Výroba fotovoltaických článkov pre solárne panely

Základom každej fotovoltaickej inštalácie je vždy fotovoltický modul. Fotovoltaický modul je kombináciou fotovoltaických článkov, ktoré sú navzájom elektricky prepojené. Pojem fotovoltika sa skladá z dvoch slov «foto» (z gréčtiny. Svetlo) a «volt» (Alessandro Volta - 1745-1827, taliansky fyzik) - jednotka merania napätia v elektrotechnike. Pri analýze pojmu fotovoltaika môžeme povedať – je premenou svetla na elektrinu.

Fotovoltaický článok (solárny článok) sa používa na výrobu elektriny premenou slnečného žiarenia. Fotobunku si možno predstaviť ako diódu zloženú z polovodičov typu n a typu p s vytvorenou oblasťou ochudobnenou o nosič, takže neosvetlená fotobunka je ako dióda a možno ju opísať ako diódu.

Pre polovodiče so šírkou medzi 1 a 3 eV možno dosiahnuť maximálnu teoretickú účinnosť až 30 %. Pásmová medzera je minimálna fotónová energia, ktorá môže zdvihnúť elektrón z valenčného pásma do vodivého pásma. Najbežnejšie komerčné solárne články sú pazúrikové prvky.

Monokryštály a polykryštály kremíka. Kremík je dnes jedným z najbežnejších prvkov na výrobu fotovoltaických modulov. Kvôli nízkej absorpcii slnečného žiarenia sa však solárne články z kremíkových kryštálov zvyčajne vyrábajú so šírkou 300 µm. Účinnosť kremíkového monokryštalického fotočlánku dosahuje 17 %.

Ak vezmeme fotočlánok z polykryštalického kremíka, potom je jeho účinnosť o 5% nižšia ako účinnosť monokryštalického kremíka. Hranica zŕn polykryštálu je rekombinačným centrom nosičov náboja. Veľkosť kryštálov polykryštalického kremíka sa môže meniť od niekoľkých mm do jedného cm.

Arzenid gália (GaAs). Solárne články z arzenidu gália už v laboratórnych podmienkach preukázali účinnosť 25 %. Arzenid gália, vyvinutý pre optoelektroniku, sa ťažko vyrába vo veľkých množstvách a je dosť drahý pre solárne články. Používajú sa solárne články z arzenidu gália spolu so solárnymi koncentrátormi, ako aj pre kozmonautiku.

Tenkovrstvová technológia fotobuniek. Hlavnou nevýhodou kremíkových článkov je ich vysoká cena. Dostupné sú tenkovrstvové články vyrobené z amorfného kremíka (a-Si), teluridu kadmia (CdTe) alebo diselinidu medi a india (CuInSe2). Výhodou tenkovrstvových solárnych článkov je úspora surovín a lacnejšia výroba v porovnaní s kremíkovými solárnymi článkami. Preto môžeme povedať, že tenkovrstvové produkty majú perspektívu na použitie vo fotobunkách.

Nevýhodou je, že niektoré materiály sú dosť toxické, takže bezpečnosť produktov a recyklácia zohrávajú dôležitú úlohu. Okrem toho je telurid v porovnaní s kremíkom vyčerpávajúci zdroj.Účinnosť tenkovrstvových fotočlánkov dosahuje 11 % (CuInSe2).

Začiatkom 60. rokov stáli solárne články približne 1 000 USD/W špičkový výkon a väčšinou sa vyrábali vo vesmíre. V 70-tych rokoch sa rozbehla masová výroba fotobuniek a ich cena klesla na 100 $/W.Ďalší pokrok a zlacnenie fotobuniek umožnilo využitie fotobuniek aj pre potreby domácností.Predovšetkým pre časť obyvateľstva žijúcu ďaleko od elektrického vedenia a napr. štandardné napájacie zdroje, fotovoltaické moduly sa stali dobrou alternatívou.

Na fotografii je prvý solárny článok na báze kremíka. Vytvorili ho vedci a inžinieri americkej spoločnosti Bell Laboratories v roku 1956. Solárny článok je kombináciou fotovoltaických modulov navzájom elektricky prepojených. Kombinácia sa volí v závislosti od požadovaných elektrických parametrov, ako je prúd a napätie. Jeden článok takejto solárnej batérie, produkujúci menej ako 1 watt elektriny, stojí 250 dolárov. Vyrobená elektrina bola 100-krát drahšia ako z klasickej siete.

Takmer 20 rokov sa solárne panely používajú len na vesmírne účely. V roku 1977 sa náklady na elektrinu znížili na 76 USD za wattový článok. Účinnosť sa postupne zvyšovala: 15 % v polovici 90. rokov a 20 % do roku 2000. Aktuálne najrelevantnejšie údaje na túto tému —Účinnosť solárnych článkov a modulov

Výroba kremíkových solárnych článkov sa dá zhruba rozdeliť do troch hlavných etáp:

• výroba vysoko čistého kremíka;

• výroba tenkých silikónových podložiek;

• inštalácia fotobunky.

Hlavnou surovinou na výrobu vysoko čistého kremíka je kremenný piesok (SiO2)2). Tavenina sa získava elektrolýzou metalurgický kremíkktorý má čistotu až 98 %. Proces obnovy kremíka prebieha, keď piesok interaguje s uhlíkom pri vysokej teplote 1800 °C:

Tento stupeň čistoty nestačí na výrobu fotobunky, preto sa musí ďalej spracovávať. Ďalšie čistenie kremíka pre polovodičový priemysel sa vykonáva prakticky na celom svete pomocou technológie vyvinutej spoločnosťou Siemens.

«Siemens Proces» je čistenie kremíka reakciou metalurgického kremíka s kyselinou chlorovodíkovou, výsledkom čoho je trichlórsilán (SiHCl3):

Trichlórsilán (SiHCl3) je v kvapalnej fáze, takže sa ľahko oddeľuje od vodíka. Okrem toho opakovaná destilácia trichlórsilánu zvyšuje jeho čistotu na 10 – 10 %.

Následný proces – pyrolýza čisteného trichlórsilánu – sa používa na výrobu vysoko čistého polykryštalického kremíka. Výsledný polykryštalický kremík úplne nespĺňa podmienky pre použitie v polovodičovom priemysle, no pre solárny fotovoltaický priemysel je kvalita materiálu postačujúca.

Polykryštalický kremík je surovina na výrobu monokryštalického kremíka. Na výrobu monokryštalického kremíka sa používajú dve metódy — Czochralského metóda a metóda zónového tavenia.

Czochralského metóda je energeticky aj materiálovo náročná. Relatívne malé množstvo polykryštalického kremíka sa vloží do téglika a roztaví sa vo vákuu.Na povrch taveniny padá malé zrnko monosilikónu a potom sa krútením zdvihne a ťahá valcový ingot za sebou v dôsledku sily povrchového napätia.

V súčasnosti sú priemery ťahaných ingotov do 300 mm. Dĺžka ingotov s priemerom 100-150 mm dosahuje 75-100 cm Kryštalická štruktúra podlhovastého ingotu opakuje monokryštalickú štruktúru semena. Zväčšením priemeru a dĺžky ingotu, ako aj zlepšením technológie jeho rezania sa zníži množstvo odpadu, čím sa znížia náklady na výsledné fotobunky.

Pásová technológia. Technologický postup vyvinutý spoločnosťou Mobil Solar Energy Corporation je založený na vyťahovaní silikónových pásikov z taveniny a vytváraní solárnych článkov na nich. Matrica je čiastočne ponorená do kremíkovej taveniny a v dôsledku kapilárneho efektu polykryštalický kremík stúpa a vytvára pás, tavenina kryštalizuje a je odstránená z matrice. Pre zvýšenie produktivity je navrhnuté zariadenie, na ktoré je možné súčasne prijať až deväť pásov. Výsledkom je deväťstranný hranol.

Výhodou pásov je, že sú lacné, pretože je vylúčený proces rezania ingotu. Obdĺžnikové fotovoltické články sa navyše dajú ľahko získať, pričom okrúhly tvar monokryštalických platní neprispieva k dobrému umiestneniu fotovoltického článku vo fotovoltaickom module.

Výsledné polykryštalické alebo monokryštalické kremíkové tyče sa potom musia narezať na tenké plátky s hrúbkou 0,2 až 0,4 mm. Pri rezaní tyče z monokryštalického kremíka sa stratí asi 50 % materiálu.Tiež okrúhle podložky nie sú vždy, ale často, rezané do štvorcového tvaru.