Fotovoltaika: barevné články s vysokou účinností pro architektonické aplikace
Barevné fotovoltaické články jsou občas používány v architektonických aplikacích. Jejich většímu rozšíření brání mimo jiné výrazně nižší účinnost ve srovnání s články s optimální antireflexní vrstvou. Výzkum je zaměřen na návrh a realizaci antireflexních vrstev, které při požadovaném barevném vjemu budou mít minimalizovánu reflexi v infračervené oblasti.
Výrobní postupy standardních fotovoltaických (FV) článků jsou navrhovány tak, aby při minimálních výrobních nákladech dosáhly maximální účinnosti konverze solární energie na energii elektrickou. Z hlediska optického je cílem minimalizace optické odrazivosti článků v celém využitelném spektru elektromagnetického záření daném optickými vlastnostmi použitého polovodičového materiálu (pro krystalický křemík c-Si 350 až 1200 nm). Dosahuje se toho speciální morfologií povrchu křemíkové desky, která vzniká anizotropním alkalickým leptáním - texturací (struktura náhodných pyramid) a nanesením antireflexní a pasivační vrstvy (např. SiNx, či stechiometrického Si3N4). Po zapouzdření solárních článků do fotovoltaických panelů se tyto články jeví obvykle jako velmi tmavě modré, modrofialové až černé.
Účinnost solárních článků z monokrystalického křemíku s výše uvedenou povrchovou úpravou se v současnosti pohybuje u komerčních výrobků v rozmezí 16 až 17 %.
 Sluneční spektra před (AM0) a po průchodu zemskou atmosférou (AM1.5D - přímá složka záření, AM1.5G - celkové množství dopadajícího záření, tedy včetně difúzní složky) |
 Morfologie křemíkového povrchu po texturaci zobrazená v elektronovém mikroskopu (velikost pyramid 3 až 12 μm) |
Barevné solární články s jednoduchou (anti)reflexní vrstvou
Pro některé aplikace fotovoltaiky, zejména pro aplikace architektonické, jsou požadovány solární panely s barevnými solárními články. Technicky je toho dosaženo jinou morfologií povrchu křemíkového článku a konkrétní "ladění" barvy je provedeno nastavením tloušťky vrstvy Si3N4. Zatímco tloušťka Si3N4 vrstvy pro standardní články se pohybuje v rozmezí 70-75 nm, pro barevné solární články se může měnit v širokém rozsahu od 30 nm do 240 nm. Výsledná (požadovaná) barva je dána jevem interference světla odraženého na tenké vrstvě. "Barva" článku vzniká odrazem vybrané části spektra viditelného světla, které dopadá na jeho povrch.
Je-li pro získání barevného vjemu úmyslně část spektra dopadajícího záření odražena, snižuje se výsledný výkon generovaný fotovoltaickým článkem. Pro modelování vlivu různé tloušťkySi3N4 vrstev (různá spektrální odrazivost solárních struktur) na generovaný výkon fotovoltaických článků byl použit program PC1D [1]. Následující tabulka ukazuje relativní změnu účinnosti článku pro vybrané tloušťky Si3N4 vrstvy odpovídající danému barevnému odstínu článku (hodnoty jsou získány modelováním v uvedeném programu).
| Tloušťka Si3N4 vrstvy | 75 nm texturovaný povrch (reference) | 30 nm | 50 nm | 75 nm | 110 nm | 155 nm | 190 nm | 240 nm |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Barva | tmavě modrá | stříbrná | hnědá | modrá | světle modrá | zlatá | purpur (magenta) | zelená |
| Relativní účinnost | 1,000 | 0,732 | 0,859 | 0,926 | 0,867 | 0,776 | 0,766 | 0,786 |
Z tabulky je patrné, že optimální antireflexní úprava povrchu zvyšuje účinnost FV článku o více než 35 % (srovnání stříbrné a tmavě modré barvy), z čehož na samotnou texturu připadá téměř 10 %. Ve srovnání s optimální variantou je účinnost barevných článků výrazně nižší. Pro nejatraktivnější barvy - zlatá, purpurová a zelená - se pokles účinnosti pohybuje kolem 20 až 23 %. Výrazný pokles účinnosti je hlavním důvodem pro nízké využívání barevných fotovoltaických článků v komerčních aplikacích. Barevné články by přitom mohly přispět k větší atraktivnosti fotovoltaických panelů v architektonických aplikacích.
Jednoduchá (anti)reflexní vrstva však kromě odrazivosti v požadované části viditelného spektra vykazuje relativně vysokou optickou odrazivost i v infračervené (IČ) části spektra (vlnová délka nad 750 nm). Příspěvek odraženého infračerveného záření k barevnému vjemu je nulový, snižuje se však počet fotonů využitelných ke generaci volných nosičů proudu a tím účinnost článku.
Modelovaná optická odrazivost přední strany solárních článků v závislosti na tloušťce (anti)reflexní vrstvy se spektrálně nezávislým indexem lomu n=2,0 v celé využitelné oblasti spektra 300 až 1200 nm je na obrázku 2. Výpočet v tomto případě nezahrnuje interní reflektivitu, tedy vícenásobné odrazy od zadní strany článků. Jedná se o hypotetický případ polonekonečného vzorku, odrazivost reálných článků bude v IČ oblasti (nad 950 nm) mírně vyšší. I za těchto zjednodušených předpokladů dosahuje intenzita odraženého záření ve využitelné části infračerveného spektra v některých případech přes 30 %.
 Fotografie vzorků různě barevných solárních článků |
 Modelované spektrální závislosti optické reflexe pro polonekonečné křemíkové vzorky opatřené vrstvami různé tloušťky s indexem lomu n=2,0 (hodnota blízká indexu lomu stechiometrického nitridu křemíku Si3N4). Barvy jednotlivých čar odpovídají přibližně "barvám" solárních článků. |
Vybrané realizace z článků s jednoduchou (anti)reflexní vrstvou
 Domov mládeže Rožnov pod Radhoštěm - 1,2 kWp, Solartec, nejstarší barevný FV systém v ČR |
 Museu de la Ciencia i de la Técnica de Catalunya, Barcelona, Spain - 25,5 kWp, Solartec |
 Vienna, Austria |
 Vienna, Austria |
Zvýšení konverzní účinnosti barevných solárních článků
Problematika zvýšení výkonu generovaného barevnými články je řešena v projektu FR-TI1/168 "Barevné solární články s vysokou účinností pro architektonické aplikace" v rámci programu TIP Ministerstva průmyslu a obchodu. Na řešení projektu se pod vedením výzkumného oddělení firmy Solartec s. r. o. podílí PřF Masarykova univerzita v Brně, FSI Vysoké učení technické v Brně a Český metrologický institut.
Hlavním cílem probíhajícího výzkumu je návrh a realizace takových barevných solárních článků z krystalického křemíku, aby pokles účinnosti vzhledem k referenčnímu tmavě modrému článku s alkalickou texturou Si povrchu a standardní tloušťkou antireflexní a pasivační vrstvy Si3N4 rovnou 75 nm byl maximálně 10 relativních %. Barevné články by tedy měly dosahovat konverzní účinnosti nad 15 %.
Pro splnění tohoto požadavku je nutno navrhnout takovou skladbu (anti)reflexní vrstvy, aby určité oblasti spektra slunečního záření částečně odrážela pro získání požadované barvy, ale aby se současně minimalizovala odrazivost v celém zbytku spektra využitelného solárním článkem. Toho již nelze dosáhnout jednoduchou (anti)reflexní vrstvou, ale je zapotřebí vícevrstevného optického systému kombinujícího dielektrické vrstvy různých optických vlastností (různé optické hustoty, např. SiO2 a SiNx). Výsledný barevný vjem je v rámci výzkumu nejdříve modelován na základě zvolených parametrů multivrstvého systému. Následně budou vyrobeny vzorky s navrženou strukturou (anti)reflexní vrstvy a změřeny jejich reflexní vlastnosti. Výsledky experimentů zpětně poslouží ke kalibraci numerického modelu. V konečné fázi bude model zahrnovat i vliv použití různé morfologie povrchu Si článků a zapouzdření článku v obvyklé skladbě sklo-EVA-Si-EVA-Tedlar.
 Obrázek: Schéma části optické struktury FV panelu s vícevrstvou (anti)reflexní strukturou |
 Obrázek: Spektrální závislost odrazivosti v kolmém směru pro hladký (bez textury) solární článek s výše uvedenou strukturou (anti)reflexní vrstvy; skladba vrstvy je v každém jednotlivém případě optimalizována pro maximum reflexe na uvedené vlnové délce a minimální celkovou odrazivost. |
Dosavadní výsledky naznačují, že barevný vjem vícevrstvé (anti)reflexní struktury je komplikovanější než v případě vrstvy jednoduché, kromě jiného závisí na úhlu dopadu světla a úhlu pozorování. Závislost barevného vjemu na úhlu pozorování pro vrstvy se spektrální závislostí podle obrázku nahoře je uvedena v následujícím obrázku.
Obrázek: Modelovaná závislost barevného vjemu na úhlu dopadu světla při kolmém pozorování, resp. úhlu pozorování při kolmém dopadu světla pro (anti)reflexní vrstvy optimalizované při kolmém dopadu světla pro uvedenou vlnovou délku.
V infračervené oblasti spektra lze celkovou reflexi částečně snížit rovněž maximalizací interní odrazivosti na křemíkových rozhraních (předním a zejména zadním) pro maximalizaci záchytu světla v Si struktuře (light trapping, resp. light confinement) na základě změny typu morfologie zadního rozhraní. V této souvislosti jsou ověřovány vlastnosti dvou variant designu struktury zadní strany článků. V případě článků se standardní Al sítotiskovou vrstvou na zadní straně je zkoumán vliv alternativní morfologie povrchu, druhu sítotiskové pasty, tiskových a sintračních podmínek, zároveň je nutno zajistit dobrý kontakt k p-typovému substrátu a dobré elektronické vlastnosti, zejména nízkou rychlost povrchové rekombinace. U alternativní technologie solárních článků s dielektrickou pasivací zadní strany a s lokálními kontakty bude zkoumán vliv morfologie povrchu a typu dielektrické pasivace.
Problematika modelování, respektive návrhu struktur solárních článků s vysokou interní odrazivostí, bude zobecněna na základě detekované morfologie povrchu a interakce elektromagnetického záření s tímto povrchem, respektive celou strukturou. Výstupem bude modelovací optický software pro tenkovrstvé i objemové struktury solárních článků.
Na základě výsledků dosažených v předcházejících bodech budou pro použití v praxi vybrány ty antireflexní vrstevnaté systémy, které budou vykazovat zajímavé barvy a zároveň budou co nejméně snižovat účinnost solárních článků.
Závěr
Problematika teoretického návrhu multivrstvých optických systémů je relativně dobře zvládnuta. Specifickým problémem pro uplatnění těchto systémů ve strukturách solárních článků (a jejich komerční využitelnosti) je nutnost komplexního řešení, tedy nejen optimalizace z optického, ale i elektrického hlediska a dále potřeba zvládnout technologické operace depozice jednotlivých dielektrických vrstev velmi přesných tlouštěk. Celková tloušťka multivrstvého systému pro maximální optickou reflexi u vlnové délky 600 nm je 820 nm. Standardní tolerance depozice požadované tloušťky u jedné depoziční várky a po ploše každé Si desky je 2 až 3 %. V tomto případě by tato tloušťková nepřesnost jednotlivých vrstev vedla k odlišnému optickému vjemu, respektive ke zvýšení odrazivosti. Pro tyto aplikace bude muset být toleranční pole výsledných parametrů sníženo pod 1 %.
Poděkování
Tento příspěvek vznikl s podporou národních výzkumných projektů od MPO: FR-TI1/168, 2A-1TP1/075 a MŠMT: 1M06031. Částečně byly výsledky dosaženy v rámci řešení evropského projektu N2P (CP-IP-214134).
Reference
[1] PC1D simulační program: http://pvcdrom.pveducation.org/CHARACT/PC1D.htm
Coloured photovoltaic cells are occasionally used in architectural applications. Their wider utilisation is currently limited by the lower efficiency compared to cells with an optimal anti-reflective coating. Research is focused on desing and manufacturing of anti-reflective coating, which besides of required color will have minimised the reflection in the infrared.