Schválené projekty 2015

Rozdělení přidělené dotace z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum po fakultách se zohledněním celoškolských pracovišť na rok 2015

Celková přidělená částka z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum na VŠB-TUO - 52 908 039 Kč

Z toho 2.5% - 1 320 739 Kč - úhrada způsobilých nákladů spojených s organizací SGS

fakultapřidělená částka v Kč
FBI  1 172 500
EKF  4 962 700
FAST  3 070 000
FS  8 256 000
FEI 12 282 100
HGF  5 433 000
FMMI  6 188 000
VC 10 223 000
CELKEM 51 587 300
KódSP2015/72
Název projektuStudium křemíkových waferů s pyramidální texturou pro aplikace ve fotovoltaice
ŘešitelGelnárová Zuzana Ing., Ph.D.
Školitel projektudoc. Dr. Mgr. Kamil Postava<br />
Období řešení projektu01.01.2015 - 31.12.2015
Předmět výzkumuProjekt navazuje na úspěšnou spolupráci s Laboratoire de Physique des Interfaces et des Couches Minces (LPICM), CNRS, École Polytechnique ve Francii ohledně výzkumu v problematice solárních článků [1].

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. 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 monokrystalického 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 (PV) průmyslu se zaměřuje na monokrystalické a polykrystalické křemíkové články s texturovaným povrchem. Texturování má pozitivní vliv na výslednou účinnost solárního článku, protože přispívá k výraznému zvýšení absorpce díky rozptylu a prodloužení optické dráhy světla uvnitř článku [4,5]. 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 [6]. Nízká odrazivost a vysoký rozptyl dopadajícího záření u texturovaných vzorků však značně komplikují jejich optickou charakterizaci.

Speciálním případem hojně využívaných textur jsou náhodně rozmístěné pyramidy. Pro jejich přípravu se využívá mokré anizotropní leptání křemíku pomocí chemikálií na bázi hydroxidů sodného, draselného a isopropanolu, při kterém je dosaženo různých leptacích rychlostí v různých krystalografických směrech [7,8]. 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.

Projekt je zaměřen na teoretickou a experimentální studii křemíkových waferů s pyramidálními texturami, které se používají v komerčních solárních panelech. Cílem je nedestruktivní charakterizace různých typů pyramid a posouzení vlivu jejich geometrie na absorpci v krystalickém křemíku, charakterizace tenkovrstevnatých materiálů na povrchu pyramid a optimalizace struktury solárního článku pro maximalizaci účinnosti.

Pyramidální texturování povrchu vzorků je dosaženo pomocí anizotropního mokrého leptání monokrystalických křemíkových waferů. Použitím různých směsí chemikálií a procesů jejich aplikace je dosaženo odlišných textur co do velikosti a tvaru (ostré nebo zaoblené hrany) pyramid. Následně jsou pomocí plasmou indukované chemické depozice par (PECVD) nanášeny tenké pasivační, antireflexní a transparentní vodivé vrstvy. Obě zmíněné technologie jsou relativně úsporné na výrobní náklady a především kompatibilní s průmyslovými výrobními procesy. Připravené struktury umožňují zachytit větší množství slunečního záření a vedou ke zvýšení účinnosti solárních článků. Vzorky různých pyramid budou poskytnuty laboratoří LPICM, která se zabývá problematikou solárních článků na bázi krystalického křemíku již mnoho let.

Pro dosažení co nejvyšší účinnosti solárních článků je třeba maximalizovat absorpci světla v aktivním materiálu. Absorpce světla je ovlivněna optickými vlastnostmi jednotlivých vrstev nanesených na texturovaném waferu. Optická charakterizace tloušťky vrstev je znesnadněna nízkou odrazivostí a zvýšeným rozptylem studovaných vzorků. Pro nedestruktivní charakterizaci optických vlastností a tlouštěk těchto vrstev je třeba vyvinout metodiku pro elipsometrická měření texturovaných vzorků s malou odrazivostí a zároveň vytvořit optický model dané struktury, který umožní určení hledaných parametrů z elipsometrických dat.

Geometrie pyramid, jejich velikost, kvalita, orientace a rozmístění na waferu bude studováno pomocí skenovací a transmisní elektronové mikroskopie (SEM a TEM) a konfokální laserové skenovací mikroskopie.

Pro optimalizaci tlouštěk nanášených vrstev s ohledem na maximalizaci účinnosti solárních článků je potřeba vyvinout model, který umožní studovat vliv tloušťky jednotlivých vrstev na výslednou absorpci celého systému. Validace modelu bude provedena porovnáním modelované absorpce a odrazivosti struktur se spektroskopickými měřeními absorpce vzorků pomocí integrační sféry.

Navrhovaný 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 des Couches Minces (LPICM), CNRS, École Polytechnique ve Francii. Laboratoř LPICM je špičkovým pracovištěm v oblasti vývoje fotovoltaických zařízení.

[1] Z. Mrázková, A. Torres-Rios, R. Ruggeri, M. Foldyna, K. Postava, J. Pištora, And P. Roca i Cabarrocas, In-situ spectroscopic ellipsometry of microcrystalline silicon deposited by plasma-enhanced chemical vapor deposition on flexible Fe–Ni alloy substrate for photovoltaic applications, Thin Solid Films (in press). doi:10.1016/j.tsf.2014.06.009.
[2] T.M. Razykov, C.S. Ferekides, D. Morel, E. Stefanakos, H.S. Ullal, H.M. Upadhyaya, Solar photovoltaic electricity: Current status and future prospects, Sol. Energy. 85 (2011) 1580–1608. doi:10.1016/j.solener.2010.12.002.
[3] V. Devabhaktuni, M. Alam, S. Shekara Sreenadh Reddy Depuru, R.C. Green II, D. Nims, C. Near, Solar energy: Trends and enabling technologies, Renew. Sustain. Energy Rev. 19 (2013) 555–564. doi:10.1016/j.rser.2012.11.024.
[4] P. Campbell, M.A. Green, Light trapping properties of pyramidally textured surfaces, J. Appl. Phys. 62 (1987) 243–249.
[5] S.C. Baker-Finch, K.R. McIntosh, One-dimensional photogeneration profiles in silicon solar cells with pyramidal texture, Prog. Photovolt. Res. Appl. 20 (2012) 51–61.
[6] S.C. Baker-Finch, K.R. McIntosh, Reflection of normally incident light from silicon solar cells with pyramidal texture, Prog. Photovolt. Res. Appl. 19 (2011) 406–416.
[7] H. Seidel, L. Csepregi, A. Heuberger, H. Baumgärtel, Anisotropic Etching of Crystalline Silicon in Alkaline Solutions I . Orientation Dependence and Behavior of Passivation Layers, J. Electrochem. Soc. 137 (1990) 3612–3626. doi:10.1149/1.2086277.
[8] E. Vazsonyi, K. De Clercq, R. Einhaus, E. Van Kerschaver, K. Said, J. Poortmans, et al., Improved anisotropic etching process for industrial texturing of silicon solar cells, Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 57 (1999) 179–188. doi:10.1016/S0927-0248(98)00180-9.

Členové řešitelského týmuIng. Tomáš Kohut
Ing. Zuzana Gelnárová, Ph.D.
doc. Dr. Mgr. Kamil Postava
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu)Cílem projektu je nedestruktivní charakterizace různých typů pyramid a posouzení vlivu jejich geometrie na absorpci v krystalickém křemíku, charakterizace tenkovrstevnatých materiálů na povrchu pyramid a optimalizace struktury solárního článku pro maximalizaci účinnosti.

Cíle projektu jsou shrnuty v následujících bodech:

leden-duben 2015:
- spektroskopická elipsometrická měření referenčních vzorků pro určení optických konstant použitých materiálů
- vyvinutí metodiky pro elipsometrická měření vzorků s pravidelnými a nepravidelnými pyramidálními texturami
- polarimetrie Muellerovy matice pro analýzu možného vlivu depolarizace vzorku na optické vlastnosti

květen-srpen 2015:
- spektroskopická elipsometrická měření souboru vzorků s pyramidálními texturami, fitování elipsometrických dat a určení klíčových parametrů struktury
- porovnání získaných parametrů s výsledky transmisní a skenovací elektronové mikroskopie a konfokální laserové skenovací mikroskopie

září-prosinec 2015:
- porovnání modelované úplné absorpce a odrazivosti struktur se spektroskopickými měřeními vzorků pomocí integrační sféry
- analýza vlivu odrazivosti studovaných pyramidálních struktur na účinnost solárního článku
- příprava publikací do mezinárodních časopisů

Plánované výsledky a výstupy z projektu:
1) publikace dosažených výsledků a výpočetních postupů v mezinárodních vědeckých časopisech
2) získané výsledky budou prezentovány na mezinárodních fotovoltaických 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. Stipendia34000,-34000,-
3. Materiálové náklady46000,-34235,-
4. Drobný hmotný a nehmotný majetek0,-0,-
5. Služby30000,-41165,-
6. Cestovní náhrady43000,-43600,-
7. Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory17000,-17000,-
8. Konference pořádané VŠB-TUO k prezentaci výsledků studentského grantu (max. do výše 10% poskytnuté podpory)0,-0,-
9. Pořízení investic0,-0,-
Plánované náklady170000,-
Uznané náklady170000,-
Celkem běžné finanční prostředky170000,-170000,-