PROCES IZDELAVE IN KARAKTERIZACIJA NANOTEKSTUR ZA UPRAVLJANJE SVETLOBE V FOTONAPETOSTNIH IN OPTOELEKTRONSKIH ELEMENTIHJošt, Marko (Avtor) Topič, Marko (Mentor) fotovoltaikananotekstureupravljanje s svetloboUV nanovtisna litografijaperovskitne sončne celiceoptične simulacijeZa zmanjševanje onesnaževanja okolja in omejitev globalnega segrevanja postajajo obnovljivi viri energije vedno pomembnejši. Še posebej svetlo prihodnost ima fotovoltaika, saj je sonce neusahljiv in brezplačen vir energije, ki je dostopen na celotni zemeljski obli. V primerjavi z ostalimi viri energije pridobivanje elektrike iz sončne energije ne povzroča nastajanja izpušnih plinov, ogljični odtis pa je tudi z vključeno proizvodnjo sončnih modulov vsaj dvajsetkrat manjši v primerjavi s fosilnimi gorivi. Optimizacija proizvodnih procesov je tudi znižala energijsko vračilno dobo sončnih elektrarn (PV sistemov), ki je za osrednjo Evropo padla na dve leti za polikristalne silicijeve module in tudi pod dve leti za tankoplastne sončne celice. Celo Kitajska, eden izmed največjih onesnaževalcev na svetu, je prepoznala potrebo po čistejšem okolju. Tako je poleg vodilne vloge v proizvodnji sončnih fotonapetostnih modulov, prevzela tudi vlogo največjega proizvajalca elektrike iz sončne energije. Njen pospešen vstop na fotovoltaični trg je povzročil drastičen padec cen in eksponentno rast kumulativne nameščene moči po svetu. V zadnjem letu smo v svetovnem merilu namestili za 70 GW sončnih elektrarn, skupna moč pa je presegla 300 GW. Potencial in prednosti fotovoltaike jo uvrščajo med najpomembnejše trajnostne energetske tehnologije na področju obnovljivih virov in tudi v energetiki nasploh. Osnovni fotonapetostni gradnik je polprevodniška sončna celica. Lastnosti polprevodniškega materiala, predvsem energijska reža, so tiste, ki najbolj vplivajo na učinkovitost pretvorbe sončne celice. Za enospojne sončne celice je teoretična limita (Shockley-Queisser limita) pri standardnih testnih pogojih 33,7 % za energijsko režo 1,34 eV. Na podlagi polprevodnika ločimo več tipov sončnih celic. Najpogostejše so kristalne silicijeve sončne celice (prva generacija), ki dosegajo visoko učinkovitost pretvorbe (do 26,3 %) in največji tržni delež (> 86 %) na svetovnem trgu. Druga generacija so tankoplastne sončne celice, kjer je aktivna plast debela le par mikrometrov, v primerjavi s 150 ali več μm pri kristalnih silicijevih sončnih celicah. Popularnost tankoplastnih sončnih celic temelji na pričakovanih nižjih stroških izdelave. Zaradi tanjših plasti potrebujemo manj materiala, proizvodni stroški pa so zaradi nizkotemperaturnih procesov nižji in energetsko učinkovitejši. Tipična predstavnika sta CIGS in CdTe, ki sta dosegla tudi masovno industrijsko proizvodnjo. Sončne celice tretje generacije (organske, elektrokemijske, perovskitne) obetajo še nižje proizvodne stroške, a industrijske proizvodnje še niso dosegle. So pa v zadnjem času v znanstveni sferi veliko pozornosti pritegnile perovskitne sončne celice, saj so v le nekaj letih raziskovanja dosegle učinkovitost pretvorbe do 22,1 %, kar je najhitrejši porast do sedaj. Kljub nizkim stroškom proizvodnje in visokim učinkovitostim pretvorbe, pa perovskitne sončne celice vseeno čaka še dolga pot. Predvsem stabilnost in majhna dimenzija do sedaj izdelanih celic predstavljata glavni oviri do množične proizvodnje, a hiter razvoj in obsežne raziskave dajejo upanje na industrijsko proizvodnjo ali primernost za nišne aplikacije. Upravljanje s svetlobo v tankoplastnih sončnih celicah Tankoplastne sončne celice predstavljajo nizkocenovno alternativo običajnim kristalnim silicijevim sončnim celicam, saj so za njihovo izdelavo potrebne nižje temperature, porabi se manj materiala, izdelamo pa lahko celo upogljive celice. V primerjavi s kristalnimi silicijevimi sončnimi celicami so tankoplastne tanjše, kar se v splošnem lahko odrazi v manjši absorpciji svetlobe. Ker je učinkovitost pretvorbe sončnih celic v veliki meri odvisna od absorpcije v aktivni plasti, je za povečanje absorpcije v tanjših absorpcijskih plasteh potrebno skrbno upravljanje svetlobe. Ena izmed najuspešnejših tehnik povečanja absorpcije svetlobe v tankoplastnih sončnih celicah je teksturiranje površine, bodisi na zgornji ali spodnji plasti celice. Teksturirane površine z nanometrsko ali mikrometrsko hrapavastjo povzročajo protiodbojni efekt ali sipanje svetlobe (velikost posameznih struktur enaka ali večja valovni dolžini), kar podaljša optično pot v aktivni plasti. S tem povečamo svetlobno generirani tok celice, in če se ne spremenijo električne lastnosti (napetost odprtih sponk VOC in polnilni faktor FF), tudi učinkovitost pretvorbe. Teksturirane plasti lahko vpeljemo na ali pa v strukturo sončne celice. Lahko na sprednjo stran stekla v superstrat konfiguraciji pritrdimo teksturirano folijo za upravljanje s svetlobo (LM folija) ter s tem zmanjšamo odbojnost in povzročimo sipanje svetlobe. Lahko pa teksture vpeljemo znotraj strukture. V tem primeru so teksturirane površine prozorni prevodni oksidi (TCO, nanešen na steklo v superstrat konfiguraciji) ali teksturirani substrati (teksturirani zadnji odbojnik na plastični ali kovinski foliji), lahko pa v strukturo vključimo tudi dodatne plasti. Za obetaven način vpeljave želenih tekstur v sončne celice se je v zadnjih letih izkazala tehnologija vtisa vnaprej pripravljenih nanostruktur v prozorne in na temperaturo odporne lake. Ena izmed takih replikacijskih tehnik je UV nanovtisna litografija (UV NIL). Vzorci (teksture) so narejeni z mehansko deformacijo viskoznih polimerov (lakov), v katere vtisnemo teksturirani kalup, čemur sledi strjevanje laka z UV svetlobo (UV NIL). V kombinaciji z nanosom TCO na vtisnjeno plast se lahko izognemo dragi izdelavi TCO z naravno ali z dodatno obdelavo dobljeno teksturo. S procesom UV NIL prenesemo hrapavost površine s kalupa na repliko, pri čemer se ohrani morfologija kalupa in posledično sipanje svetlobe. Sipano svetlobo lahko nato karakteriziramo s kotno odvisno spektroskopijo (ARS), ki nam omogoča določiti funkcijo kotne porazdelitve (ADF) prepuščene in odbite sipane svetlobe – kako je svetloba sipana pod različnimi koti. Tipično določimo ADF z goniometričnimi sistemi, ki pa so počasni in merijo odziv le v eni ravnini (1D). Primernejši so sistemi s kamero, kjer sipano svetlobo projiciramo na zaslon in jo nato zajamemo s kamero. To nam omogoča hitrejšo in popolnejšo analizo sipane svetlobe v 3D prostoru. V doktorski disertaciji smo se posvetili izdelavi in karakterizaciji plasti za upravljanje s svetlobo. Plasti smo izdelali s procesom UV NIL za replikacijo teksturiranih površin. Izdelane replike smo testirali in karakterizirali, med drugim tudi s sistemom za merjenje sipane svetlobe. V ta namen smo postavili dva sistema, enega z refleksijskim in enega s transmisijskim zaslonom. Delovanje in potencialne izboljšave z uporabo LM folije smo preverili na primeru perovskitnih sončnih celic. Delovanje brez in z LM folijo smo analizirali tako eksperimentalno kot tudi teoretično z optičnimi simulacijami.20172017-06-21 13:00:03Doktorsko delo/naloga92620VisID: 39142COBISS_ID: 11765588sl