, střídače, monitorovací systémy a výroba fotovoltaických zařízení. Dosažení průlomů v těchto klíčových oblastech je pro čínský fotovoltaický průmysl výzvou.

Současný stav a budoucí perspektivy výroby solární fotovoltaické energie