Schválené projekty 2014

Rozdělení přidělené dotace z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum po fakultách se zohledněním celoškolských pracovišť na rok 2014

Celková přidělená částka z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum na VŠB-TUO - 50 638 tis.Kč

Z toho 2.5%  - 1 265 950 Kč - úhrada způsobilých nákladů spojených s organizací SGS

fakultapřidělená částka v tis. Kč
FBI  1 186
EKF  5 453
FAST  3 351
FS 11 385
FEI 12 892
HGF  5 937
FMMI  7 377
CNT  1 791
CELKEM 49 372

 

KódSP2014/86
Název projektuOptické modelování a charakterizace křemíkových nanostruktur pro fotovoltaické aplikace
ŘešitelGelnárová Zuzana Ing., Ph.D.
Školitel projektudoc. Dr. Mgr. Kamil Postava<br />
Období řešení projektu01.01.2014 - 31.12.2014
Předmět výzkumuNavrhovaný projekt je podáván v rámci doktorského studia odpovědné řešitelky projektu Ing. Zuzany Mrázkové. Její doktorské studium probíhá pod dvojím vedením v rámci programu co-tutelle na Centru Nanotechnologií (CNT), VŠB-TU Ostrava a Laboratoire de Physique des Interfaces et Couches Minces (LPICM), École Polytechnique ve Francii.

S neustále se tenčícími zásobami fosilních paliv a nerostných surovin roste potřeba trvale udržitelné výroby energie a stále větší pozornost je věnována využití obnovitelných zdrojů. Jedním z takovýchto zdrojů je i sluneční energie. Fotovoltaická zařízení umožňují přímou konverzi solární energie na energii elektrickou [1]. Aby byla tato zařízení na trhu konkurenceschopná, je klíčové snížení výrobních nákladů na každý watt elektrické energie. Toho může být dosaženo jednak snížením celkových nákladů na výrobu solárních panelů, jednak zvýšením účinnosti konverze solární energie na elektrickou [2, 3]. Proto je důležité věnovat úsilí hledání nových materiálů, struktur a návrhů konstrukcí, které mohou posunout hranice současných solárních článků. Nejnovější vývoj komplexních materiálů a nanostruktur pro fotovoltaiku s sebou přináší i potřebu jejich podrobné charakterizace a pokročilého modelování.

V současnosti na trhu dominují solární články na bázi krystalického křemíku. Křemík je materiál hojně a dlouho využívaný polovodičovým průmyslem, a tedy i intenzivně studovaný, což vede ke stále lepšímu poznání jeho vlastností, zefektivnění postupů jeho výroby a zdokonalení zařízení z něho vyráběných. Vývoj ve fotovoltaickém průmyslu směřuje ke krystalickým a polykrystalickým křemíkovým článkům s texturovaným (drsným) povrchem. Texturování má pozitivní vliv na výslednou účinnost solárního článku, protože přispívá k výraznému snížení reflektivity díky rozptylu a prodloužení optické dráhy světla uvnitř článku [4]. Aby bylo dosaženo ještě účinnějšího zachycení dopadajícího slunečního záření, přidává se obvykle tenká antireflexní (AR) vrstva. Správná tloušťka a optické vlastnosti AR vrstvy jsou klíčové pro minimalizaci množství odraženého světla a zvýšení účinnosti solárního článku [5]. Nízká odrazivost a vysoký rozptyl dopadajícího záření u texturovaných vzorků však značně komplikují optickou charakterizaci jednotlivých vrstev těchto vzorků.

Speciálním případem hojně využívaných textur jsou náhodně rozmístěné pyramidy. Pro přípravu takovéto textury se využívá například mokré anizotropní leptání křemíku pomocí chemikálií na bázi hydroxidu draselného (KOH), při kterém je dosaženo různých leptacích rychlostí v různých krystalografických směrech [4]. Výsledkem jsou stejně orientované pyramidy pravidelného tvaru, ale různých velikostí náhodně distribuované na povrchu substrátu. Použitá metoda přípravy je jednoduchá a efektivní a získané modulované povrchy mají dobré optické vlastnosti.

V poslední době se věnuje stále více pozornosti studiu solárních článků s radiálním polovodičovým přechodem na bázi křemíkových nanodrátků. Principem takovýchto článků je oddělení směru, ve kterém dochází k absorpci světla, od směru separace nosičů náboje. Křemíkové nanodrátky jsou připravovány pomocí Vapor-Liquid-Solid metody katalyzované kovovými nanočásticemi, která umožňuje jejich depozici na levné skleněné a kovové substráty při nízkých teplotách kolem 300°C [6]. Koncept těchto solárních článků tak v sobě spojuje výhody silného zachycení a absorpce světla díky texturovanému povrchu s nízkými výrobními náklady. Výsledná účinnost těchto článků je navíc zvýšena díky lepšímu odvodu vzniklých nábojů k elektrodám po kratší dráze v radiálním směru. Pro maximalizaci dosažené účinnosti je nezbytná příprava vzorků s optimálními parametry, jako jsou hustota, délka a průřez nanodrátků. Je tedy nutné pochopit, jak tyto parametry souvisí s technologií přípravy a modelovat jejich vliv na výsledné optické vlastnosti vzorku.

Projekt je zaměřen na teoretickou a experimentální studii křemíkových nanostruktur, které jsou perspektivní pro dosažení lepšího poměru cena-účinnost fotovoltaických panelů. Jedná se o struktury, které jsou připravovány pomocí mokrého anizotropního leptání křemíku, plasmou indukované chemické depozice par (PECVD) a Vapor-Liquid-Solid (VLS) metody, což jsou technologie relativně úsporné na výrobní náklady a především kompatibilní s průmyslovými výrobními procesy. Připravené nanostruktury zároveň umožňují zachytit větší množství slunečního záření a mají tedy pozitivní vliv i na zvýšení účinnosti solárních článků. Cílem projektu je vyvinutí modelu pro popsání optických vlastností takto připravených křemíkových nanostruktur.

V rámci doktorského studia studentky Zuzany Mrázkové vedeného ve spolupráci s francouzskou laboratoří LPICM (Laboratoire de Physique des Interfaces et Couches Minces) budou připraveny vzorky nanostruktur slibných pro využití v solárních článcích. Na připravených vzorcích bude studována závislost optických vlastností na konkrétní geometrii s cílem optimalizovat její parametry, aby bylo dosaženo co nejvhodnějších vlastností s ohledem na maximální účinnost výsledného solárního článku. Charakterizace materiálů a nanostruktur připravených v LPICM bude prováděna s využitím vhodných kombinací experimentálního vybavení obou spolupracujících pracovišť.

Nejdříve budou studovány vzorky s pyramidální texturou připravené pomocí mokrého anizotropního leptání křemíku hydroxidem draselným. Tato pyramidální textura snižuje odrazivost vzorku a způsobuje značné rozptýlení světla, což komplikuje jeho optickou charakterizaci. Z tohoto důvodu je nutná adaptace speciální konfigurace elipsometrického měření a detailní analýza rozptýleného světla pro charakterizaci tenkých vrstev na pyramidách. Následné vyhodnocení absorpce v každém z přítomných materiálů v solárních článcích při kolmém dopadu umožní optimalizaci nanostruktury pro zlepšení jejich účinnosti.

Důležitou součástí projektu je studium křemíkových nanodrátků připravených metodou Vapor-Liquid-Solid katalyzovanou pomocí cínových nanočástic při nízké teplotě (kolem 300°C). Cín je použit proto, že na rozdíl od zlata nevytváří elektronické defekty a má velmi nízkou teplotu tání. S využitím in-situ Muellerovy polarometrie bude sledována formace kovového katalyzátoru v počáteční fázi přípravy a následný růst nanodrátků. Klíčové strukturální parametry budou identifikovány pomocí skenovací a transmisní elektronové mikroskopie včetně srovnání mezi strukturami připravenými za různých podmínek. Informace o dopování a zbytkové přítomnosti kovu v nanodrátcích bude získána pomocí infračervené spektroskopie s Fourierovou transformací (FTIR spektroskopie). Totální absorpce připravených nanostruktur bude vyhodnocena pomocí optické spektroskopie s integrační sférou a na základě vyvinutých modelů budou hledány optimální hodnoty kritických strukturálních parametrů pro maximální absorpci v aktivním materiálu. Změřená absorpce optimalizovaných nanodrátků bude porovnána s náhodně texturovanými povrchy článků připravenými jinými metodami.

Pro optimalizaci parametrů studovaných struktur budou vyvinuty jednak zjednodušené analytické modely, ale také rigorózní modely na bázi metody konečných prvků. Náročné rigorózní výpočty budou realizovány s využitím superpočítače na VŠB-TU Ostrava.

Navrhovaný projekt je pokračováním úspěšné spolupráce mezi Laboratoire de Physique des Interfaces et Couches Minces (LPICM) a VŠB-TU Ostrava v oboru moderní elipsometrie a fotovoltaiky. Spolupráce je založena na vzájemné komplementaritě obou institucí a možnosti spojit znalosti komplikovaných optických systémů se zkušenostmi s návrhem a realizací solárních článků. Projekt zahrnuje dvě navzájem propojené základní problematiky:
- vývoj pokročilých modelů pro popis fotovoltaických struktur připravovaných v LPICM a modelování optických vlastností nových materiálů a nanostruktur s využitím superpočítače na VŠB-TU Ostrava,
- charakterizace fotovoltaických materiálů a částí solárních článků pomocí optické a FTIR spektroskopie, elipsometrie, skenovací a transmisní elektronové mikroskopie (VŠB-TUO), in-situ elipsometrie, polarimetrie Muellerovy matice a optické spektroskopie s integrační sférou (LPICM).

Projekt přispěje k pokroku ve vývoji levných solárních článků s vysokou účinností, které mají potenciál snížit cenu za kilowatthodinu solární energie pod současnou tržní cenu.

[1] A. Luque, S. Hegedus, “Handbook of Photovoltaic Science and Engineering,” John Wiley & Sons, Ltd. (2011), ISBN 978-0-470-72169-8.
[2] T. M. Razykov, C. S. Ferekides, D. Morel, E. Stefanakos , H. S. Ullal, H. M. Upadhyaya, Solar Energy 85 (2011), s. 1580-1608.
[3] V. Devabhaktuni, at al. Re-newable and Sustainable Energy Reviews 19 (2013), s. 555-564.
[4] M.F. Saenger, J. Sun, M. Schädel, J. Hilfiker, M. Schubert, J.A. Woollam, Thin Solid Films 518 (2010), s. 1830-1834.
[5] J. Sun, M.F. Saenger, M. Schubert, J. Hilfiker, R. Synowicki, C.M. Herzinger, J.A. Woollam, Proc. 34th IEEE (2009), s. 1407-1411.
[6] S. Misra, L. Yu, M. Foldyna, P. Roca i Cabarrocas, Solar Energy & Solar Cells 118 (2013), s. 90-95.
Členové řešitelského týmuIng. Tomáš Horák
Ing. Zuzana Gelnárová, Ph.D.
doc. Dr. Mgr. Kamil Postava
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu)Cílem projektu je porozumět souvislostem mezi strukturálními parametry, jako jsou rozměry, orientace, uspořádání a hustota dílčích útvarů studovaných nanostruktur, a výslednými optickými vlastnostmi. Nabyté znalosti budou zužitkovány při vývoji modelu, který umožní optimalizovat parametry studovaných nanostruktur, aby bylo dosaženo co nejlepších optických vlastností pro maximalizaci účinnosti výsledných solárních článků.

Cíle projektu jsou shrnuty v následujících bodech:

do července 2014:
- spektroskopická elipsometrická měření referenčních vzorků tenkých vrstev pro určení optických konstant klíčových materiálů
- vyvinutí metodiky pro elipsometrická měření nanostrukturovaných vzorků s náhodným a pseudonáhodným uspořádáním
- definování klíčových strukturálních parametrů z obrázků struktur získaných pomocí skenovací a transmistí elektronové mikroskopie

do prosince 2014:
- sledování růstu křemíkových nanodrátků pomocí analýzy elipsometrických dat získaných během samotného procesu
- určení kritických parametrů studovaných nanostruktur s použitím vyvinutých modelů a hledání optimálních hodnot parametrů pro maximální absorpci
- příprava publikací do mezinárodních impaktovaných časopisů

Plánované výsledky a výstupy z projektu:
1) výsledky projektu budou zahrnuty do dizertační práce studentky Zuzany Mrázkové
2) publikace dosažených výsledků v mezinárodních impaktovaných vědeckých časopisech
3) získané výsledky budou prezentovány na mezinárodních konferencích a v rámci seminářů LPICM, École Polytechnique ve Francii.

Rozpočet projektu - uznané náklady

NávrhSkutečnost
1. Osobní náklady
Z toho
0,-0,-
1.1. Mzdy (včetně pohyblivých složek)0,-0,-
1.2. Odvody pojistného na veřejné zdravotně pojištění a pojistného na sociální zabezpečení a příspěvku na státní politiku zaměstnanosti0,-0,-
2. Stipendia36000,-36000,-
3. Materiálové náklady24000,-51252,-
4. Drobný hmotný a nehmotný majetek0,-0,-
5. Služby35000,-26621,-
6. Cestovní náhrady31000,-12127,-
7. Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory14000,-14000,-
8. Konference pořádané VŠB-TUO k prezentaci výsledků studentského grantu (max. do výše 10% poskytnuté podpory)0,-0,-
9. Pořízení investic0,-0,-
Plánované náklady140000,-
Uznané náklady140000,-
Celkem běžné finanční prostředky140000,-140000,-