Nové trendy v oblasti solárních systémů

Ing. Hana BENEŠOVÁ

Doctoral thesis

Preparation and Analysis of Silicon Thin Films for Tandem Photovoltaic

Abstract:

V souvislosti s celosvětově rostoucí poptávkou po energiích, zmenšujícími se zásobami "tradičních" neobnovitelných zdrojů energie a rostoucím znečištěním životního prostředí nabývají v energetice stále významnějšího postavení obnovitelné zdroje energie (ve zkratce OZE), zejména oblast fotovoltaických (FV) článků. V posledních několika letech je tato v celosvětovém měřítku jedním z nejprogresivněji se rozvíjejících oborů a je pokládána za nejdůležitější technologii 21. století. Roční nárůst instalovaného výkonu FV systémů se celosvětově pohybuje okolo 30 %. Na konci roku 2012 přesáhl celkový instalovaný výkon neuvěřitelných 100 GWp, tj. 100 krát více než roku 1999. Například v roce 2008 to přitom bylo "jen" 14 GWp, z toho v Evropě 9 GWp. Důvodů pro tento stoupající trend je hned několik. Zejména se však jedná o ekologické a ekonomické hledisko. Při provozu FV elektráren nevznikají žádné emise, odpadní vody, radioaktivní látky, ani hluk. Nemusíme se ani obávat účtů za využívání sluneční energie. Příznivá je v současnosti i energetická návratnost výroby FV článků a jejich životnost. Největší nevýhodou energie Slunce je naopak, podobně jako u ostatních OZE, její silná závislost na místně-časových podmínkách, i počasí. Produkce elektrické energie z FV článků je přímo závislá na délce a intenzitě slunečního svitu, míře znečištění ovzduší, atd. Diagram výroby elektrické energie pomocí FV systémů se proto nekryje s průběhem její roční spotřeby. Nejvyšší výroba elektrické energie je v letních měsících, kdy je nejnižší spotřeba. Naopak v zimním období, kdy je spotřeba nejvyšší, je produkce minimální. Přesto lze s ohledem na již zmíněnou rostoucí poptávku po energiích předpokládat, že význam FV ve světové energetice nebude klesat. Spíše naopak. Do budoucna ji lze chápat jako technologii s neomezeným růstovým potenciálem a časově neomezenou možností výroby elektrické energie. Nejedná se však jen o zajímavou technologii, ale i o vyspělé průmyslové odvětví, které pozitivně ovlivňuje nejen obchodní aktivity, ale i zaměstnanost a kvalifikaci vědeckých pracovníků. Cestou jak udržet FV v popředí světové energetiky je a bude výzkum a vývoj nových technologií a materiálů vhodných k výrobě FV článků. V současné době se zaměřuje pozornost v této oblasti zejména na tenkovrstvé (TF) FV články, jimž se podrobněji zabývá tato práce. Její první část ve stručnosti popisuje vývoj spotřeby energií, elektromagnetické záření Slunce a jeho možné využití. Druhá část je úvodem do oblasti FV. Kromě jiného je zde objasněn princip FV jevu, krátce zmíněna historie vývoje FV článků, vysvětlena pásová teorie polovodičů a princip p-n přechodu, který tvoří základ FV článků I. generace. Největší část je věnována TF článkům III. generace, konkrétně článkům tandemovým, a to jak teorii spjaté s touto problematikou, tak především celé řadě experimentů, které byly v rámci disertační práce provedeny. Pokud jde o teoretickou část, tato obsahuje informace o principu tandemových článků p-i-n přechodu, jejich struktuře, materiálech a základních parametrech. Co se týká experimentální části, lze ji rozdělit do dvou částí. První z těchto zahrnuje přípravu křemíkových TF vrstev depoziční metodou PECVD, druhá pak analýzu 26 vlastností těchto vrstev s ohledem na jejich aplikace v oblasti tandemových FV článků. Každá z těchto dvou částí přitom obsahuje nejen celou řadu teoretických informací týkající se použitých experimentálních technik a metod, ale i stručnou charakteristiku přístrojového i softwarového vybavení, popis provedených experimentů, jejich vyhodnocení i zpracování analyzovan

Abstract:

ých dat formou grafů a tabulek. V závěru disertační práce je pak uvedeno shrnutí analyzovaných vlastností TF, zmíněny hlavní přínosy práce a nastíněny další směry ve výzkumu a vývoji tandemových článků, a to včetně důvodů pro jeho pokračování.

Abstract:

The renewable energy sources (abbr RES), mainly the photovoltaic (PV) cells, take more remarkable place in the power engineering in the connection with worldwide increasing energy demand, decrescent reserves of "traditional" non-renewable energy sources and with increasing environment pollution. The PV has been one of the most progressive field world bases of recent years and it is treated as the most important technology in the 21st century. Annual growth of PV systems power capacity moves around 30 %. In the late 2012, power capacity exceeded incredible 100 GWp worldwide, i.e. 100 times more than in 1999. In the 2008 it was only 14 GWp across the world, of it 9 GWp in the Europe There are some reasons for this increasing trend, mainly ecological and economical aspects. Any air pollution, wastewater, radioactive matters and noise don't result from the operation of PV power plant. We need not worry about the Sun energy utilization bill. In this time, the energy pay back time of the PV cells and their lifetime is very friendly. The biggest disadvantage of the Sun energy is, analogous to in the case of other RES, its very strong depend on place-time conditions and weather. Electric power generation in the PV cells depend directly on length and intensity of the sunlight, air pollution level, etc. For this reason, the chart of power generation in the PV systems doesn't agree with year power consumption. The highest electric power generation is in the summer, when the energy consumption is lowest. Vice versa, in the wintertime, when the maximum consumption is, generation is minimum. Despite, it is possible to suppose regarding mentioned increasing energy demand that importance of PV isn't going to decrease. Rather opposite. The PV may be comprehended as technology with indefinite growth potential and time-indefinite possibility of electric power generation. The PV isn't only interesting technology but also high-tech branch, which has positive influence not only on the business activities, also the employment and the researcher's qualification. Facility for the PV maintenance to the fore of the worldwide power engineering is and is going to be development and research of new technologies and materials suitable for the PV cells production. Presently, attention pays to the thin-film (TF) PV, to which this thesis puts brain. The first part of the thesis briefly describes evolution of energy consumption, Sun electromagnetic radiation and its possible utilization. The second part is introduction to PV problematic. There are mentioned principle of PV effect, history of PV cells, band theory of semiconductor and principle of p-n junction the basis of PV cells I. generation, among others. The biggest part of thesis deals with TF cells III. generation specifically tandem cells, both the theory related to this issue, and especially the experiments, which were conducted within this thesis. The theoretical part includes some information about the principle of the tandem cells p-i-n junction, their structure, materials and basis parameters. Regarding the experimental part, it can be divided into 2 sections. The first of these involves preparation of silicon (Si) TFs by the deposition method PECVD. The second devotes to analysis of the 26 TFs performances with respect to their application in tandem cells. Each of these parts contains not only theoretical information about experimental techniques and methods, as well as shortly description of use instrumentation and software, description of these experiments, their evaluation and processing of analysing date in graphs and tables. At the end of the thesis, there is summary of analysing performances of TFs, discussed main benefit of thesis and delineated some directions in research and development of the tandem cells, including the reasons for its continuation.

Keywords

Elektroenergetika, energie Slunce, foton, fotovoltaický článek, tenkovrstvý materiál, p-i-n přechod, amorfní hydrogenizovaný křemík, mikrokrystalický hydrogenizovaný křemík, transparentní vodivý oxid, depozice, PECVD, spektroskopie, RTG difrakce

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 9. 9. 2015

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

University of West Bohemia

Faculty of Electrical Engineering

Doctoral programme / field:
Electrical Engineering and Informatics / Electrical Power Engineering