Efficiency of photovoltaic panels - Perovskite photovoltaic cells

Getting your Trinity Audio player ready...

Na zemskou plochu dopadá sluneční záření s různou intenzitou. Maximální hodnota solárního záření je zjednodušeně dána geografickou polohou, kdy nejvyšších hodnot dosahuje v okolí rovníku. Hodnotu slunečního záření definujeme množstvím energie, která dopadána jeden metr čtvereční. Hodnotu záření uvádíme jako Globální horizontální záření (Global Horizontal Irradiation GHI). Tato hodnota se vyjadřuje v jednotkách kWh/m². Tyto hodnoty se počítají především jako průměry za nějaké časové období.

Účinnost solárního panelu tedy znamená kolik množství slunečního záření jsme schopni přetvořit na elektrickou energii vyjádřenou v procentech.

Pro Českou republiku je maximální hodnota slunečního záření okolo 1000 W/m². Pokud budeme počítat s aktuální běžnou účinností fotovoltaického panelu 20%, jsme schopni získat maximální hodnotu 200 W/m². Tedy fotovoltaický panel velikosti 1m x 1m získáme hodnotu 200Wp (Watt-peak, neboli maximální možný výkon).

Pro další informace ohledně slunečního záření doporučuji shlédnout přednášku profesora V. Bendy z ČVUT:

Konstrukce fotovoltaických článků se skládá z polovodičového přechodu PN. Postupem času se technologická výroba posouvá od jedno-přechodových křemíkových článků k vícevrstvým a používají se další materiály. V laboratorních podmínkách může účinnost takovýchto článků dosahovat až 47%.

V následujícím grafu vidíte porovnání vývoje jednotlivých technologií výroby fotovoltaických článků. Modře jsou znázorněny křemíkové články. Fialově vícevrstvé fotovoltaické články a Galium-Arsenid články, které mají více přechodů PN. Oranžově Perovskit články. A zeleně tenkovrstvé články a amorfní články.

Křemíkové články

Fotovoltaické články na bázi krystalického křemíku jsou známy již řadu let a jsou aktuálně nejpoužívanější technologií pro výrobu fotovoltaických panelů. Za roky vývoje se postupně zlepšuje jejich účinnost o řádově jednotky procent. Jejich hlavní výhodou je zvládnutý technologický postup a dlouhá životnost.

Pro výrobu článku se používají tenké nařezané křemíkové plátky nařezány z mono/poly krystalu. Ze dvou plátků se pak vytvoří P-N přechod, N vrstva se vytvoří tenkým nanesením fosforu.

Amorfní křemíkové články se pak vytvářejí ve vodíkové atmosféře a lze tak vyrábět mnohem tenčí P-N přechody. Tyto články nemají tak vysokou účinnost, ale lze je aplikovat na ohebné materiály.

Maximální teoretická účinnost jednovrstvých křemíkových článků je něco málo nad 30% (Shockleyův–Queisserův limit). V praxi se však dosahuje nižší účinnosti v roce 2023 okolo 23%.

Výhody křemíkových článků:

• zvládnutý technologický proces
• nízká degradace = vysoká životnost
• nízký obsah vzácných kovů

Nevýhody křemíkových článků:

• nízká účinnost
• energetická náročnost výroby křemíkových krystalů
• vyšší cena

Galium-Arsenid články

Konstrukce i výroba těchto článků je velmi podobná výrobě křemíkových článků, jen místo křemíku je použit jiný materiál a to právě Arsenid gallitý.

Výhody Galium-Arsenid článků:

• vyšší účinnost oproti křemíkovým článkům
• možnost vytvořit až 4 vrstvé články

Nevýhody Galium-Arsenid článků

• menší životnost, více oxiduje
• velmi vysoká cena
• nižší dostupnost materiálu oproti křemíku

Perovskit fotovoltaické články

Pokud alespoň trochu sledujete dění okolo solárních panelů a obnovitelných zdrojů, asi jste již slyšeli o Perovskit solárních panelech. Podíváme se blíže co to vlastně tyto panely jsou a kdy si je tedy koupíme?

Perovskit je minerál (oxid vápenato-titaničitý), který se pro účely solárních panelů nanáší v tenkých vrstvách s různými dalšími příměsemi, které ovlivňují na jakou část světelného spektra bude vrstva reagovat. Pomocí těchto vrstev lze složit fotovoltaický článek s teoretickou účinností přes 45%.

Jaké jsou tedy výhody Perovskit fotovoltaických článků oproti křemíkovým článkům?

Výhody Perovskit článků:

• vyšší účinnosti
• možnost skládat více vrstev na sebe
• ohebná fólie
• snadná výroba pomocí tisku
• nižší cena

Nevýhody Perovskit článků:

• pro jednotlivé vrstvy použití vzácných kovů
• nižší životnost

Proto, aby jednotlivé vrstvy reagovaly na určitou část světelného spektra je zapotřebí přidávat vzácnější kovy, což znesnadňuje jejich recyklaci a výrobu. Oproti křemíkovým článkům naopak mají tenčí vrstvu a je zapotřebí materiálnu méně. Technologie výroby je pak založena na nanášení tenkých vrstev na podklad.

Perovskit fotovoltaické články hůře snášejí vlhkost a různé povětrnostní vlivy, nyní se hledá řešení jako tyto nevýhody co nejvíce eliminovat. Vývoj jde rychle dopředu a účinnost i životnost těchto panelů již dosahuje potřebné parametry pro první produkční nasazení.

Více o vývoji Perovskitových článků najdete v níže uvedených videích:

Kdy si tedy budeme moci Perovskitové panely koupit?

Podle dostupných zdrojů, by se do výroby měli první panely dostat již v roce 2023. Takže je jen otázkou času, kdy se dostanou tyto panely do maloobchodního prodeje. Lze očekávat nejprve nasazení v pilotních projektech, aby se ověřily vlastnosti těchto článků v reálném provozu. Do této technologie půjdou nemalé investice a pokud se vyřeší problémy se životností a s potřebou vzácných kovů, nic nebude bránit v navyšování produkce těchto článků. Oproti tomu křemíkové články mají již zavedený výrobní proces a distribuci a jejich životnost je již lety ověřena.

Zdroje:

Wiki, YouTube, NREL

http://www.odbornecasopisy.cz/elektro/casopis/tema/konstrukce-a-vyroba-fotovoltaickych-clanku-a-panelu–10310