Proč se v solárních článcích používá křemík?

Solární panely se v posledních několika desetiletích výrazně zefektivnily. V roce 1954 měly první komerčně životaschopné panely od Bellových laboratoří účinnost pouze 6 procent. Od té doby se účinnost panelů dramaticky zvýšila a dosahují jednoho rekordu za druhým; například v lednu 2016 Národní laboratoř pro obnovitelné zdroje energie a Švýcarské centrum pro elektroniku a mikrotechnologii dosáhly téměř 30procentní hranice.

K tomuto dlouhodobému trendu směrem k užitečnějším solárním technologiím přispělo mnoho výrobních vylepšení. Důležitým nedávným vývojem bylo rozsáhlé použití černého křemíku ke zvýšení absorpce slunečního světla.

Co je černý křemík?

Fyzici z Harvardské univerzity vynalezli nový materiál, který by mohl přinést skutečný průlom v digitální fotografii, výrobě fotobuněk, přístrojů pro noční vidění atd. Vynálezci jej nazvali černý křemík – stejný křemík, ale se zvýšenou úrovní absorpce světla ve viditelném a infračerveném spektru. Ve skutečnosti je tento materiál supercitlivý na světlo: je 100 až 500krát citlivější než běžné křemíkové detektory.

Takový materiál se získává úpravou křemíku laserovým paprskem přes vrstvu plynu – fluorid sírový. Když se poté podíváte na povrch křemíku, můžete vidět, že povrch plátku je pokryt mnoha velmi jemnými částicemi.

Pokud jste někdy nosili celočerný kus oblečení za obzvlášť horkého slunečného dne, pak jste pravděpodobně na vlastní kůži zažili, jak jsou tmavé materiály magnety na teplo: Ve srovnání se světlejšími barvami černé oblečení absorbuje více světla. Totéž platí pro solární panely. Je zde však důležitý rozdíl: černý křemík se stává „černým“ speciálním procesem leptání spíše než barvením spojeným s výrobou oděvů. Postup zahrnuje použití vysokoenergetických laserových pulzů, oxidačních činidel, kyseliny fluorovodíkové a/nebo mokrého leptání kovu k vytvoření nanotextur na povrchu křemíkového plátku. Naproti tomu tradiční krystalický křemík má zcela hladký povrch.

Proč jsou tyto nanotextury prospěšné?

To, co dělá super černé solární články tak výjimečnými, je jejich schopnost absorbovat až 99,7 % slunečního záření. To znamená, že od povrchu solárních článků se odráží pouze 0,3 % dopadajícího světla, což je lepší než typický antireflexní povlak v tradiční technologii solárních panelů.

Vlnité povrchy černého křemíku umožňují absorbovat sluneční světlo během dne. Zejména krystalický křemík má optimální absorpci pouze tehdy, když je slunce na samém zenitu, protože účinnost panelu je nejvyšší, když fotony dosáhnou panelu kolmo; Černý křemík dokáže efektivně zachytit energii z různých úhlů a díky své struktuře lépe zachycuje odražené světlo a světlo s kratší vlnovou délkou. Existují významné rozdíly v provedeních černého křemíku, přičemž volby týkající se rovnováhy odrazivosti a účinnosti jsou zvláště důležité pro optimalizaci účinnosti panelu. Fotony mohou uvíznout v mnoha vrcholech a údolích černého panelu, a proto se stanou nepoužitelnými pro přeměnu energie.

Výroba černého silikonu využívá sofistikovanou nanotechnologii. Nanotechnologie v posledních letech nabírá na síle. Nanotechnologie je věda, inženýrství a technologie vyvinuté v nanoměřítku, tedy od 1 do 100 nanometrů. Jeho aplikace slouží k redesignu téměř všeho, co známe, od medicíny po autodíly a nyní i solární panely. Nanotechnologie otevřela zcela novou úroveň toho, jak věci navrhujeme.

Efektivní design, počínaje atomovou úrovní, nám umožňuje být mnohem efektivnější při vývoji nových technologií. Protože se vše děje v nanoměřítku, geometrie nanotextury se může lišit. Malé změny na nanoměřítku mají velký dopad na makroměřítko. Různé společnosti vyrábějící solární panely vyrábějící panely nové generace tak ke svým nanostrukturám přistupují různě. Například hustota, zúžení a délka nanodrátů ovlivňují optický odraz a absorpci modulu.

Protože různé vrstvy solárního článku jsou velmi malé, vlnová délka světla vnímá článek jako jedinou strukturu. Proto je odraz malý. Při použití nanotechnologického přístupu k vývoji super černých silikonových článků je hlášen nárůst účinnosti o 0,4 %.

U nového typu procesu je toto číslo účinnosti velkým krokem vpřed, ale s rozvojem technologie se očekává další optimalizace. Vývoj této technologie trval dlouho, protože průmysl musel překonat řadu technických výzev. Jednou z hlavních výzev bylo udržet nanostrukturu neporušenou během procesu dopování křemíku. Doping je extrémně důležitou součástí výroby křemíkových článků. Zahrnuje přidávání nečistot do vnitřních polovodičů, aby se změnily jejich vlastnosti při vysokých teplotách.

Jaké další výhody může poskytnout černý křemík?

Protože černý křemík nevyžaduje antireflexní vrstvu, lze jej obvykle vyrobit s nižšími náklady než běžné panely, které to vyžadují. Existuje také mnoho experimentálních použití černého křemíku, které by mohly zlepšit jeho použitelnost. Například leptání lze provádět jako jednostranný proces s hladkou zadní stranou, což je ideální pro některé specifické vysoce výkonné rozvržení. Pasivace, což je aplikace vnější vrstvy sloučeniny, jako je oxid hlinitý, na černý křemík, je dalším způsobem, jak zlepšit účinnost snížením počtu záchytných oblastí.

Desetinásobné snížení odrazu znamená, že do článku pronikne o 3 % více užitečného světla, čímž se o tuto hodnotu zvýší účinnost článku. Solární panel vyrobený ze super černých křemíkových článků bude produkovat více energie než standardní křemíkové solární panely, protože odráží méně světla. Funguje také lépe, když je slunce pod nízkým úhlem, zejména ráno a odpoledne.

Jak černý křemík ovlivňuje životnost solárního článku?

Konstrukční výhody a rozmanité využití černých křemíkových panelů lze nejlépe považovat za jednu z mnoha inovací, které přinesly technologii solárních panelů do hlavního proudu. Swansonův zákon uvádí, že ceny solárních fotovoltaických článků klesají o 20 % při každém zdvojnásobení výrobní kapacity.

Zvyšování účinnosti a cenové dostupnosti solárních panelů je zásadní pro dlouhodobou udržitelnost trhu se solární energií. Společnost Trina Solar je v čele vytváření inovativních řešení solárních článků z černého křemíku, která kombinují vynikající účinnost s estetickým designem. Produkty, jako jsou temně černé monokrystalické články, mohou poskytnout významný výkon v malých střešních prostorech. Navíc osvědčená reálná spolehlivost nabídek Trina, stejně jako jejich podpora a záruky, poskytují zákazníkům nejlepší možnou návratnost investic.

Kdo vyrábí černé křemíkové solární panely?

Americká společnost Natcore je držitelem licence na proces vývoje černého křemíku. Jejich hlavní zájem však spočívá v antireflexních vlastnostech černého křemíku. Řada dodavatelů Tier 1 investuje do přechodu na černé křemíkové solární panely.

Jednou z takových společností je Canadian Solar, která jako první převedla celou svou vícečlánkovou kapacitu na černý křemík – to je více než 4 GW! V komerční výrobě byly schopny dosáhnout účinnosti 19 %. Canadian Solar nabízí černé křemíkové solární panely o výkonu od 290 do 300 wattů. Panely mají také 5 přípojnic místo obvyklých 2 a produkují o 9 % více energie než běžné moduly. Účinnost modulu se pohybuje od 17,72 % do 18,33 % v závislosti na zvoleném panelu. Rám modulu je také kompletně černý, což doplňuje černý vzhled křemíkových článků. Do konstrukce solárních panelů také začlenili technologii PERC. PERC je zkratka pro Passivated Emitter and Rear Cell. PERC umožňuje výrobcům solárních panelů dosáhnout vyšší účinnosti panelů než použití standardních solárních článků.

GCL je další společností zabývající se solárními panely Tier 20,78, která investuje do černého křemíkového hnutí. Společnost nedávno uvedla, že pomocí této technologie dosáhla účinnosti panelu XNUMX %.

Společnost LG Energy přijala technologii černého křemíku a vydala modul Neon 2 Black. Neon 2 Black je jedním z nejprodávanějších modulů LG Energy z řady zřejmých důvodů, protože obsahuje pokročilé technologie pro maximalizaci účinnosti panelu. Modul Neon 2 Black má maximální výstupní výkon 320 W a účinnost 18,7 %.

LG Energy využívá svou patentovanou technologii s 12 přípojnicemi, které shromažďují energii generovanou solárními články. Tato technologie zvyšuje výkon panelu a zlepšuje spolehlivost. Více kolektorů proudu snižuje elektrický odpor, čímž zvyšuje účinnost panelu maximalizací výstupního výkonu. Tenčí přípojnice také znamenají menší zastínění panelů a díky své jedinečné konstrukci odrážejí světlo zpět na panel, čímž dále zvyšují účinnost modulu.

Panel LG Neon 2 Black také generuje o 2,7 % více energie než multimoduly typu P v podmínkách vysoké teploty a nízkého ozáření. LG Energy si je tímto modulem natolik jistá, že po 86 letech provozu zaručuje výkon 25 %.

Společnost Trina Solar aplikovala technologii černého křemíku ve čtyřech různých řadách solárních modulů. Řada Tallmax M PLus má maximální účinnost 18,8 % a velikosti modulů se pohybují od 335 W do 365 W. Tyto moduly mají také černou zadní vrstvu, ale modely jsou k dispozici se standardní bílou zadní vrstvou. Řada Tallmax M Plus DD05A.08 (II) má maximální účinnost 19,2 % s výstupním výkonem v rozsahu od 280 W do 315 W. Více se dozvíte na stránce solárních produktů Trina.

Sun Power, americká společnost vyrábějící solární fotovoltaické systémy, používá technologii černého křemíku ve svých solárních panelech řady X. Černý křemíkový modul řady X má maximální výkon 335 W a účinnost 21 %! Tyto moduly jsou rovněž vyrobeny pomocí licencované technologie Sun Power Maxeon, přičemž solární články jsou postaveny na odolné měděné základně. To dodává panelu dodatečnou pevnost, omezuje korozi a praskání.

doplňující informace

1. Stáhněte si článek o černém křemíku pro solární články
2. Black Silicon: Je toho víc, než se na první pohled zdá

Kromě klasických monokrystalických a polykrystalických panelů se před několika lety začaly stávat velmi populární solární články z amorfního křemíku. Dlouhou dobu se prakticky nepoužívaly, důvodem byla extrémně nízká účinnost. S přechodem na technologii výroby tenkých vrstev se však produktivita A-Si výrazně zvýšila. Dnes je jejich široké použití založeno na úspěšné kombinaci nízkých nákladů.

Krystalické a amorfní křemíkové panely – hlavní rozdíly

Navzdory použití stejného polovodičového materiálu – křemíku – ve všech třech typech baterií mají Moni-Si, Poli-Si a A-Si jeden důležitý konstrukční rozdíl. Skládá se ve formě povrchu absorbujícího fotony.

1. Moni-Si. V monokrystalických článcích jsou jehličkovité povrchy krystalů umístěny ve stejném úhlu. Z tohoto důvodu je při striktně vertikálním dopadu paprsků úroveň generování takových buněk maximální, ale při sebemenší odchylce úhlu od 90° účinnost prudce klesá.
2. Poli-Si. Díky odlišné technologii pěstování krystalů jsou jejich absorbující plochy umístěny v různých směrech. To mírně snižuje koeficient absorpce sluneční energie pro přímý dopad paprsků, ale zvyšuje jej pro úhlový dopad.
3. A-Si. Solární články vyrobené z amorfního křemíku mají „volný“ povrch, který pod elektronovým mikroskopem připomíná pěnu. Jeho hlavní výhodou je téměř konstantní míra absorpce, bez ohledu na úhel sklonu ke slunci a azimutu k němu. Za jasného počasí je tato kvalita negativní. Ale v regionech s převahou zamračených dnů je průměrná roční produktivita A-Si dobrá. Navzdory poměrně nízké (ve srovnání s poly- a monokrystalem) nominální účinnosti.

Poslední typ baterií je také účinnější v podmínkách neustálého znečištění životního prostředí a také v oblastech s častými prachovými bouřemi.

Stručná historie zlepšování panelů z amorfního křemíku

Jako polovodič tento materiál poprvé upoutal pozornost vědců až v 1980. letech minulého století. Takovou pozornost si zasloužila pro řadu unikátních vlastností, mezi ty hlavní patří snadná výroba a schopnost vytvářet vodivé povrchy libovolné velikosti.

Nejprve se amorfní křemík používal výhradně v elektronických zařízeních a teprve koncem 20. století byly vyrobeny první fotovoltaické články na jeho bázi. Během následujících 20 let vznikly tři generace A-Si solárních článků, z nichž každá výrazně převyšovala tu předchozí.

• První generací jsou buňky s jedním přechodem. Navíc – levná výroba. Nevýhodou je životnost cca 10 let a účinnost menší než 5 %.
• Druhá generace je vylepšenou modifikací dřívějších modelů. Plus – zvýšená životnost až 20 let. Nevýhodou je stále nízká účinnost kolem 8 %.
• Třetí generace je zásadně nová technologie. Amorfní křemík se začal ukládat na substráty odpařováním s následnou kondenzací. Navíc jsou nové panely flexibilní a odolné. Mínus – účinnost ještě nedosáhla úrovně krystalické fotovoltaiky, i když stoupla na 14-16%.

I s touto účinností však A-Si baterie začaly konkurovat monokrystalickým a polykrystalickým protějškům. Typický je jeden z experimentů Institutu vysokých teplot (IVTAN) v Moskvě. V jedné z budov byly instalovány dva typy panelů – monokrystalické a amorfní. V metropoli nacházející se ve středně vysokých zeměpisných šířkách vygenerovaly oba typy baterií za rok:

• A-Si – 726 kW*h / 1 kW;
• Moni-Si – 689 kWh / 1 kW.

Nominální účinnost prvního byla přitom pouze 14,8 % a druhého 22,9 %.

Samostatně stojí za vyzdvihnutí hybridní technologie heterostrukturních baterií, kdy jsou solární články tvořeny jak na bázi amorfního křemíku, tak i krystalického křemíku. Tento přístup umožňuje zvýšit produkci při extrémně vysokých a nízkých teplotách, stejně jako za špatných světelných podmínek (ve srovnání s mono/poly) a za normálních podmínek vytvářet více než jen čistý amorfní křemík. Tuto technologii pro výrobu solárních panelů využívá mimo jiné tuzemská společnost Hevel.

Výhody a nevýhody amorfního křemíku – stručný přehled

Mezi hlavní výhody takových solárních panelů patří:

1. Minimální teplotní koeficient. Vysoké teploty nemají na účinnost A-Si panelů prakticky žádný vliv. Pokud u monokrystalů zahřívání pracovního povrchu nad 25 °C vede k poklesu účinnosti o 0,5 % na každý stupeň, pak u tenkých amorfních filmů to není pozorováno.
2. Vysoká úroveň generace při slabém osvětlení. V podmínkách oblačnosti, rozptylu světla prachem nebo plyny a nízkém slunci je A-Si o 15-20 % produktivnější než Poli-Si a Moni-Si. Pokračují ve výrobě energie i při silném dešti, kdy produkce mono- a polykrystalů klesne téměř na nulu.
3. Neviditelnost. Strukturální vlastnosti, malá tloušťka a absence krystalové mřížky způsobují, že solární panely vyrobené z amorfního křemíku vypadají jako průsvitný polymerní film. Podobné vlastnosti mají i nadějné modely jiných typů tenkovrstvých baterií, ty jsou však mnohem méně účinné.
4. Žádné manželství. Výrobní postup A-Si nevyžaduje použití pájení, které je nejslabším místem tradičních typů fotovoltaiky. Přes jejich nízkou cenu, vysokou rychlost a snadnost výroby se s defektními amorfními fóliemi prakticky nikdy nesetkáváme.
5. Špatná odezva na částečné zastínění. Další obrovský problém tradičních solárních elektráren, který nijak neovlivňuje amorfní křemík. Vrhání stínu na jakoukoli část A-Si panelu má malý vliv na jeho výkon.

Jedinou nevýhodou tohoto typu baterií je stále nedostatečná hustota výkonu. Ale pravděpodobnost, že v příští generaci dosáhne účinnosti solární baterie asi 20 %, je velmi vysoká.

Aplikace

Oblasti použití panelů z amorfního křemíku jsou dány jejich hlavními výhodami. Nejčastěji se A-Si fólie doporučují pro použití v následujících případech:

• významné znečištění ovzduší a/nebo prach;
• výskyt nepříznivých povětrnostních podmínek, zejména častá oblačnost a srážky;
• vysoké průměrné roční okolní teploty;
• potíže nebo technická nepraktičnost instalace panelů v optimální poloze vzhledem ke slunci;
• při pokusu o použití polovodičových prvků jako průsvitných skel nebo filmů – v moderním světě poměrně běžné designové rozhodnutí.

Jako hlavní zdroj energie jsou amorfní křemíkové baterie stále neúčinné. Jako alternativní dodavatel – zejména ve spojení s bateriemi – je však jejich použití stále častější.