S technologickým pokrokom a rozširovaním priemyslu náklady na výrobu energie z fotovoltaiky (FV) neustále klesajú, čo ju stavia do kľúčového zdroja energie pre udržateľný rozvoj v budúcnosti.
Kľúčové komponenty fotovoltaickej technológie
Jadrovou súčasťou technológie výroby fotovoltaickej energie sú solárne fotovoltaické články. Vývoj solárnych fotovoltaických článkov možno rozdeliť do troch generácií. Prvá generácia pozostáva zo solárnych článkov na báze kremíka, druhá generácia zahŕňa tenkovrstvové solárne články a tretia generácia zahŕňa nové technológie, ako sú vysokokoncentrované fotovoltaické články (HCPV), organické solárne články, flexibilné solárne články a farbivom senzibilizované solárne články. V súčasnosti na trhu dominujú solárne články na báze kremíka, zatiaľ čo tenkovrstvové články postupne získavajú podiel na trhu. Väčšina článkov tretej generácie, s výnimkou HCPV, je stále vo fáze výskumu.
Solárne články na báze kremíka
Spomedzi solárnych článkov na báze kremíka je technológia monokryštalického kremíka najvyspelejšia. Účinnosť a náklady týchto článkov sú primárne ovplyvnené výrobným procesom, ktorý zahŕňa kroky ako odlievanie ingotov, krájanie doštičiek, difúzia, textúrovanie, sieťotlač a spekanie. Solárne články vyrobené týmto konvenčným procesom zvyčajne dosahujú účinnosť fotoelektrickej konverzie 16 – 18 %.
Monokryštalické kremíkové solárne články majú najvyššiu účinnosť konverzie, ale sú aj najdrahšie. Polykryštalické kremíkové solárne články ponúkajú dobré zníženie nákladov priamou výrobou veľkých štvorcových kremíkových ingotov vhodných pre hromadnú výrobu. Tento proces je jednoduchší, šetrí energiu, zachováva kremíkový materiál a vyžaduje nižšiu kvalitu materiálu.
Zníženie nákladov na solárne články možno dosiahnuť dvoma hlavnými stratégiami: znížením spotreby materiálu (napr. znížením hrúbky kremíkových doštičiek) a zvýšením účinnosti konverzie. Medzi metódy na zvýšenie účinnosti patrí zvýšenie absorpcie svetla (napr. textúrovanie povrchu, antireflexný povlak, zníženie šírky prednej elektródy), zníženie rekombinácie fotogenerovaných nosičov (napr. pasivácia emitora) a minimalizácia odporu (napr. lokalizované dopovanie, technológia zadného povrchového poľa).
Najvyššia zaznamenaná účinnosť konverzie monokryštalických kremíkových solárnych článkov je 24,7 %, ktorú dosiahol solárny článok so štruktúrou PERL z Univerzity Nového Južného Walesu. Medzi kľúčové technologické vlastnosti patrí nízka koncentrácia dopovania fosforom na povrchu kremíka na zníženie povrchovej rekombinácie, vysoká koncentrácia difúzie pod prednými a zadnými povrchovými elektródami na vytvorenie dobrých ohmických kontaktov a použitie fotolitografie na zúženie predných povrchových elektród, čím sa zväčšuje plocha absorpcie svetla. Táto technológia však ešte nebola industrializovaná.
Medzi ďalšie techniky na zlepšenie účinnosti patria články s drážkovanou textúrou od spoločnosti BP Solar a technológia zadného kontaktu (EWT). Prvá z nich dosahuje účinnosť 18,3 % vďaka laserovému drážkovaniu, ktoré zmenšuje šírku predných elektród a zvyšuje absorpciu svetla. Druhá technológia dosahuje účinnosť 21,3 % presunutím predných elektród dozadu, čím sa zväčšuje plocha absorbujúca svetlo.
Tenkovrstvové solárne články
Hoci kryštalické kremíkové solárne články dominujú vďaka svojej vysokej účinnosti, výrazné zníženie ich nákladov je náročné kvôli vysokej cene kremíkového materiálu. Tenkovrstvové solárne články, ktoré spotrebúvajú menej materiálu, sa ukázali ako nákladovo efektívna alternatíva. Medzi hlavné typy tenkovrstvových článkov patria tenkovrstvové články na báze kremíka, články z teluridu kadmia (CdTe) a články z meďno-indiovo-gáliumselenidu (CIGS).
Tenkovrstvové články na báze kremíka majú hrúbku iba 2 mikrometre, pričom sa používa približne 1,5 % kremíkového materiálu potrebného na kryštalické kremíkové články. V závislosti od počtu PN prechodov môžu byť tieto články jedno-, dvoj- alebo viac-prechodové, pričom každý z nich je schopný absorbovať rôzne vlnové dĺžky slnečného žiarenia. Najvyššia účinnosť jedno-, dvoj- alebo viacprechodových článkov je okolo 7 %, zatiaľ čo dvoj-prechodové články môžu dosiahnuť 10 %.
Tenkovrstvové CdTe články ponúkajú vyššiu účinnosť (až 12 %) vďaka svojim dobrým vlastnostiam absorpcie svetla. Karcinogénna povaha kadmia a obmedzené prírodné zásoby telúru však predstavujú dlhodobé výzvy pre rozvoj.
Tenkovrstvové články CIGS sa považujú za budúcnosť vysokoúčinnej technológie tenkých vrstiev. Úpravou výrobného procesu je možné zlepšiť ich absorpciu svetla, čo vedie k vyššej účinnosti konverzie. V súčasnosti dosahuje laboratórna účinnosť 20,1 %, zatiaľ čo komerčné produkty dosahujú 13 – 14 %, čo z nich robí najefektívnejšie medzi tenkovrstvovými článkami.
Bunky tretej generácie
Teoreticky môžu články tretej generácie dosiahnuť vysokú účinnosť konverzie. S výnimkou HCPV je väčšina stále vo fáze výskumu. Články HCPV zvyčajne používajú polovodičové materiály III-V, ktoré majú vyššiu tepelnú odolnosť a udržiavajú si vysokú účinnosť konverzie pri vysokom osvetlení. Viacprechodové štruktúry umožňujú týmto článkom presne sa prispôsobiť slnečnému spektru s teoretickou účinnosťou až 68 %. Komerčná výroba môže dosiahnuť účinnosť nad 40 %.
Solárne články sú zapuzdrené do modulov a ich použitie závisí od ich charakteristík a požiadaviek trhu. Medzi skoré aplikácie patrili komunikačné základňové stanice a satelity, neskôr sa rozšírili do obytných oblastí, ako sú napríklad solárne strechy. V týchto scenároch obmedzené inštalačné plochy a potreby vysokej hustoty energie uprednostňovali kryštalické kremíkové moduly. S rozvojom rozsiahlych solárnych elektrární a fotovoltaiky integrovanej do budov (BIPV) viedli cenové úvahy k zvýšenému využitiu tenkovrstvových článkov. Environmentálne a klimatické podmienky tiež ovplyvňujú prijímanie rôznych technológií.
Aplikácie solárnej fotovoltaickej technológie
Premena slnečného žiarenia na využiteľnú elektrinu si vyžaduje kompletný solárny fotovoltaický systém. Solárne fotovoltaické články tvoria základ tohto systému, ktorý zahŕňa aj invertory, batérie, monitorovacie systémy a distribučné systémy.
Klasifikácia a zloženie fotovoltaických systémov
Solárne fotovoltaické systémy sa klasifikujú ako nezávislé od siete alebo viazané na sieť. Systémy nezávislé od siete môžu byť samostatné alebo hybridné.
Samostatné systémy sa zvyčajne používajú v odľahlých oblastiach, v komunikačných základňových staniciach a solárnych pouličných lampách, pričom sa úplne spoliehajú na slnečnú energiu. Zahŕňajú solárne moduly, invertory, ovládače, batérie, distribučné systémy a ochranu pred bleskom. Batérie a ovládače výrazne ovplyvňujú náklady a životnosť systému. Hybridné systémy kombinujú slnečnú energiu s inými zdrojmi, ako sú dieselové generátory alebo veterné turbíny.
Systémy pripojené k sieti, bežne používané pre solárne strechy a rozsiahle fotovoltaické elektrárne, nevyžadujú skladovacie zariadenia, čo znižuje náklady. Medzi tieto systémy patria solárne moduly, invertory, distribučné systémy, ochrana pred bleskom a monitorovacie systémy. V súčasnosti systémy pripojené k sieti tvoria 80 % všetkých solárnych aplikácií.
Iné technológie výroby fotovoltaickej energie
Okrem technológie solárnych článkov sú pre systémy výroby fotovoltaickej energie kľúčové aj invertorové technológie, integrácia do siete, skladovanie a inteligentné monitorovanie:
Výstupný výkon solárnych článkov sa mení v závislosti od intenzity slnečného žiarenia, čo spôsobuje prerušovanosť. Integrácia rozsiahlej siete môže mať vplyv na sieť, a preto je nevyhnutné riadiť sieť a chrániť ju pred ostrovným fungovaním.
Výstup solárneho modulu je jednosmerný prúd (DC), ktorý si vyžaduje vysoko kvalitnú konverziu na striedavý prúd (AC) pomocou meničov.
Výstupný výkon modulu môže byť ovplyvnený faktormi, ako je teplota a tieňovanie, čo si vyžaduje monitorovanie systému a poplašné systémy.
Technológia diaľkového ovládania je nevyhnutná pre fotovoltaické elektrárne v odľahlých oblastiach.
Čína je lídrom vo výrobe solárnych modulov z hľadiska kvality a rozsahu. Medzi vysokoziskové oblasti v rámci priemyselného reťazca patrí čistenie kremíka, invertory, monitorovacie systémy a výroba fotovoltaických zariadení. Dosiahnutie prelomov v týchto kľúčových oblastiach je pre čínsky fotovoltaický priemysel výzvou.
Súčasný stav a budúce perspektívy výroby solárnej fotovoltaickej energie
Vzhľadom na vysoké náklady sa výroba solárnej fotovoltaickej energie vo veľkom rozsahu nerozvinula až do konca minulého storočia. S príchodom 21. storočia, so zlepšenou účinnosťou a rýchlo klesajúcimi nákladmi, zaznamenala výroba solárnej fotovoltaickej energie rýchly rast, pričom inštalovaný výkon sa každoročne zvyšuje. Globálny ročný inštalovaný výkon sa zvýšil z 1,4 GW v roku 2000 na 22,8 GW v roku 2009. Európske krajiny ako Nemecko, Taliansko a Španielsko sú hlavnými trhmi, pričom EÚ plánuje do roku 2020 zvýšiť podiel solárnej energie na 12 % z celkovej dodávky elektriny. Rozvojové krajiny ako Čína a India tiež spustili plány rozvoja solárnej energie. Okrem komunikačných základňových staníc, solárnych striech a fotovoltaických elektrární sa výroba solárnej energie v súčasnosti široko používa v rôznych mobilných zariadeniach.
Technológia solárnej fotovoltaiky sa ako doplnkový a alternatívny zdroj energie rýchlo rozvíja s klesajúcimi nákladmi na jej výrobu. Vďaka neustálemu technologickému pokroku sa solárna energia ako čistý a obnoviteľný zdroj stáva kľúčovým zdrojom energie pre trvalo udržateľný rozvoj.
