o výzkumném programu C5
Vedoucí výzkumu: doc. Ing. Pavol Šutta, Ph.D.
Slunce vysílá na naši planetu približne 7500krát více energie než ke své existenci v soucasné dobe potrebuje lidstvo. Není proto divu, že se o slunecním zárení mluví jako o energii budoucnosti. Už nyní zažívá obrovský rozmach. Ten hlavní ale prijde až s rustem cen fosilních paliv a vynálezem spolehlivých úložišt elektriny. A protože tato doba není daleko, hledáme už nyní v rámci programu CENTEM C5 efektivnejší zpusoby absorpce slunecního zárení. Navazujeme na výzkum provádený ve Výzkumném centru Nových technologií (NTC), v nemž se zabýváme vývojem materiálu pro fotovoltaické clánky už nekolik let. Zkoumáme konkrétne materiály pro fotovoltaické clánky druhé generace na bázi amorfního kremíku. Jedná se o clánky vyrobené tenkovrstvou technologií, jejichž tlouštka je zhruba jeden mikrometr. U clánku první generace na bázi monokrystalického kremíku se pritom zacínalo na tlouštce 400 mikrometru a nyní jsou silné kolem 150 mikrometru.
Tenkovrstvé technologie jsou v pohlcování solární energie zatím méne úcinné než clánky první generace. Mají proti nim ale dve zásadní výhody, které jim predurcují budoucí dominanci na trhu. Predností je, že se na ne nespotrebuje tolik aktivního materiálu a muže tak být podstatne levnejší nejen jejich výroba, ale i montáž ci umístení. Clánky totiž bude možné nanést také na tenkou ohebnou fólii. Práve technologie výroby, pri níž by se dosáhlo co nejnižší ceny, je jedním z našich cílu. Dalším cílem je pak tenké vrstvy zdokonalovat, aby mely clánky maximální úcinnost a stabilitu výkonu, již ovlivnuje nekolik faktoru. Mezi ne patrí optimální vodivost a také prusvitnost transparentní vodivé vrstvy (TCO) oxidu zinecnatého, která je krome amorfního kremíku druhou významnou soucástí tenkovrstvých fotovoltaických clánku. Optimální vodivostí a propustností transparentní vodivé vrstvy se snažíme docílit co nejmenších ztrát energie prímo v cláncích. Podarilo se nám docílit svetelné propustnosti 94 procent (akceptovatelná propustnost TCO je kolem 90 procent), pricemž i v optimalizaci vodivosti máme dobré výsledky. Dalším z významných faktoru úcinnosti clánku je tvarování povrchu vodivé vrstvy a svetlo absorbujícího materiálu. Pokud je totiž rozhraní hladké, projde jím paprsek bez výraznejší zmeny smeru, a tedy tou nejkratší cestou. Potrebujeme dosáhnout toho, aby mel paprsek uvnitr clánku co nejdelší dráhu, nebot to zvyšuje pravdepodobnost pohlcení fotonu. Aby k tomu došlo, je nutné, aby paprsek po vniknutí do materiálu zmenil smer. Proto je treba povrch clánku tvarovat a vytvorit na nem jakési pole miniaturních pyramid, v nichž se bude paprsek lámat.
V CENTEM se bude zamerovat i na výzkum materiálu pro fotovoltaické clánky tretí generace. Jsou to rovnež clánky na tenkých vrstvách, avšak používají se nové koncepce. Výzkum bude zameren zejména na absorpcní materiály obsahujících tzv. kvantové struktury, u kterých lze zmenou velikosti techto struktur menit absorpcní schopnosti vrstev. Takové materiály se pak používají v tzv. multispektrálních (neboli tandemových) fotovoltaických cláncích, kde je razeno nekolik absorpcních struktur na sebe. Tím se zvýší úcinnost clánku v dusledku efektivnejšího využití slunecního spektra, jelikož se fotony s ruznou energií absorbují postupne s menšími ztrátami. Cílem našeho týmu je vytvorit v nejbližších letech clánky s výtežností slunecního svitu až 18 procent. Zatím se nám podarilo vyvinout clánky s úcinností kolem 10 procent, pricemž kupríkladu pri fotosyntéze je využita energie slunecního svitu jen z necelého procenta. Fotovoltaické clánky tretí generace mají navíc do budoucna ambice dosáhnout výtežnosti pres 40 procent. Krome „tandemového“ efektu je nutné použít ješte technologii koncentrace slunecního zárení na velmi malou plochu. Tyto clánky ale musí být opatreny sledovacím zarízením, které natácí slunecní panely tak, aby Slunce svítilo vždy kolmo na panel. Predností energie z fotovoltaických clánku je, že získáváním této energie nevznikají žádné zplodiny. Díky tomu, že fotovoltaické clánky neobsahují žádné pohyblivé soucásti a proudící média, nejsou tolik mechanicky namáhané a neprobíhají v nich žádné chemické reakce. Proto jsou vysoce spolehlivé a mají také dlouhou životnost. Jejich nevýhodou je nárocnost na plochu. Práve tenkovrstvé transparentní clánky ale umožnují, aby mohly být na prosklených budovách, a díky své hmotnosti treba i na obrích skladovacích nebo nákupních halách.
Naše úvahy se týkají instalace solárních panelu ve slunných neúrodných oblastech Severní Afriky, z nichž by se vedla elektrina do Evropy kabely pres Stredozemní more. Efektivita provozu panelu by se umístením napríklad v saharské cásti Afriky dále zvýšila. Slunecní zárení je tam totiž mnohem intenzivnejší a také pocet slunecných dní v roce je podstatne vyšší než v Evrope. Jeho rocní vyzárená energie na metr ctverecní dosahuje 2400 kilowatthodin, zatímco ve strední Evrope je to jen polovina.