Ogniwa słoneczne wykonane w technologiach cienkowarstwowych z uwagi na zmniejszoną materiałochłonność stanowią alternatywę dla ogniw wykonanych w technologii krzemowej. Do ogniw typu cienkowarstwowego zaliczamy: ogniwa z krzemu amorficznego, ogniwa CIS (CIGS) oraz CdTe/CdS. Produkcja cienkowarstwowych ogniw słonecznych z krzemu amorficznego wymaga stosowania metod próżniowych prowadzonych w niższych temperaturach ok. 250°C. W tej technologii zużywa się małą ilość materiału, gdyż warstwy mają grubość mniejszą niż 1μm. Rozwijającą się technologią na rynku jest cienkowarstwowa technologia ogniw CIS.
Technologia ogniw CIS (CIGS) otwiera możliwości produkcji ogniw odpornych na zabrudzenia. Według doniesień literaturowych ogniwa CIS wykazują wyższy stopień konwersji fotowoltaicznej w warunkach miejskich niż ogniwa wykonane w technologii multikrystalicznego krzemu. Obserwuje się intensywny rozwój fotowoltaiki cienkowarstwowej. Stała się ona jednym z najbardziej dynamicznie rozwijających się obszarów techniki ostatnich lat. Początkowo obserwowano rozwój ogniw fotowoltaicznych drugiej generacji, na co miał wpływ spadek cen urządzeń stosowanych do wytwarzania cienkich warstw i powłok. Obecnie coraz większego znaczenia nabiera fotowoltaika organiczna i fotowoltaika z wykorzystaniem nanotechnologii tzw. trzecia generacja. Wprowadzanie cienkowarstwowych innowacyjnych elementów do procesów technologicznych w znaczący sposób wpływa na podstawowy parametr służący do oceny jakości ogniwa, jakim jest jego efektywność. Innym trendem są zmiany, jakie następują w rodzaju podłoży będących elementami nośnymi każdej ze struktur cienkowarstwowych oraz optymalizacja parametrów elektrod przewodzących, pasywacyjnych czy powłok antyrefleksyjnych.
Występują przewagi konkurencyjne ogniw cienkowarstwowych nad ogniwami z krzemu krystalicznego. Po pierwsze istnieje możliwość budowy ogniw z bardzo różnorodnych materiałów. Nowoczesne systemy wielowarstwowe o wielu złączach umożliwiają osiąganie rekordowych wydajności ok. 40 %. Na rysunku 1.1 pokazano związek między wydajnością ogniw a kosztami ich wytwarzania [1]. Ponadto technologie warstwowe pozwalają na wytwarzanie systemu fotowoltaicznego na różnorodnych podłożach, w tym na podłożach elastycznych wrażliwych na wysokie temperatury [2] . Znaczenie ma też obniżenie masy paneli [3], co ma szczególne znaczenie w przypadku instalacji na dachach budynków czy w przestrzeni kosmicznej. Absorbery cienkowarstwowe mają wyższy współczynnik absorpcji niż w przypadku materiałów monokrystalicznych. Technologie cienkowarstwowe nie wymagają wysokiej temperatury a energochłonność procesu jest znacznie mniejsza. Stwarza to niskokosztową możliwość otrzymywania systemów wielkogabarytowych również na elastycznych podłożach. Technologie cienkowarstwowe stosowane są w produkcji paneli PV na bazie absorberów z amorficznego uwodornionego krzemu (a-Si:H), CIS/CIGS (siarczek miedziowo-indowy CuInSe2 lub CuInSe2 domieszkowany galem). Coraz więcej odnotowuje się komunikatów o nowym absorberze polikrystalizcnym Cu2ZnSnS4 (kesteryt), który zawiera ogólnodostępne i tanie pierwiastki [4].
Rysunek 1.1. Związek między wydajnością ogniw a kosztami wytwarzania dla pierwszych trzech generacji ogniw słonecznych: (I) c-Si, (II) cienkowarstwowe, (III) zaawansowane cienkowarstwowe [1]
Zmodyfikowane struktury CIGS w skali laboratoryjnej osiągają sprawność 20.8% [5]. Zaobserwować można wzrost produkcji paneli PV na cienkowarstwowych strukturach CdS/CdTe [6,7]. CdTe posiada przerwę wzbronioną 1,45eV leżącą w okolicy teoretycznego maksimum fotogeneracji.
Produkcja cienkowarstwowych ogniw fotowoltaicznych w początkowym okresie obejmowała panele z warstwami amorficznego uwodornionego krzemu w oparciu o technologie chemicznego nanoszenia w obecności plazmy (PECVD). Raporty Komisji Europejskiej potwierdzają rosnący udział w rynku (rysunek 1.2) cienkowarstwowych ogniw krzemowych [8]. Zaproponowano również rozwiązanie hybrydowe wykorzystujące zarówno technologie monokrystalicznego krzemu jak i zaawansowane technologie cienkowarstwowe typowe dla ogniw z amorficznego krzemu. W panelach HIT – (Heterojunction with Intrinsic Thin layer) wykorzystuje się struktury p-i-n na bazie a-Si:H (Moduły Panasonic o wydajności ponad 24%).
Według ostatnich doniesień możliwe jest osiągniecie ponad 13,4% sprawności dla trój-złączowego ogniwa a-Si:H (LG Electronics). Niskie koszty technologii krzemu amorficznego wynikają z obniżonej temperatury procesu nawet poniżej 200oC. Typowe technologie to dekompozycja silanu w procesie PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition: 13,56 MHz). Możliwe jest też wykorzystanie tej technologii na podłożach elastycznych (roll-to-roll). W licznych odmianach technologii krzemowych ogniw słonecznych ważną rolę odgrywa wytwarzanie warstw pasywacyjno-antyrefleksyjnych oraz powłok grzewczych, które pełnią funkcje usuwania śniegu i szronu w celu zapewnienia możliwości fotokonwersji w słoneczne dni poprzedzone opadami śniegu i osadzaniem szadzi.
Rysunek 1.2. Rozwój ogniw słonecznych wszystkich generacji wg. Raportu Komisji Europejskiej [9]
Bibliografia
- Green M.A.,Third generation Photovoltaics, Sringer Verlag, 2003
- Qingfeng Lin, Hongtao Huang, Yan Jing, Huiying Fu, Paichun Chang, Dongdong Li, Yan Yao and Zhiyong Fan, Flexible photovoltaic Technologies, J. Mater. Chem. C, 2014, 2, 1233-1247.
- Stapiński T., Marszałek K., Lipiński M., Panek P., Szczepanik W., Investigations of solar panels with anhanced transmission glass, Microelectronicmaterials and technologies, Vol.1, 288-297, 2012.
- Dimitrievska, A. Fairbrother, A. Pérez-Rodríguez, E. Saucedo, V. Izquierdo-Roca, Raman scattering crystalline assessment of polycrystalline Cu2ZnSnS4 thin films for sustainable photovoltaic technologies: Phonon confinement model, Acta Materialia 70 ( 2014) 272-280.
- http://solarlove.org/cigs-solar-cell-efficiency-record-set-20-8/
- Ferekides C.S., Mamazza R., Balasubramanian U., Morel D.L., Transparent Conductors and Buffer Layers for CdTe Solar Cells, Thin Solid Films, vol. 480–481, 224–229, 2005.
- Wu X., High-efficiency Polycrystalline CdTe Thin-film Solar Cells, Sol. Energ., vol. 77, 803–814, 2004.
- Jeager-Waldau A., European Commission, PV Status Report 2012, 2012.
http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg
