A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 1 Nanotechnologie na km2 aneb o fotovoltaice v perspektivách A. Fejfar Fyzikální ústav Akademie věd České republiky, v.v.i. Cukrovarnická 10, 162 53 Praha 6, * e-mail: fejfar@fzu.cz 2 Ó, Pane náš, pomoz této zemi a sešli na nás hrozné strašné ničivé krupobití! A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 Photovoltaics is getting big A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 3 A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 4 Energie Průměrná americká rodina obklopená barely ropy, které spotřebuje za rok. Obrázek je z roku 1970. Dnes by jejich spotřeba byla asi o 40% větší. A každý chce žít jako Američan. A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 5 Terawattová výzva Průměrná spotřeba lidské civilizace je 15 TW (15000 GW). Průměrně spotřebuje průměrný občan: ~11 kW / U.S.A 3 – 5 kW / Evropan ~ 1 kW / Číňan 2 kW / průměrný obyvatel planety Dobrá zpráva: Počet obyvatel Země se ustálí na cca 10 mld. Špatná zpráva: většina z nich bude spotřebovávat víc energie. Při odhadovaných 4 kW / člověka = 40 TW. A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 6 Přidání 10 TW znamená: • Spuštění 1 GW elektrárny každý den po dobu 27.5 roků 2 MW FV elektrárna Každých10 minut po dobu 81 roků A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 7 125 000 TW A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 8 Fotovoltaické (FV) články: 1) Jak se na ně přišlo? 2) Jak fungují? 3) Jak se dělají? 4) Kolik stojí? 5) Stojí to za to? 6) Jak to udělat lépe? A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 9 1839 - Alexandre Edmond Becquerel 1839 - Alexandre Edmond Becquerel - PV efekt 1873 - Willoughby Smith - Se 1877 - Charles Fritts - první Se sluneční článek 1887 - Heinrich Hertz - UV fotovodivost 1888 - Edward Weston patent US389124, "Solar cell", and US389125, "Solar cell". 1894 - Melvin Severy patent US527377, "Solar cell", and US527379, "Solar cell". 1897 - Harry Reagan patent US588177, "Solar cell". 1901 - Nikola Tesla the patent US685957, "Apparatus for the Utilization of Radiant Energy", and US685958, "Method of Utilizing of Radiant Energy". 1902 - Philipp von Lenard - vnější fotoefekt v závislosti na barvě světla 1904 - Wilhelm Hallwachs sluneční článek Cu/Cu2O. 1905 - Albert Einstein 1913 - William Coblentz patent US1077219, "Solar cell". 1914 - Sven Ason Berglund patents "methods of increasing the capacity of photosensitive cells". 1916 - Robert Millikan potvrdil Einsteinovo vysvětlení 1916 - Jan Czochralski 1946 - Russell Ohl patent US2402662, "Light sensitive device". 1950s - Bell Lab. 1953 - Gerald Pearson lithium-silicon photovoltaic cells 1954 - AT&T exhibits solar cells at Murray Hill, New Jersey. 1955 - Western Electric licence commercially solar cell technologies. 1957 - Gerald L. Pearson, Daryl M. Chapin, and Calvin S. Fuller (AT&T) patent US2780765, "Solar Energy Converting Apparatus" 1962 - The Telstar satellite 1963 - Sharp Corporation - photovoltaic module of silicon solar cells. 1971 - Salyut 1 is powered by solar cells. 1973 - Skylab is powered by solar cells. 1977 - The Solar Energy Research Institute is established at Golden, Colorado. 1980s - efficient silicon cells are in production. 1989 - efficient concentrator solar cell are in use. 1990 - The Cathedral of Magdeburg installs solar cells on the roof, marking the first installation on a church in East Germany. 1991 - President George H. W. Bush directs the U.S. Department of Energy to establish the National Renewable Energy Laboratory 1993 - National Renewable Energy Laboratory 2001 - Helios A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 10 1839 - Alexandre Edmond Becquerel - PV efekt 1873 - Willoughby Smith - Se 1877 - Charles Fritts - první Se sluneční článek 1887 - Heinrich Hertz - UV fotovodivost 1888 - Edward Weston patent US389124, "Solar cell", and US389125, "Solar cell". 1894 - Melvin Severy patent US527377, "Solar cell", and US527379, "Solar cell". 1897 - Harry Reagan patent US588177, "Solar cell". 1901 - Nikola Tesla the patent US685957, "Apparatus for the Utilization of Radiant Energy", and US685958, "Method of Utilizing of Radiant Energy". 1902 - Philipp von Lenard - vnější fotoefekt v závislosti na barvě světla 1904 - Wilhelm Hallwachs sluneční článek Cu/Cu2O. 1905 - Albert Einstein 1913 - William Coblentz patent US1077219, "Solar cell". 1914 - Sven Ason Berglund patents "methods of increasing the capacity of photosensitive cells". 1916 - Robert Millikan potvrdil Einsteinovo vysvětlení 1916 - Jan Czochralski 1946 - Russell Ohl patent US2402662, "Light sensitive device". 1950s - Bell Lab. 1953 - Gerald Pearson lithium-silicon photovoltaic cells 1954 - AT&T exhibits solar cells at Murray Hill, New Jersey. 1955 - Western Electric licence commercially solar cell technologies. 1957 - Gerald L. Pearson, Daryl M. Chapin, and Calvin S. Fuller (AT&T) patent US2780765, "Solar Energy Converting Apparatus" 1962 - The Telstar satellite 1963 - Sharp Corporation - photovoltaic module of silicon solar cells. 1971 - Salyut 1 is powered by solar cells. 1973 - Skylab is powered by solar cells. 1977 - The Solar Energy Research Institute is established at Golden, Colorado. 1980s - efficient silicon cells are in production. 1989 - efficient concentrator solar cell are in use. 1990 - The Cathedral of Magdeburg installs solar cells on the roof, marking the first installation on a church in East Germany. 1991 - President George H. W. Bush directs the U.S. Department of Energy to establish the National Renewable Energy Laboratory 1993 - National Renewable Energy Laboratory 2001 - Helios 1902 - Philipp von Lenard - Vnější fotoefekt 1916 - Robert Millikan Experimentání potvrzení Einsteinovy teorie 1921 – Nobelova cena 1905 Albert Einstein: A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 11 1839 - Alexandre Edmond Becquerel - PV efekt 1873 - Willoughby Smith - Se 1877 - Charles Fritts - první Se sluneční článek 1887 - Heinrich Hertz - UV fotovodivost 1888 - Edward Weston patent US389124, "Solar cell", and US389125, "Solar cell". 1894 - Melvin Severy patent US527377, "Solar cell", and US527379, "Solar cell". 1897 - Harry Reagan patent US588177, "Solar cell". 1901 - Nikola Tesla the patent US685957, "Apparatus for the Utilization of Radiant Energy", and US685958, "Method of Utilizing of Radiant Energy". 1902 - Philipp von Lenard - vnější fotoefekt v závislosti na barvě světla 1904 - Wilhelm Hallwachs sluneční článek Cu/Cu2O. 1905 - Albert Einstein 1913 - William Coblentz patent US1077219, "Solar cell". 1914 - Sven Ason Berglund patents "methods of increasing the capacity of photosensitive cells". 1916 - Robert Millikan potvrdil Einsteinovo vysvětlení 1916 - Jan Czochralski 1946 - Russell Ohl patent US2402662, "Light sensitive device". 1950s - Bell Lab. 1953 - Gerald Pearson lithium-silicon photovoltaic cells 1954 - AT&T exhibits solar cells at Murray Hill, New Jersey. 1955 - Western Electric licence commercially solar cell technologies. 1957 - Gerald L. Pearson, Daryl M. Chapin, and Calvin S. Fuller (AT&T) patent US2780765, "Solar Energy Converting Apparatus" 1962 - The Telstar satellite 1963 - Sharp Corporation - photovoltaic module of silicon solar cells. 1971 - Salyut 1 is powered by solar cells. 1973 - Skylab is powered by solar cells. 1977 - The Solar Energy Research Institute is established at Golden, Colorado. 1980s - efficient silicon cells are in production. 1989 - efficient concentrator solar cell are in use. 1990 - The Cathedral of Magdeburg installs solar cells on the roof, marking the first installation on a church in East Germany. 1991 - President George H. W. Bush directs the U.S. Department of Energy to establish the National Renewable Energy Laboratory 1993 - National Renewable Energy Laboratory 2001 - Helios 1918 - Jan Czochralski A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 12 Začátek „doby sluneční“: 1953 - 4 G. Pearson, D. Chapin, C. Fuller (Bellovy laboratoře): První sluneční článek s účinností 6% arsenem dopovaná Si deska dopovaná bórem na PN přechod A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 13 Tisk: „počátek nové éry využití neomezené energie Slunce” (Times) „jednoho dne mohou sluneční články vyrobit více energie než zdroje založené na uhlí, ropě či jádru” (New York Times). A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 14 Americus, Georgia: První testy Bellovských slunečních baterií A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 15 Vanguard I. 4. října 1957: Sputnik 83 kg na oběžná dráha 250 km 17.3.1958 1.47 kg Grapefruit satellite [Nikita Khruschev] The Vanguard TV3 was launched on December 6, 1957 at Cape Canaveral Kennedy Space Center. It was the first attempt by the United States to put a satellite into orbit around Earth. However, the rocket only rose a few feet before crashing violently back onto the launchpad. Derided by press as a "kaputnik" in the Daily Express, a "flopnik" in the Daily Herald, a "puffnik" in the Daily Mail and a "stayputnik" in the News Chronicle.[ A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 16 1962 Bell solar cells powered Telstar http://www.beatriceco.com/bti/porticus/bell/telstar.html AT&T's Telstar was not only a tremendous technical success, but the international reaction was spectacular. A U.S. Information Agency poll showed that Telstar was better known in Great Britain than Sputnik had been in 1957. Rather than launching a useless bauble, the Americans had put into orbit a satellite that promised to tie together the ears and eyes of the world. Interestingly, the world saw Telstar as an undertaking of the United States (U.S. Information Agency publicity may have helped). President Kennedy hailed Telstar as "our American communications satellite" and "this outstanding symbol of America's space achievements."(Cunniffe, pg. 29) Telstar 1 was launched on July 10, 1962 into a 514 x 3051 nmi. orbit by a Delta launch vehicle. The spacecraft weighed 171 pounds (the Delta capability was for a maximum payload of 180 pounds). The shape was a faceted sphere with a diameter of a little over 34 inches. Of six spacecraft built, two were launched. The solar cells provided just under 15 watts. A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 17 A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 18 PV cells in space A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 19 IEA Technology Roadmap: Solar Photovoltaic Energy - 2014 edition A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 21 A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 22 IEA Technology Roadmap: Solar Photovoltaic Energy - 2014 edition A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 23 IEA Technology Roadmap: Solar Photovoltaic Energy - 2014 edition A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 24 A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 25 Vývoj účinnosti: http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 26 Výroba křemíkových článků: PolySi Crystal growth Ingot squaring Wafer cutting: Solar cell Framing PN junction diffusion Screen printing of electrodes í Stringing Lamination Module A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 27 1. Generace: Články s PN přechodem v objemových polovodičích účinnost článků: ~ 16 % A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 28 Moderní křemíkové sluneční články M. Green, Centre for Photovoltaic Engineering, UNSW, Australia Účinnost 25 % (blížící se teoretické hranici 27 - 28%) A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 29 A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 30 glass EVA Solar cells Tedlar polymer Tedlar Connection box Aluminum frame Frameless panel Energetické náklady panelu 16kWh 1kWh Radix 72-112 553,5kWh - 4% BIPV - facade - 3% Copper bands 0,5kWh 4kWh 511kWh 1kWh A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 31 Doba energetické návratnosti A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 32 ERoEI = Energy Return on Energy Invested = energetický zisk Příklady EROEI : Ropa v počátcích těžby . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Texaská ropa okolo roku 1930 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Ropa z Blízkého Východu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Jiná ropná pole . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10–35 Přírodní plyn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Kvalitní uhlí (Austrálie) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10–20 Nekvalitní uhlí (ČR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4–10 Vodní elektrárny. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10–40 Větrné elektrárny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–10 Jaderná energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4–5 Ropné písky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ………Max. 3 Bitumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……… Max. 1,5 biopaliva (v Evropě). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …………………..0,9–4 (Martin Kašík, Václav Cílek: Vesmír 87, únor 2008 | http://www.vesmir.cz) A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 33 2. generace Tenkovrstvé články Snaha o omezení potřeby křemíku: A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 34 Křemíkové tenké vrstvy – počátky v 60. letech: A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 35 A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 36 Praha: instalace tenkovrstvých článků na střeše Národního divadla A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 Roční výroba Si tenkých vrstev: Solar cells: LCD: A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 Jsc 15.2 mA/cm2, Voc of 0.82 V and FF 73.7%, ∼9.2% for 0.126 cm2 area [Misra et al, IEEE Journal of Photovoltaics 2015] Nano články Absorbce světla versus sběr nábojů Planární články Nanodrátové články A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 Illustration from: Soumyadeep Misra, Linwei Yu, Wanghua Chen, Martin Foldyna, and Pere Roca i Cabarrocas. ‘A Review on Plasma-Assisted VLS Synthesis of Silicon Nanowires and Radial Junction Solar Cells’. Journal of Physics D: Applied Physics 47 (2014): 393001. 39 Disorder ZOO: A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 Kinks Crossing Crowding Shading Microscopy of PV conversion RJ cells on Si NWs have additional benefit: well defined unit cells. A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 41 We use conductive AFM tip to contact and measure individual radial junctions: A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 42 Závěry: Fotovoltaická revoluce? A. Fejfar, Elixír do škol, Hradec Králové 13.5.2017 43 Historická období Doba kamenná The sky disk of Nebra Doba železná Doba bronzová Doba sluneční Hallstatt C Iron Sword