Solární články z krystalického křemíku - základní technologie současné fotovoltaiky

ÚVOD

Fotovoltaika, tj. přímá přeměna energie slunečního záření na elektrickou energii, má dnes ve světové energetice nezastupitelné místo. Instalovaný výkon fotovoltaických systémů ve světě již přesáhl úroveň 3 GWp. Fotovoltaika se stala jedním z nejrychleji se rozvíjejícím oborem (v celosvětovém měřítku) s ročním nárůstem instalovaného výkonu převyšujícím 30%. Z hlediska vývojových trendů se význam fotovoltaiky jako energetického zdroje neustále zvyšuje.

Od svého objevu v roce 1839 do roku 1940 byl fotovoltaický jev zajímavým objektem pro fyzikální bádání. Až s rozvojem polovodičové technologie (zejména po zvládnutí přípravy monokrystalického Si), se začíná uvažovat o možném využití jako zdroj energie pro kosmický výzkum.

Křemík je velmi vhodný materiál pro výrobu solárních článků, protože z hlediska šířky zakázaného pásu je u křemíku možno dosáhnout velmi vysoké účinnosti generace volných nosičů, jak je patrno z obr. 1. Zároveň u křemíku, jako základního materiálu pro mikroelektroniku se podařilo velmi dobře zvládnout všechny operace potřebné k vytváření struktur.

Obr. 1 - Účinnost generace volných nosičů

Intenzivní výzkum v této oblasti je patrný z obr. 2, zachycující zvyšování účinnosti křemíkových FV článků v období 1950 - 2000. Od poloviny sedmdesátých let jsou FV články využívány rovněž pro civilní aplikace jako na síti nezávislý zdroj energie. Odtud vzniká potřeba hromadně vyráběných levných FV článků, které mohou být ekonomicky konkurence schopné vůči ostatním zdrojům energie.

Obr. 2 - Vývoj účinnosti FV článků z krystalického Si

KONSTRUKCE A TECHNOLOGIE KŘEMÍKOVÝCH FV ČLÁNKŮ

Náhradní schéma fotovoltaického článku je znázorněno na obr. 3. Z tohoto přiblížení je zřejmé, že k dosažní maximálního výstupního výkonu je třeba dosáhnout maximální generovaný proud I_FV, minimalizovat sériový odpor R_s a dosáhnout velký svodový odpor R_p. Přitom je třeba použít takové technologie, které umožňují dosáhnout nízkou výrobní cenu při vysoké účinnosti a vysoké spolehlivosti.

Obr. 3 - Náhradní schema FV článku

V první řadě je třeba dosáhnout maximální proud I_FV, tj zajistit maximální generaci nosičů v objemu článku, jejich sběr přechodem PN a minimalizovat rekombinaci jak v objemu článku, tak povrchovou rekombinaci.

Dalším krokem je minimalizace elektrických ztrát způsobených sériovým odporem R_s, zároveň s dosažením maximální účinné plochy článku, pomocí optimalizace sběrnice.

Rychlý růst účinnosti článků na počátku padesátých let (viz obr. 2) je spojen s nalezením základních principů konstrukce a technologie článků, tj. optimalizace polohy přechodu PN a zvýšení generace nosičů v objemu FV článku pomocí antireflexní vrstvy. Základní konstrukce FV článků této generace je znázorněna na obr. 4.

Obr. 4 - Konstrukce článku s rovinným povrchem a antireflexní vrstvou

Tato konstrukce byla užívána až do poloviny osmdesátých let. V tomto relativně dlouhém období byla postupně zdokonalována technologie (příprava výchozího materiálu, jednotlivé technologické operace, metody kontaktování, pouzdření do modulů), což se projevilo v postupném zvyšování účinnosti a snižování cen vyráběných článků.

Další vývoj technologie v druhé polovině osmdesátých let je spojen se zdokonalením funkce antireflexní vrstvy pomocí texturace povrchu. V roce 1994 byla realizována dokonalá struktura s minimální odrazivostí u struktury PEARL (viz obr.5) pomocí anisotropního leptání přes oxidovou masku na výchozím (1,0,0) monokrystalickém Si. U této struktury byla dosažena účinnost 24%.

Obr. 5 - Struktura PERL súčinností 24%

Texturace povrchu pomohla k výraznému zvýšení účinnosti sériově vyráběných článků na současných 16-18%.

Dalším důležitým krokem bylo nahrazení vakuově deponovaných (napařovaných či naprašovaných) kontaktů kontakty realizovanými sítotiskovou metodou. Pomocí této techniky byla výrazně zjednodušena a zlevněna technologie článků (odstranění fotolitografie). Současná běžně používaná struktura FV článků je znázorněna na obr 6.

Obr. 6 - Struktura současných článků z krystalického křemíku

Velmi důležitý je rovněž výchozí materiál - destičky krystalického křemíku. Počátek výroby FV článků byl spojen s monokrystalickým (CZ) křemíkem. Potřeba snižování ceny vstupního matriálu vedla v sedmdesátých letech k vývoji bloků multikrystalického křemíku (řízené tuhnutí taveniny v blocích). Tato technologie přispěla k úsporám materiálu a snížení investičních nákladů, na druhé straně náhodná orientace krystalických zrn neumožňuje texturaci povrchu alkalickým leptáním a hranice zrn zvyšují ztráty rekombinací. Vývojem texturace anisotropním kyselým leptáním a pasivací hranic zrn vodíkem se podařilo značně přiblížit účinnost článků z multikrystalického křemíku účinnosti článků z křemíku monokrystalického.

Technologie obou typů článků je velmi podobná. Monokrystalické nebo multikrystalické ingoty musejí být rozřezány na destičky o tloušťce cca 0,3 mm, povrch destiček zhmožděný řezáním musí být odleptán. Příprava destiček je relativně nákladná operace, při které je znehodnoceno téměř 50% materiálu ingotu. Z tohoto důvodu byla vyvinuta technologie přípravy pásků z multikrystalického křemíku o tloušťce cca 0,3 mm šířce až 150 mm a délce několika metrů ve formě oktagonálních dutých hranolů metodou EFG. Tyto pásky jsou pak rozřezány laserem na rozměry výchozích destiček. Při tomto postupu se ztrácí pouze 10% materiálu, je však vzhledem k určité nerovnosti povrchu větší výmět při nanášení kontaktů sítotiskem.

Zdokonalování technologie a zavádění hromadné výroby se projevilo ve výrazném snižování ceny křemíkových FV článků, které od počátku devadesátých let začaly být hromadně využívány pro FV systémy připojené k rozvodné síti. Vývoj ceny FV článků je znázorněn na obr. 7.

Obr. 7 - Cenový vývoj v období 1960-2000.

Velký vliv na cenu produkce má efekt hromadné výroby, kdy řádové zvýšení produkce má za následek snížení ceny na polovinu. Vývoj cen fotovoltaických modulů v závislosti na objemu produkce je znázorněn na obr. 8.

Obr. 8 - Vývoj cen v závislosti na objemu produkce

Velkou předností článků z krystalického křemíku je relativně vysoká účinnost, vysoká spolehlivost a dlouhá životnost (více než 20 let), která činí články z krystalického křemíku atraktivní pro použití v systémech pro výrobu elektrické energie. Přes velké prostředky vkládané do výzkumu a vývoje tenkovrstvých technologií, podíl článků z krystalického křemíku na celkové výrobě v období 1990-2005 neustále roste, jak vyplývá z grafu na obr. 9.

Obr. 9 - Podíl krystalického křemíku na celkové produkci fotovoltaických článků

Obr. 10 - Podíl jednotlivých typů výchozího materiálu na celkové produkci.

Současný podíl typu výchozího materiálu na celkové produkci článků z krystalického křemíku je znázorněn na obr. 10. V cenových relacích je rovněž velmi zajímavý vývoj v relaci mezi cenou výchozího materiálu (Si destiček) a cenou technologického procesu Tento vývoj je demonstrován údaji v tabulce 1.

Tabulka 1 - Podíl ceny křemíkové destičky na ceně FV článku

Z uvedených údajů vyplývá, že v období 1985-1995 byl vývoj zaměřen především na zlevnění technologického procesu (odstranění drahých operací, např. fotolitografie). V období 1995-2005 se technologický proces stabilizoval a cílem se stalo zlevnění vstupního materiálu. V tomto období např. poklesla energetická náročnost přípravy monokrystalického CZ křemíku ze 100 kWh/kg na 40 kWh/kg. Současný stav je znázorněn na diagramu na obr. 11.

Obr. 11 - Současná struktura nákladů na výrobu FV článků z krystalického Si

TRENDY V OBLASTI ČLÁNKŮ Z KRYSTALICKÉHO KŘEMÍKU

Základním trendem je neustálé snižování výrobních nákladů na jedné straně a zvyšování účinnosti a životnosti článků na straně druhé, což se výsledném efektu promítne do snižování výsledné ceny instalovaného výkonu. Jedná se zejména o

• Snižování energetické náročnosti přípravy krystalického Si
• Snižování spotřeby křemíku - snižování tloušťky Si destiček a prořezu a to ze současné tloušťky destičky 300μm při prořezu 250μm na úroveň tloušťky destičky 180μm při prořezu 160μm
• Snižování materiálové náročnosti, zejména spotřebu stříbra (pasty) a dalších drahých materiálů
• Zvyšování kapacity automatizovaných linek
• Zvyšování výtěžnosti (cílově na 90%)
• Zvyšování spolehlivosti a životnosti modulů. Výhledovým cílem je prodloužení životnosti modulů ze současných 20 let na 30 let.

Cenové limity v USD/W_p pro jednotlivé typy článků z krystalického Si jsou uvedeny v tabulce 2.

Tabulka 2 - Předpokládané cenové limity u FV článků z krystalického Si

Cena modulů v oblasti 1 EUR/W_p je již velmi ekonomicky zajímavá pro rozvoj fotovoltaiky jako standardního energetického zdroje budoucnosti.

Současný cenový vývoj je poněkud ovlivněný trhem (poptávka převyšuje výrobní kapacity), další vývoj snižování energetické náročnosti výroby a vývoj nových technologií naznačují, že limity uvedené v tabulce nemusejí být konečné.

Současný vývoj technologie naznačuje, že krystalický křemík zůstane nejdůležitějším materiálem pro výrobu fotovoltaických článků minimálně do roku 2010, a to vzhledem k pokračujícímu snižování cen vstupního materiálu, snižování energetické náročnosti a dalšímu zdokonalování technologie a s ohledem na vysokou spolehlivost a životnost modulů s články z krystalického křemíku.

Tento příspěvek byl prezentován v rámci 2. české fotovoltaické konference.

LITERATURA

J. Marshall and D. Malinovka: Photovoltaic and Photoactive Materiále - Properties, Technology and Applications, Kluwer Academic Publisher 2002
T. Markwart and L Castaner: Solar Cells, Elsvier, 2005
Centrotherm Photovoltaics - Solar Cell Processing, 2005
EPIA Roadmap - www.epia.org