Solárny článok z teluridu kademnatého

Solárne články s vrstvou CdTe sú druh tenkovrstvových článkov, patrili medzi nádejné zdroje premeny slnečnej energie na elektrickú. Nevyžadujú prípravu krehkých polovodičových platničiek tak ako u kremíkových článkoch. Článok môže byť nanesený ako tenká vrstva polovodiča na pružnej a ohybnej fólii z plastu, ktorú možno pohodlne zvinúť a ľahko skladovať. V praxi bol telurid kademnatý nanášaný na sklenenné dosky. Momentálne je táto technológia zastaralá.

CdTe fotovoltaické panely

Vrstvy CdTe pre slnečné články pripravené elektrochemickou metódou.

Elektrochemickou metódou možno pripraviť polykryštalické vrstvy CdTe s vysokým stupňom zrnitosti a výraznou textúrou. Takto možno vyrobiť vrstvy s vodivosťou P a vrstvu vodivosti N. Možno vytvárať Schottkyho diódy Au-CdTe(N), kde CdTe nanášame na niklovú podložku. Tieto články dosiahli účinnosť iba 1,5%. Heterogénne prechody CdS(N)-CdTe(P), zhotovené na sklených podložkách a osvetľované zo strany CdS, sa vyznačovali citlivosťou pri energiách fotónu 1,5 až 2,4 eV.

Telurid kademnatý.

CdTe je vzhľadom k veľkosti šírky zakázaného pásu – 1,5eV a vysokému absorpčnému koeficientu kvôli priamym medzipásmovým prechodom, považovaný za nádejný materiál solárnych článkov. Vážnou prekážkou k masovejšiemu využitiu v praxi sú nedostatočné zásoby telúru v zemskom povrchu. Pri určitých elektrotechnických aplikáciách sa však vynikajúco uplatňuje. Vzhľadom k priamemu zakázanému pásu CdTe pre fotovoltaické aplikácie obvykle úplne stačia hrúbky vrstiev len 1,2 až 1,5μm. Pri lacnej príprave takýchto vrstiev, bude výroba daného druhu solárnych článkov ekonomicky výhodná. Jeho teplota topenia je 1092°C.

K príprave vrstiev CdTe bolo vyvinutých niekoľko postupov, z ktorých najvyvinutejšie sú

CSVT (Close-Spaced Vapour Transport), CSS (Close-Spaced Sublimation), SP (Screen Printing) a ED (Electro-Deposition).

Metóda elektrochemického nanášania (ED) má niekoľko výhod. Predovšetkým je lacná. Pracuje pri nízkych teplotách, voľbou depozičného potenciálu možno pripraviť vrstvy N, alebo P, a je možné ich počas prípravy dopovať zavedením potrebných iónov do roztoku.

Fotoelektrické vlastnosti Schottkyho diód.

Pri dopade žiarenie vhodnej vlnovej dĺžky vzniká fotovoltaický jav, ktorý je spôsobený voľnými minoritnými nosičmi prúdu generovanými v oblasti priestorového náboja i mimo nej. Elektrón i diera sa pohybujú v elektrickom poli opačnými smermi.V oblasti priestorového náboja dochádza k ich rekombinácii. Len asi 10% nosičov generovaných v oblasti priestorového náboja prispieva k fotoelektrickému prúdu. To je zrejme príčinou nízkej účinnosti fotovoltaických článkov.

Vrstvy na sklenených podložkách pokrytých filmom SnO₂.

Závislosť citlivosti heteroprechodu CdS-CdTe na jednotlivé spektrálne zložky slnečného svetla.

Vrstvy na sklenených podložkách pokrytých filmom SnO₂, prípadne ITO, poskytujú možnosť využitia „okienkového javu“ s užším a širším zakázaným pásmom. Na prípravu fotočlánku bola použitá vrstvička SnO₂ s odporom 10Ω/na štvorec plochy, nanesenej na kovarové sklo. Fotovoltaický článok pozostával z heteroprechodu CdS(N)-CdTe(P), kde sírnik kademnatý predstavoval polovodič so širším zakázaným pásom (2,4eV).

Záver.

Metódou elektrochemického nanášania boli pripravené polykryštalické vrstvy CdTe jednak na niklových podložkách a jednak na sklenených podložkách pokrytých svetlopriepustným vodivým filmom SnO₂ a vrstvou CdS. Ukázalo sa, že vhodnou voľbou potenciálu možno vyrobiť vrstvy CdTe obojakého typu elektrickej vodivosti. Týmito článkami sa zaoberajú firmy v Japonsku, v Indii v Španielsku, v Francúzsku a niekoľko pracovísk v USA (The University of Texas at Arlington; ISET, Inglewood, California a AMETEK, Harleysville, Pensylvania). Slnečné články pripravované kompletne metódou elektrochemickej depozície boli získané v USA a dosiahli už účinnosť 10%. V roku 1990 začali pracovníci ISET v Kalifornii pripravovať fotovoltaické články CdS-Cd_1-xZn_xTe, dvojstupňovým procesom. Táto technika používa elektrochemické nanášanie tenkých vrstiev Cd, Zn a Te na podložku a následnú vzájomnú reakciu týchto vrstiev tepelným temperovaním v inertnej atmosfére. Dosiahnuté výsledky sú veľmi sľubné, už teraz majú takto vyrobené fotovoltaické články účinnosť porovnateľnú s tými článkami, ktoré sú bežne vyrábané na báze príslušného monokryštálu. S vrstvami Cd_x1-xZnTe sa celkom isto počíta vo vysokoúčinných tandemových štruktúrach slnečných konvertorov.

Budúci vývoj fotovoltaických článkov.

Závislosť účinnosti ή (experimentálneho fotovoltaického článku – predpokladaná a dosiahnutá výška), na šírke zakázaného pásma použitého polovodiča.

V praxi najpoužívanejším materiálom je kremík, ktorého monokryštalická podoba s vysokým stupňom čistoty materiálu je veľmi drahá. Vývoj hľadá preto aj iné alternatívy.

Prevádzané práce sú zamerané takto:

• zníženie hrúbky PN prechodu za súčasného lepšieho využitia krátkovlnnej zložky slnečného žiarenia. Citlivosť fotovoltaického článku s použitím rôznych polovodičových materiálov. Dosiahlo sa už 17%.
• zavedenie dodatkového prechodu pp+, ktorý znižuje straty rekombináciou nosičov fotovoltaického prúdu. Dosiahla sa účinnosť 18%.
• zväčšenie ohybu svetla vytvorením mikroskopických ihlanov na povrchu prechodu. Zníži sa tak odraz svetla a predlžuje sa optická dráha žiarenia. Dosiahla sa účinnosť 19%.
• výskum materiálov s veľkou šírkou zakázaného pásma, ako je to u SnO₂, In₂O₃, CdS, GaP a ďalších. Dosiahla sa účinnosť 10 až 12%, čo je málo povzbudzujúce.
• zato veľké očakávania sa vkladajú do viacvrstvových článkov s priehľadnými elektródami. Jednotlivé materiály by sa mali sklada o množstve rôznych zakázaných pásiem, ktoré by umožnili využiť viac spektrálnych zložiek slnečného žiarenia. Zatiaľ sú len teoretické predpoklady pre dvojstupňovú kaskádu že sa dosiahne účinnosti 36% a pri trojstupňovej sa očakáva až 42%. Zatiaľ u dvojstupńových vzoriek vyvinutých v USA, sa dosiahlo účinosti okolo 24%.
• zväčšenie výstupného výkonu slnečných článkov sa dá dosiahnuť i koncentráciou žiarenia pomocou šošoviek, alebo zrkadiel.

Najnovšími a súčasne najmodernejšími koncentrátormi optického žiarenia sú v súčasnej dobe tzv. luminiscenčné transformátory.

Literatúra

• Valvoda V., Toušková J., Kindl D.: Elektrochemical deposition of CdTe Layers. Their structure and Electrical Properties. Cryst. Res.Technol. 21 (1986), č.8, str.975.
• Toušková J., Kindl D.,Toušek J.: Schottky Photocells on Elektrodeposited CdTe Layers. Phys. Stat. Sol.(a) 98, K 197.
• Kindl D., Toušková J.,: Charge Transport Study in Thin Au-CdTe Schottky Diodes. Phys. Stat. Sol (a) 106 (1988), str. 297.

Externé odkazy

Astronomický portál Hviezdny portál Portál slnečná sústava

• Technológia CdTe na stránkach National Renewable Energy Laboratory