Votum - Smart Energy

cz





Tenkovrstvé FV technologie

Srovnání a výhody tenkovrstvých technologií ve fotovoltaice

Tenkovrstvé FV technologie se od „klasických“ krystalických c-Si technologií zcela liší vlastní geometrií FV článku, způsobem výroby, použitými výrobními materiály a jejich spotřebou a i dalšími vlastnostmi.
Mezi fotovoltaickou veřejností je zafixován předsudek, že jde o technologie tak mladé, že s nimi není žádna zkušenost.
Ale již v roce 1968 u nás byla vyrobena první tenká vrstva z amorfního křemíku A-Si:H. Vlastní FV technologie na bázi a-Si jsou známy a používají se již od 80. let minulého století. Technologie používané pro laminování tenkovrstvých panelů velmi dobře známe z výroby bezpečnostních skel u automobilů a výloh obchodů.
V širším použití tenkovrstvých FV modulů brání především jistá neinformovanost odborné veřejností a s ní spojené předsudky.
Zatímco c-Si technologie se vyrábějí rozřezáním monokrystalického nebo multikrystalického ingotu na plátky o tloušťce cca. 0,25-0,3 mm, tenkovrstvé technologie vznikají ukládáním jednotlivých vrstev polovodičů na podkladový materiál tak, že vznikne FV článek o tlouštce cca. 2 – 5µm. Nosným materiálem může být sklo, kov nebo plastová folie. Úspory ve spotřebě vstupních materiálů jsou obrovské (~ 1000x nižší než c-Si). Samozřejmě technologie musí být úměrně kvalitní…
V současné době je obrovský vědecký výzkum a vývoj věnován především těmto tenkovrstvým technologiím a proto se s výsledky těchto činností potkáváme denně. LCD a plazmové obrazovky jsou vyráběny právě touto technologií.
Základní technologie tenkovrstvé fotovoltaiky se dělí do několika skupin dle použitých materiálů a jejich možnosti využití slunečního spektra.

Druhy tenkovrstvých FV technologií:

  • Amorfní křemík – a-Si:H (účinnost ETA=4,5 – 9,5%). Zvýšení účinnosti a-Si se dociluje kombinace více vrstev a-Si event. mikrokrystalického (nanokrystalického Si). Každá vrstva je dotována jiným prvkem tak, aby celkové využití energie světla slunečního spektra bylo maximální. Vyrábějí se až 3 polovodičové vrstvy na sobě. Nízká výrobní cena.
  • CIGS – měď-indium-gallium-diselenid (ETA= 8,5 – 12,5%). Tato technologie dociluje nejvyšších účinností v komerčně vyráběných tenkovrstvých FV panelech.
  • CdTe – (ETA 6 – 11%) dosahuje nejvyšších energetických výtěžností ze všech FV technologií. Má veliký potenciál pro dosažení nízkých výrobních cen.
  • Polymerní (organické) FV články (ETA= 2-3%) – potenciál pro velmi levnou a masovou výrobu (tiskařskou technologií). Polopropustné pro světlo, lehké na různých foliích
  • DYE sensitive – laboratorní výroba.¨
  • FV nanostruktury – laboratorní výroba

V roce 2009 se celosvětově vyrobilo cca. 16%- Navigant (SolarBuzz 18-20%) světové výroby tenkovrstvých FV modulů.

Výhody tenkovrstvých (TF) FV technologií:

  1. Vysoká energetická výtěžnost – tenkovrstvé technologie v reálném počasí vyrobí v průměru za rok až o 15% více energie než c-Si. Souvisí to s tím, že při nižších intenzitách slunečního světla relativní účinnost TF FV roste, zatímco u c-Si klesá. A denní rozložení světla je hlavně v nižších intenzitách světla. V ČR je cca. 65 – 70% ročního globálního ozáření složeno z difůzní složky.
  2. Nízká cena – potenciál nízké výrobní ceny je u TF FV značný. Již se vyrábějí tenkovrstvé moduly s cenou pod 0,9USD/Wp a to na vysoké technologické úrovni. Současné relativně nízké ceny FV c-Si jsou ovlivněny vysokou produkcí ingotů c-Si v Číně s vysokou spotřebou dotované elektrické energie.
  3. Nízká teplotní závislost – fotovoltaické technologie jsou velmi závislé na teplotě. S rostoucí teplotou klesá napětí a tím i vyrobený elektrický výkon. U TF FV jsou tepelné koeficienty až 2 x nižší než u c-Si, což je předurčuje k aplikacím např. na střechách a obecně u BIPV (Building Integrated Photovoltaics), kde jsou teploty vysoké.
  4. Vysoká odolnost proti zastínění – c-Si panely jsou velmi citlivé na zastínění každého jednotlivého FV článku. Při zastínění se FV článek začne chovat jako spotřebič a ohrozí funkci celého FV modulu a tím i celého FV řetězce (stringu). TF FV jsou díky jiné technologii podstatně odolnější proti částečnému ale i celkové zastínění. TF moduly mají vysoké napětí (70 – 120 V) a tím se jich umístí do stringu podstatně méně než c-Si.
  5. Nižší citlivost na úhlu dopadu světla na povrch FV modulu – díky vysoké energetické výtěžnosti jsou TF FV moduly méně závislé na orientaci a tudíž umožňují větší spektrum aplikací než c-Si. Od plochých střech přes fasády ale i otevřené instalace s menším úhlem náklonu modulů.
  6. Vysoká samočistící schopnost – většinou se TF FV dodávají na podkladovém skle v bezrámečkové verzi. Čisté sklo a vysoká odolnost proti čáastečnému zastínění umožňují využívat TF FV ve velmi malých úhlech např. na plochých střechách. Nutné Al rámečky v případě c-Si omezují použití těchto modulů na sklony minim. 20°a více a to z důvodu problémů se získaným výkonem v důsledku částečného zastínění nečistotami při spodní hraně rámečku.
  7. Příjemný vzhled, velké moduly – velké moduly TF FV uspoří na instalačních nákladech konstrukcí i na ceně drahých DC elektrických kabelů.
  8. EPBT (Energy Pay-Back Time) – krátká doba návratnosti vložené energie při výrobě. V našich končinách se náklady na výrobu TF FV zaplatí vyrobenou energií již za cca. 1,5 roku. U c-Si za cca. 4 roky. Zde je vidět poměr mezi spotřebovanými prostředky na jednotlivé technologie.

Účinnost za STC:

    Účinnost FV modulu se měří tzv. flasher testem na konci výrobní linky a to krátkým zábleskem světla o intenzitě 1000W/m2 při teplotě 25°C, kolmém dopadu paprsků a profilu světelného spektra odpovídajícímu AM 1.5 (červená oblast) (Standard Test Conditions - STC).
    Tyto podmínky ovšem v našem reálném počasí nikdy neexistují. Pakliže je vysoká úroveň záření, pak je vysoká i teplota modulů a nebo je malý úhel dopadu paprsků. Převládá difúzní světlo nad přímým.
    Jestliže je měřící hodnota intenzity slunečního světla 1000W/m2, pak během roku je největší množství dopadající energie mezi 200W/m2 až 600W/m2. A v těchto oblastech se relativní účinnost TF FV zvyšuje, zatímco u c-Si klesá.
    Z toho vyplývá, že v reálném režimu se podstatně více využije vlastnost tenkovrstvých technologií absorbovat difúzní světlo a z něj vyrábět elektrickou energii. Pojem účinnosti za STC je tudíž velmi zavádějící a pro tenkovrstvé technologie nevýhodný.
    Ve světě invertorů existuje parametr Evropská účinnost – vážený parametr s váhami dle skutečné pracovní charakteristiky invertoru. Kdyby se takto hodnotila účinnost FV modulů, byl by to údaj říkající podstatně více informací.

Ing. Roman Čada
VOTUM s.r.o.