budler marko_diplomsko delo_fotovoltaični materiali_08032011_celota_konec

Fakulteta za strojništvo

FOTOVOLTAIČNI MATERIALIDiplomsko delo

Študent: Marko BUDLER

Študijski program: Univerzitetni študijski program 1. stopnje

Gospodarsko inženirstvo – smer strojništvo

Mentor na FS: red. prof. dr. Ivan ANŽEL

Somentor na FS: doc. dr. Mihael BRUNČKO

Mentorica na EPF: doc. dr. Zdenka ŽENKO

Maribor, 2011

˝Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo˝ ˝Diplomsko delo˝

I

Vložen original sklepa o

potrjeni temi

diplomskega dela


I Z J A V A

Podpisani BUDLER Marko izjavljam, da:

je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom red. prof.

dr. Ivana ANŽELA , doc. dr. Zdenke ŽENKO in somentorstvom doc. dr. Mihaela

BRUNČKA ;

predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev

kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;

soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet

Univerze v Mariboru.

Maribor, 8.9.2011 Podpis: ___________________________

II


ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju red. prof. dr. Ivanu Anželu,

mentorici docentki dr. Zdenki Ženko in somentorju

doc. dr. Mihaelu Brunčku za pomoč in vodenje pri

opravljanju diplomskega dela.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili

študij.

III


FOTOVOLTAIČNI MATERIALI

Ključne besede: fotovoltaika, fotovoltaični materiali, polprevodniki, dopiranje, okoljski

vplivi, inovacije, agenti spreminjanja, mnenjski vodje, difuzija novosti.

UDK: 669:621.318(043.2)

POVZETEK

Fotovoltaika je veda, ki preučuje pretvorbo sončne energije v električno s pomočjo

polprevodnikov, pri katerih pride do fotovoltaičnega efekta. Njen pomen narašča sorazmerno

s pomanjkanjem fosilnih goriv in stroški le-teh, zato je vsakršno udejstvovanje na tem

področju pomembno. V nalogi smo preučili fotovoltaične materiale, ki se uporabljajo v

sončnih celicah, njihove karakteristike pa v primerjalni analizi razvrstili v več sklopov.

Ugotovili smo, da se lastnosti fotovoltaičnih materialov razlikujejo. Poleg komparativnih

metod smo z anketnim vprašalnikom preverili poznavanje inovacij in tehnologije sončnih

celic. Izkazalo se je, da ljudje vedno bolj natančno pojmujejo opredelitve s področja

terminologije invencijsko-inovacijskega managementa, prav tako pa so vedno bolj informirani

na področju solarne tehnologije.

IV


PHOTOVOLTAIC MATERIALS

Key words: photovoltaics, photovoltaic materials, semiconductors, implementing of

impurities, dopants, environmental damage, innovation, agents of changes, opinion leaders,

difusion of innovation.

UDK: 669:621.318(043.2)

ABSTRACT

Photovoltaics is a method of generating electrical power by converting solar radiation into

direct current electricity using semiconductors that exhibit the photovoltaic effect. It is

important to deal with photovoltaics, because nowadays we are confronting difficulties linked

to lack of fossil fuels and their expenses. In our degree we have been focusing on photovoltaic

materials, which are used in solar cells. Furthermore we have been discussing their

characteristics, which were compared in final analysis. It was ascertained by us that several

photovoltaic materials separate from each other due to their characteristics. Beside that we

have made sounding, in which we asked people about their acquaintance of innovation and

solar cell technology. It is undisputedly true that people are familiar with innovation

management terminology, as well as with photovoltaics as such.

V


UPORABLJENE KRATICE

AM - Air mass coefficient

HEM - Heat exchanger method

FVE - Fotovoltaični efekt

TCO - Transparent conducting device

VI


KAZALO VSEBINE

1 UVOD.................................................................................................................................1

1.1 OPREDELITEV PODROČJA IN OPIS PROBLEMA...............................................................1

1.2 NAMEN IN CILJI.............................................................................................................2

1.3 PREDPOSTAVKE IN OMEJITVE.......................................................................................3

1.4 UPORABLJENE RAZISKOVALNE METODE.......................................................................3

2 TEORETIČNI DEL..........................................................................................................4

2.1 FIZIKALNO-KEMIJSKE OSNOVE MATERIALOV IN TRDNIN...................................................4

2.1.1 Fotovoltaični efekt.....................................................................................................5

2.1.2 Osnovna struktura in princip delovanja sončne celice...............................................7

2.1.3 Opredelitev fotovoltaičnih materialov in polprevodnikov.......................................10

2.1.4 Dopiranje in nastanek p-n spoja...............................................................................13

2.1.5 Karakterizacija okoljskih vplivov fotovoltaičnih materialov in tehnoloških

procesov............................................................................................................................19

2.2 VRSTE FOTOVOLTAIČNIH MATERIALOV............................................................24

2.2.1 Monokristalni silicij.................................................................................................24

2.2.2 Polikristalni silicij....................................................................................................26

2.2.3 Amorfni silicij..........................................................................................................30

2.2.4 Galijev arzenid.........................................................................................................33

2.2.5 Kadmijev telurid......................................................................................................34

2.2.6 Bakrov indijev diselenid..........................................................................................36

2.3 TERMINOLOGIJA INVENCIJSKO-INOVACIJSKEGA MANAGEMENTA.......38

2.3.1 Opredelitev pojma invencija...............................................................................38

2.3.2 Opredelitev pojma inovacija...............................................................................40

2.3.3 Uveljavljanje inovacij.........................................................................................42

3 RAZISKOVALNI DEL..................................................................................................46

3.1 PRIMERJALNA ANALIZA FOTOVOLTAIČNIH MATERIALOV......................46

VII


3.2 PREDSTAVITEV ANKETNEGA VPRAŠALNIKA...............................................53

3.3 APROKSIMACIJA STOPNJE USPEŠNOSTI AGENTOV SPREMINJANJA.......54

4 SKLEPI Z UGOTOVITVAMI O HIPOTEZAH.........................................................58

4.1 VREDNOTENJE HIPOTEZ......................................................................................58

4.2 SKLEPI IN MNENJE................................................................................................60

5 VIRI IN LITERATURA.................................................................................................61

VIII


KAZALO SLIK

Slika 2. 1 Struktura pasov v polprevodniku................................................................................5

Slika 2. 2 Energijski nivoji elektronov in vrzeli v intrinzičnem, polprevodniku tipa n in p.......7

Slika 2. 3 Delovanje sončne celice pri osvetlitvi........................................................................8

Slika 2. 4 Vpliv temperature na karakteristiko sončne celice.....................................................9

Slika 2. 5 Karakteristike sončne celice pri različno močnih osvetlitvah..................................10

Slika 2. 6 n-dopiranje kristalnega silicija..................................................................................13

Slika 2. 7 p-dopiranje kristalnega silicija..................................................................................14

Slika 2. 8 Značilen p-n stik.......................................................................................................16

Slika 2. 9 Postopek Czochralski................................................................................................19

Slika 2. 10 Proces izdelave monokristalnih silicijevih celic.....................................................20

Slika 2. 11 Rezine monokristalnega silicija iz ingota...............................................................23

Slika 2. 12 Delovanje silicijeve sončne celice..........................................................................27

Slika 2. 13 Struktura amorfnega silicija....................................................................................29

Slika 2. 14 Zasnova izdelave sončnih celic iz amorfnega silicija.............................................30

Slika 2. 15 Postopek nadaljnje izdelave solarnih celic iz a-Si..................................................31

Slika 2. 16 Zgradba CIS sončne celice.....................................................................................35

Slika 2. 17 Struktura celic po plasteh........................................................................................36

Slika 3. 1 Neposredni prehod....................................................................................................44

Slika 3. 2 Posredni prehod........................................................................................................45

Slika 3. 3 Informiranost anketirancev - rezultati......................................................................54

Slika 3. 4 Udejstvovanje anketirancev - rezultati.....................................................................54

Slika 3. 5 Vplivni parametri nakupne odločitve anketirancev..................................................55

IX


KAZALO TABEL

Tabela 3. 1 Primerjava velikosti prepovedanega pasu..............................................................46

Tabela 3. 2 Prednosti in slabosti fotovoltaičnih materialov......................................................48

Tabela 3. 3 Maksimalne (ekstremne) vrednosti izkoristkov.....................................................49

Tabela 3. 4 Primerjava doseženih izkoristkov..........................................................................50

X


1 UVOD

1.1 Opredelitev področja in opis problema

Fotovoltaika je veda, ki preučuje pretvorbo sončne energije v električno. Energija sonca je

najbolj obetajoči vir energije novih generacij. Njena moč je izredno velika in kljub temu, da je

na razpolago že 5 milijard let se za njen obstoj ni bati, povrhu vsega pa velja za čisto energijo.

V osnovi ločimo posredno in neposredno pretvorbo sončnega sevanja v električno

energijo. Medtem ko pri posrednem načinu pretvorbe v toplotnih strojih izrabljamo toploto

sončnega sevanja, bomo natančneje predstavili neposredno pretvorbo sončnega sevanja v

električno energijo, ki jo imenujemo fotovoltaična energijska pretvorba, le-to pa omogočajo

sončne celice – fotovoltaiki. Obravnavana pretvorba je za nas še posebej zanimiva, saj je

zanesljiva in enostavna, ker se za celoten sistem pretvorbe energije ne uporabljajo številni

deli, kot jih poznamo v Rankinovem, Stirlingovem ali Braytonovem procesu.

Sončne celice so zgrajene iz polprevodnikov tipa n in p, ki jih dobimo z dopiranjem

relativno čistega silicija (99,99 %). Fotovoltaika se ukvarja z različnimi oblikami sončnih

celic, ki imajo skupno lastnost, da ob sončnem sevanju fotoni povzročijo t.i. fotovoltaični

efekt, kar omogoči pretvorbo sončne energije v električno.

Uveljavljanje sončnih celic za vsakdanjo uporabo v obliki panelov in modulov se je

začelo že pred nekaj desetletji, vendar ponujajo današnji fotovoltaični materiali številne

prednosti na tehničnem in inovacijskem področju. Kot vsaka inovacija, je fotovoltaika s

prenosom teoretičnih modelov na aplikativno rabo povzročila zanimanje pri ciljnih skupinah

(odjemalcih). Osebe, ki poskušajo novost na pozitivni način predstaviti morebitnim

odjemalcem in poskrbeti za njeno uveljavitev so agenti spreminjanja. Le-ti so dosegli številne

cilje in povzročili sprejetje fotovoltaičnih materialov pri ljudeh, ki s tem pripomorejo k

racionalni rabi energije, zmanjšanju okoljskih vplivov iz naslova energentov in k vedno večji

ekonomski rentabilnosti kakršnekoli investicije v fotovoltaične sisteme.

1


1.2 Namen in cilji

Namen diplomskega dela je:

- opisati, prikazati in razložiti terminologijo na področju fotovoltaike,

- opisati lastnosti fotovoltaičnih materialov in preučiti nastanek fotovoltaičnega efekta ter

fizikalno-kemijska analiza sončnih celic,

- tehnološko in inovativno ovrednotenje raznovrstnih obstoječih in potencialnih

kandidatov za najustreznejše fotovoltaične materiale,

- predstaviti vplive fotovoltaičnih materialov in tehnologij za izdelavo le-teh na okolje,

- ovrednotiti učinkovitost agentov spreminjanja in oceniti stopnjo sprejetosti fotovoltaike

v uporabi ciljnih skupin (odjemalcev).

Cilji diplomskega dela:

- preučiti fizikalno-kemijske lastnosti obstoječih in potencialnih fotovoltaičnih materialov

- pregledati tehnične in inovativne lastnosti fotovoltaičnih materialov in podati oceno

učinkovitosti delovanja agentov spreminjanja pri potencialnih uporabnikih

- ugotoviti tehnično-inovacijski potencial obstoječih in obetajočih fotovoltaičnih

materialov in tehnologij za njihovo izdelavo.

Temeljne predpostavke diplomskega dela so sledeče:

H1: Lastnosti, specifikacije in izkoristki fotovoltaičnih materialov se razlikujejo.

H2: Uporaba fotovoltaičnih materialov je z okoljskega vidika sprejemljiva.

H3: Emergenca vplivov tehnologije izdelave fotovoltaičnih materialov na okolje ni

zanemarljiva.

H4: Agenti spreminjanja in mnenjski vodje so dosegli zadovoljivo raven uporabe

fotovoltaičnih materialov in z njimi povezanih tehnologij in sistemov v aplikativni rabi.

H5: Obstajajo še številne možnosti za nadaljnje raziskave in izboljšave sestave sončnih celic.

2


1.3 Predpostavke in omejitve

V diplomskem delu bomo obravnavali področje fotovoltaičnih materialov, kjer se bomo

omejili na fizikalno-kemijske lastnosti le-teh, ekološko-energetsko bilanco tehnologij za

njihovo izdelavo in iskanje inovacijskega in tehničnega potenciala za nadaljnji razvoj in

izboljšave obstoječih in mogočih fotovoltaičnih materialov.

V teoretičnem delu bomo natančneje preučili terminologijo s področja fotovoltaike s

poudarkom na fotovoltaičnih materialih in fotovoltaičnem efektu ter inovacijsko-

invencijskega managementa. V raziskovalnem delu bomo preučili karakteristike

fotovoltaičnih materialov, tehnologije za njihovo izdelavo in možnosti za izboljšavo vseh

parametrov v celotnem življenjskem ciklu fotovoltaičnih materialov, obenem pa pregledali

uspešnost delovanja agentov spreminjanja.

1.4 Uporabljene raziskovalne metode

Teoretične metode raziskovanja:

- terminologijo s področja fotovoltaike in invencijsko-inovacijskega managementa bomo

preučili s pomočjo ustrezne znanstvene in strokovne literature,

- ugotavljanje učinkovitosti delovanja agentov spreminjanja in sprejetja inovacij s

področja fotovoltaike s pomočjo oblikovanja anketnega vprašalnika,

Eksperimentalne metode raziskovanja:

- primerjalna analiza fotovoltaičnih materialov in zgradb sončnih celic,

- s pomočjo preučevanja materialov ugotovitev uporabnih tehničnih in inovativnih

lastnosti fotovoltaičnih materialov in sprejetje le-teh pri ciljnih skupinah,

- analizirati rezultate anketnega vprašalnika in diskusija,

- s pomočjo matematičnega modela (izračunov) primerjati izkoristke, vrednosti in

rentabilnosti obstoječih in obetajočih fotovoltaičnih materialov in tehnologij za izdelavo le-

teh.

3


2 TEORETIČNI DEL

2.1 Fizikalno-kemijske osnove materialov in trdnin

»Kristali kovin so zgrajeni iz atomov, ki jih sestavljajo jedra, obdana z elektroni. Elektroni

bližje jedrom so trdno vezani, medtem ko je vez, ki drži elektrone na zunanjih oblah, precej

šibkejša. Zunanje elektrone imenujemo tudi valenčni ali prevodni elektroni. Lahko se prosto

premikajo po notranjosti kovine, kar je zaradi vplivov sosednjih prostih elektronov ali

ioniziranih jeder in njihovih elektronov neto sila, ki deluje nanje, enaka 0. Tako se ti elektroni

premikajo po ekvipotencialnem polju (konstantnega električnega potenciala), pri čemer ima

vsak konstantno elektrostatično potencialno vrednost Ei neodvisno od položaja znotraj

kristala.« (Hribernik, 2010, 33)

»Razliko med prevodniki, polprevodniki in izolatorji je mogoče pojasniti s teorijo

energijskih pasov v trdninah. V sistemu prostih (izoliranih) atomov iste vrste, kot je to na

primer v plinu, zasedajo valenčni elektroni niz določenih energijskih nivojev, ki so odvisni od

dovoljenih energijskih stanj posameznega atoma. Če se ti atomi združijo, npr. v kristale, pride

med njimi do medsebojnih vplivov, kar povzroči, da se energijske ravni razširijo v niz

energijskih pasov.« (Hribernik, 2010, 35)

Prostora med energijskimi pasovi elektroni ne morejo zasesti, zato ga imenujemo

prepovedani pas. Prepovedani pas je energijski pas, ki se nahaja v področju od vrha

valenčnega pasu do začetka prevodnega pasu. To je pas, v katerem ni energetskih stanj

elektronov in se v tem pasu ne nahaja noben elektron. Prepovedani pas se nahaja v izolatorjih

in polprevodnikih. Prevodniki nimajo prepovedanega pasu, ker se valenčni in prevodni pas

delno prekrivata. Velikost prepovedanega pasu običajno navajamo v elektronvoltih (oznaka

eV). To je energija, ki jo potrebuje elektron, da se osvobodi in postane prosto se gibajoč

nosilec naboja v kristalni mreži.

4


Slika 2. 1 Struktura pasov v polprevodniku

Vir: (http://sl.wikipedia.org/wiki/Prepovedani_pas)

5

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/29/Bandgap_in_semiconductor_sl.svg


»Širina in razmik energijskega pasu in prepovedanega pasu sta odvisna od vrste

kristalizirane snovi. Energijski pasovi so lahko povsem nezasedeni, popolnoma ali pa le delno

zasedeni z elektroni. Visoka prevodnost kovin je posledica nepopolne zasedenosti najvišjega

energijskega pasu. Pod vplivom zunanjega električnega polja se energija elektronov v

nepopolno zasedenem pasu poveča, kar jim omogoča, da napredujejo v vrsto razpoložljivih

energijskih stanj, ki se nahajajo nad energijskim pasom, ki ga zasedajo.« (Hribernik, 2010,

36)

»Najvišji zapolnjen ali delno zapolnjen energijski pas se imenuje valenčni pas, naslednji

prazen, a razpoložljiv pas, se imenuje prevodni pas. Snov je prevodnik, če sta ta dva pasova

ločena z zelo ozkim prepovedanim pasom ali se prekrivata. Kadar pasova loči širok

prepovedan pas, je snov izolator.« (Hribernik, 2010, 37) Omenjena razlaga služi za pomoč pri

razumevanju in predstavitvi poglavja o polprevodnikih in nastanku p-n spoja, ki sledi v

nadaljevanju.

Zavedati se je potrebno, da se na mikroskopski ravni energija ne prenaša zvezno, ampak

v obliki diskretnih paketkov in najmanjše od njih imenujemo kvante. Svetloba je

elektromagnetno valovanje z energijo sevanja, katere kvant se imenuje foton. (povz. po

Hribernik, 2010, 40)

2.1.1 Fotovoltaični efekt

Fotovoltaični efekt pomeni nastanek električne napetosti (ali slednji pripadajočega

električnega toka) v materialu, ki je izpostavljen sončni svetlobi. Ko je sončna celica (p-n

spoj) osvetljena, se ustvarijo pari elektron-vrzel in delujejo pod vplivom notranjega

električnega polja, kar ima za posledico nastanek usmerjenega svetlobnega toka. Le-ta potuje

kljub odsotnosti zunanje napetosti in ga lahko izmerimo kot vsak električni tokokrog, hkrati

pa je premo sorazmeren intenziteti svetlobe, kajti absorpcija večje količine svetlobe pomeni

več gibajočih se elektronov znotraj električnega polja. Skupni tok v celici je določen s

pozitivno razliko, ki jo ustvari induciran svetlobni tok iz temnega toka v diodi. Celoten

fenomen imenujemo fotovoltaični efekt. (povz. po Tiwari, 2007, str. 147)

Osnovni princip fotovoltaičnega procesa je preprost, in sicer se začne z odzivom

polprevodniškega materiala, ki absorbira svetlobo, katere energija fotonov je večja od vrzeli

ustreznega pasa. Pri tem se tvorijo prosti elektroni in proste vrzeli zaradi optične

razdražljivosti v polprevodniku. Marginalna karakteristika, potrebna za nastanek

6


fotovoltaičnega efekta, je prisotnost neke vrste notranjega električnega polja, ki lahko nastane

iz številnih vzrokov, a omogoča ločiti proste elektrone in vrzeli, da lahko preidejo v zunanji

krog, preden se kombinirajo drug z drugimi. (povz. po Bube, 1998, str. 35)

Do fotovoltaičnega efekta lahko pride v sami sončni celici. Kadar je p-n spoj

izpostavljen svetlobi, tok fotonov povzroči fotoelektrični efekt. Foton dovolj visoke energije,

ki zadene silicijev atom, izbije elektron iz valenčnega v prevodni pas. Pri tem pusti elektron

za seboj vrzel. Pod vplivom električnega polja, ki se ustvari na p-n spoju, potujejo elektroni v

območje polprevodnika tipa n, vrzeli pa v območje polprevodnika tipa p.

»Tok nabitih delcev v električnem polju je podoben toku delcev v kanalu v polju

gravitacije. Težji delci tonejo višjega na nižji nivo, lažji delci pa se dvigajo z nižjega na višji

nivo. Ker je intenziteta rekombinacije prostih elektronov in vrzeli v območju p-n spoja

počasna, sledi osiromašenost prosto nabitih delcev, lahko obe snovi povežemo z električnim

vodnikom in zaradi diference potencialov (0,5 V) stečejo po njem elektroni iz snovi n proti

snovi p in zapolnijo nastale vrzeli, pri tem pa lahko premagujejo breme in opravijo koristno

delo.« (Hribernik, 2010, 41)

2.1.2 Osnovna struktura in princip delovanja sončne celice

Sončna celica je naprava, ki sončne fotone (sončno energijo) s pomočjo elektronov pretvori v

električni tok. Zgornji opis efekta lahko prenesemo na sončno celico, ki na mikroskopski

ravni sestoji iz prej opisanih spojev in delcev. Prosti elektroni, ki nastajajo zaradi trkov

fotonov s Si-atomi, v območju p-n spoja potujejo zaradi električnega polja skozi območje

polprevodnika n-tipa, vrzeli pa skozi območje polprevodnika p-tipa do površinskih kontaktov,

imenovani tudi tokovni kolektorji.

Glavna enota fotovoltaičnega sistema je sončna celica, ki je izdelana s spajanjem

polprevodnikov tipa p in n. Osnovna snov je najpogosteje silicij, ki mu v izredno majhnih

količinah dodajo »nečistoče«. Tako na primer z dodajanjem fosforja pridobi snov lastnost

polprevodnika tipa n, z dodajanjem bora pa lastnosti polprevodnika tipa p. Spoj

polprevodnikov tipa n in p povzroča nastanek elektrostatičnega polja z značilno napetostjo

okoli 0,5 V. Ko sončna svetloba zadene celico in je na celico priključen porabnik, skozenj

steče električni tok. (povz. po Hribernik, 2010, str. 44)

Elektroni se skoncentrirajo ob zgornji kontaktni površini, vrzeli pa ob spodnji. Če

kontaktni površini med seboj povežemo, stečejo elektroni po vodniku do vrzeli, s katerimi se

rekombinirajo. Ob stalni osvetljenosti sončne celice nastaja torej stalen tok elektronov, to je

7


električni tok. Sončne celice ne pretvorijo v električno energijo vsega vpadnega sončnega

sevanja. Energija fotonov nizkofrekvenčnega dela spektra ne zadošča za izbitje elektrona.

Energija fotonov visokofrekvenčnega spektra je višja od potrebne, zato je del ostane

neizrabljen.

Slika 2. 2 Energijski nivoji elektronov in vrzeli v intrinzičnem, polprevodniku tipa n in

tipa p

Vir: (http://www-f1.ijs.si/~ziherl/fotocelice.pdf)

Med prevodnim in valenčnim pasom je energijska reža (slika 2.2), tako da je pri

polprevodniku tipa n presežek elektronov (črne pike), pri prevodniku tipa p pa presežek vrzeli

(bele pike).

»Tako je maksimalna teoretična učinkovitost silicijevih sončnih celic približno 48 %.

Pri tem je učinkovitost definirana kot razmerje med električno močjo izhoda na celici, modulu

ali plošči, ter močjo sončnih žarkov na celotno izpostavljeno površino. Dejanska učinkovitost

je veliko nižja. Del sončne energije se namreč odbije ali absorbira v nefotovoltaični površini.

Segrevanje sončne celice povzroča električne izgube in prerazporeditve parov elektron-vrzel,

le-to pa poteka z višanjem temperature vse hitreje.« (Hribernik, 2010, 43)

8


Slika 2. 3 Delovanje sončne celice pri osvetlitvi


Ko prileti foton v celico (slika 2.3), povzroči par elektron-vrzel. Električno polje loči in

povleče elektrone iz prehodnega področja v polprevodnik tipa n in vrzeli v polprevodnik tipa

p. Ločitev elektronov in vrzeli povzroči napetostno razliko na kontaktih, ki ob priključitvi

porabnika požene električni tok Is).

Izkoristek sončne celice je definiran kot razmerje maksimalne proizvedene moči sončne

celice Pmax pri standardnih testnih pogojih in moči svetlobe, s katero je osvetljena površina (A)

sončne celice. Najbolj standardni pogoji so: gostota svetlobnega toka 1 kW/m2, standardni

referenčni spekter vpadle svetlobe AM 1.5 (koeficient zračne mase opiše dolžino poti, ki jo

opravi sončna svetloba pri točki 'x', ki se nahaja pod kotom 48.2° iz zenita ter se uporablja za

standardno merjenje izkoristkov sončnih celic) in pri temperaturi 25°C. Torej (enačba 2.1):

η= Pmax / A1000 W /m2

(2.1)

Pmax [W] – maksimalna proizvedena moč sončne celice

A [m2] – površina celice

V vsakdanji rabi imajo sončne celice običajno obliko okroglih rezin premera 7,6 cm ter

debeline 300 mikrometrov. Vendar so pravokotne in kvadrataste rezine primernejše, saj

zagotavljajo boljši izkoristek površine, kadar celice postavljamo eno ob drugi. Posamezna

celica tako zagotavlja moč 1 W pri prej omenjeni napetosti 0,5 V. Električno povezovanje

celic v module velikosti 1,2 m x 1,2 m pa zagotovi zahtevan tok in napetost. Povezovanje

9


modulov v panele in teh naprej v fotovoltaična polja pa da zahtevano moč. (povz. po

Hribernik, 2010, str. 43)

Slika 2. 4 Vpliv temperature na karakteristiko sončne celice


Slika 2. 5 Karakteristike sončne celice pri različno močnih osvetlitvah.


Z večanjem temperature se napetost na celici manjša (slika 2.4), medtem ko

karakteristike sončne celice pri različno močnih osvetlitvah kažejo na dejstvo, da čim večja je

10


gostota svetlobnega toka, tem večji je tok skozi celico. (Ziherl, 2010, 17, povz. po Markvark,

2000, str. 331)

2.1.3 Opredelitev fotovoltaičnih materialov in polprevodnikov

Material oz. sredstvo lahko poimenujemo za fotovoltaično, ko njegova izpostavljenost

svetlobi povzroči absorpcijo le-te in ima material sposobnost pretvoriti energijo svetlobnih

fotonov v električno energijo v obliki toka in napetosti. Zaradi relativno enostavnega koncepta

delovanja in definicije je spekter fotovoltaičnih materialov precej širok. Nabor le-teh se zoži,

ko želimo izbrati tiste z boljšimi izkoristki pretvorbe sončnega sevanja v električno energijo,

tj. nad 20 %, in ko so zahtevani nizki stroški proizvodnje, obenem pa visoka zanesljivost

delovanja celotnega sistema, ki temelji na pravi izbiri fotovoltaičnih materialov. (povz. po

Bube, 1998, str. 41)

Ker so polprevodniki pomembnejši sklop elementov pri sooblikovanju sončnih celic, je

razumevanje delovanja le-teh in osnovnih fizikalno-kemijskih zakonitosti trdnin osnova za

predstavitev fotovoltaičnih materialov.

»Obstaja vrsta snovi, pri katerih je prepovedan pas med valenčnim in prevodnim pasom

razmeroma ozek, približno 1 eV. Primer sta silicij in germanij s širino praznine 1,1 oziroma

0,7 eV. Takšne snovi se pri nizkih temperaturah obnašajo kot izolatorji. Pri zelo visokih

temperaturah pa zadostno število elektronov sprejme toliko toplotne energije, da se

premaknejo v prevodni pas (število teh elektronov je funkcija tako temperature kot širine

praznine) in snov postane prevodna. Takšne snovi (čiste snovi) se imenujejo pravi

polprevodniki.« (Hribernik, 2010, 37)

S pomočjo Mendelejevega periodnega sistema lahko izločimo kemijske elemente, pri

katerih so tvorbe polprevodniških materialov najpogostejše. Iz IV. skupine periodnega

sistema poznamo monoatomarne polprevodnike, med katere spadata silicij in germanij.

Slednja imata diamantno kubično kristalno strukturo, kjer je vsak atom ekvidistantno obdan s

štirimi sosednjimi atomi, ki se nahajajo v navidezni tetraedrični tvorbi. (povz. po Andreev,

1997 ,str. 2)

Poleg monoatomarnih spojin pa poznamo diamantu podobne binarne spojine, ki jih

tvorijo elementi III. in V. skupine periodnega sistema in prav tako kažejo lastnosti

polprevodniških materialov. Mednje sodijo spojine galija in arzena (GaAs), indija in antimona

11


(InSb) in aluminija in arzena (AlAs). V teh spojinah je vsak atom tretje skupine obdan s

štirimi sosednjimi atomi iz pete skupine ali obratno. Podobno kot elementi tretje in pete

skupine, se obnašajo tudi spojine elementov II. in VI. skupine periodnega sistema, to so

sulfidi, selenidi in teluridi s cinkom in kadmijem, ki jim je skupno izkazovanje

polprevodniških lastnosti. (povz. po Andreev, 1997, str. 2)

Za primer vzemimo kristalno strukturo silicija, ki sestoji iz atomov, ki imajo po 4

valenčne elektrone. Atomi so trdno vezani v kristalno rešetko, njihovi valenčni elektroni, ki si

jih delijo s sosednjimi atomi, pa tvorijo valenčno vez. Fotoni svetlobe in termične vibracije

zagotavljajo energijo za spontan premik posameznih elektronov iz valenčnega v prevodni pas.

Pri premiku elektrona iz valenčnega v prevodni pas zapusti le-ta za seboj vrzel, ki postane

lokalno območje pozitivnega neto naboja. Tako kot prosti elektroni, ki imajo negativni naboj,

lahko tudi vrzeli s pozitivnim nabojem prevajajo električni tok skozi snov. (povz. po

Hribernik, 2010, str. 46)

Glavni element za izdelavo sončnih celic je silicij, ki je zaenkrat najpogostejša surovina

za masovno proizvodnjo sončnih celic. Kot najpogosteje uporabljeni polprevodnik ima več

dobrih lastnosti: v naravi se nahaja v zelo velikih količinah, saj v obliki oksidov SiO2 sestavlja

1/3 zemeljske skorje. Je nestrupen, okolju prijazen, tudi odpadki ne predstavljajo težav.

Možno ga je taliti, obdelovati in oblikovati v monokristalno obliko. Njegove električne

lastnosti (obstojnost do 125 °C) omogočajo uporabo silicijevih polprevodniških elementov

tudi v najzahtevnejših pogojih.

V začetku je potrebno najti ustrezna nahajališča in vire silicija, ki ga za razliko od

ogljika na Zemlji nimamo veliko v čisti obliki, ampak v spojini s kisikom. Po izkopu silike je

potrebno odstraniti kisik, kar pa ni energijsko varčen proces. Ob potrebni redukciji

silicijevega dioksida z ogljikom nastaja ogljikov dioksid, stranski produkt, ki ga uvrščamo

med toplogredne pline. Energijska cena tega procesa se še vedno zmanjšuje in je trenutno

nekje na 50 kWh/kg metalurško čistega silicija, medtem ko je bila leta 1999 ta vrednost

znatno višja, in sicer 200 kWh/kg. (povz. po Messenger, 2010, str. 410)

»Čisti silicij pridobivamo iz peska (SiO2) s sledečim procesiranjem; osnovna surovina

za izdelavo čistega silicija je metalurški surovi silicij, ki ga pridobivamo z redukcijo v

elektropečeh pri temperaturi pri 1800 °C. Čistoča tako pridobljenega metalurškega silicija

znaša 98-99%. Kot reducent služijo oglene elektrode, celotna reakcija pa je sledeča:

SiO2 + C -> Si + CO2 .

12


Tega potem z raznimi metodami čistijo toliko časa, dokler ni odstotek čistega silicija v

pridobljenem materialu najmanj 99.9999999 %. Glede na gostoto silicija, ki znaša 5x1022

atomov / cm3, to pomeni 5x1013 atomov nečistoč / cm3.«

(http://www-f1.ijs.si/~ziherl/fotocelice.pdf)

Silicij dominira pri uporabi v polprevodniških sistemih zadnjih 50 let. Gre za drugi

najpogostejši material, ki ga zasledimo v Zemljini skorji, obenem pa je stabilen in ni toksičen.

Iz tehnično-tehnološkega vidika je zelo razvit, dejstvo pa je tudi, da je njegova kristalna

struktura skupaj z idealno širino praznine – prepovedan pas med valenčnim in prevodnim

pasom – skoraj idealna za razvoj sončnih celic. Vse omenjene lastnosti in specifikacije so mu

omogočile prednost pri razvoju in vsesplošni uporabi v fotovoltaiki.

2.1.4 Dopiranje in nastanek p-n spoja

Dopiranje imenujemo postopek, kadar v čisto snov namenoma vsadimo izbrano majhno

količino drugega kemijskega elementa (običajno 1017 atomov na kubični centimeter), saj s tem

dobimo t.i. umetne polprevodnike.

Izvedba dopiranja predstavlja v proizvodnji polprevodnikov namenski proces vnosa

nečistoč (v izredno majhnih količinah oz. v sledeh) v čiste oziroma prave polprevodnike, z

željo po spremembi njihovih elektro-fizikalnih lastnosti. Snov, ki jo vnašamo, imenujemo

dopant. Vrsta nečistoč je odvisna od tipa polprevodnika, ki ga v danem primeru ne želimo.

Najpogostejši vzrok dopiranja je ravno povečanje prevodnosti polprevodniških

materialov, za kar so potrebne natančno kontrolirane količine ionov, da dobimo ustrezen

dopiran oz. umeten polprevodnik. Važno dejstvo je, da imata tako p-tip kot n-tip na novo

pridobljenega polprevodnika večjo električno prevodnost kot osnovni (bazični) material.

(povz. po Tiwari, 2007, str. 84)

Običajno polprevodniki nimajo prostih elektronov v prevodnem pasu, prav tako pa

zaradi termične energije zelo malo elektronov preskoči v prevodni pas. Kadar pa vnesemo

nečistoče v izredno čist polprevodnik, se poveča število prostih elektronov, ki lahko prevajajo

električni tok. Splošno veljavno dejstvo je, da se za izdelavo anorganskih polprevodnikov

najpogosteje uporabljajo elementi IV. skupine periodnega sistema, predvsem silicij in

germanij, primeren pa je tudi silicijev karbid.

13


»Za primer vzemimo fosfor, ki je atom iz pete skupine in je na zadnji elektronski obli

obdan s 5 valenčnimi elektroni. Samo štirje od njih so potrebni v valenčni vezi, medtem ko je

eden prost. Torej ima kristal Si z vsajenimi (op.a. dopiranimi) P atomi presežek prostih

elektronov. Zaradi prostih negativno nabitih delcev imenujemo tak kristal polprevodnik n-

tipa.« (Hribernik, 2010, 38)

Slika 2. 6 n-dopiranje kristalnega silicija

Vir: (http://sl.wikipedia.org/wiki/Dopiranje)

»Polprevodnik p-tipa pa dobimo, kadar v osnovno Si kristalno strukturo vsadimo (op.a.

dopiramo) atome bora. Bor je atom iz tretje skupine in ima na zadnji elektronski obli 3

valenčne elektrone. Ker so v valenčni vezi potrebni štirje, se torej ustvarijo vrzeli, ki, kot smo

že opisali, tudi omogočajo prevod električnega toka skozi snov.« (Hribernik, 2010, 38)

Slika 2. 7 p-dopiranje kristalnega silicija

Vir: (http://sl.wikipedia.org/wiki/Dopiranje)

14

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/22/Schema_-_n-dotiertes_Silicium.svg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0d/Schema_-_p-dotiertes_Silicium.svg


»Primesi dodajo v prepovedan pas med valenčnim in prevodnim pasom dopustni

energijski nivo. V primeru polprevodnika tipa n je dopustni energijski nivo, ki nastane z

dodajanjem atomov z večjim številom elektronov na zadnji elektronski obli (na primer fosfor)

tik pod prevodnim pasom. Imenujemo ga donatorski nivo in ima presežek elektronov, ki

lahko, vzburjeni že pri sobnih temperaturah, prehajajo v prevodni pas, saj je širina

prepovedanega pasu izredno ozka. Le redki od elektronov v prevodnem pasu zato prihajajo iz

valenčnega pasu.« (Hribernik, 2010, 39)

»V p-tipu polprevodnika je dovoljen energijski nivo tik nad vrhom valenčnega pasu. Ta

energijski nivo imenujemo sprejemni nivo. Primesi imajo v tem primeru na zadnji elektronski

obli manjše število atomov kot atom Si (kot npr. atomi bora B). Pri sobni temperaturi se

elektroni premaknejo iz valenčnega pasu do sprejemnega nivoja, ki elektrone priklene. To

povzroči pomanjkanje elektronov v valenčnem pasu, t.i. vrzeli, ki jih lahko, kot že rečeno,

obravnavamo kot pozitivno nabite delce.

Znova je število elektronov, ki prestopijo iz valenčnega v prevodni pas (primer pravega

polprevodnika), majhno. Pri obeh tipih polprevodnikov je prevodnost torej v glavnem odvisna

od količine in vrste primesi (nečistoč). Pomembno pa je poudariti, da je neto naboj

polprevodnikov n-tipa in p-tipa enak 0. Oznaki p in n se nanašata le na naboj delcev, ki v

enem ali drugem primeru omogočijo prenos naboja skozi snov.« (Hribernik, 2010, 39).

Poznavanje temeljnih zakonitosti na področju dopiranja in polprevodniške proizvodnje

je ključno za uspešno integracijo elementov sončnih celic, ki v splošnem sestojijo tako iz

polprevodnikov tipa n kot tudi polprevodnikov tipa p.

Poznamo več vrst polprevodniških spojev, ki imajo potencialno možnost uveljavljanja v

sončnih celicah. Bistvo vsakega spoja je zagotavljanje notranjega električnega polja, ki je

potrebno za učinkovito tokovno kroženje.

Med pomembnejše spoje uvrščamo (povz. po Bube, 1998, str. 16):

• homogeni p-n spoj (sestoji iz istega polprevodnika, dopiranega na dva načina),

• heterogeni p-n spoj (sestoji iz dveh polprevodnikov z različnima vrednostma

prepovedanega pasu – eV),

• kombinacijo heterogenega in homogenega spoja (vzpostavitev spoja, ki deluje izključno

na prednostih vsakega izmed zgoraj opisanih),

15


• kovinski polprevodniški spoji (Schottkyev spoj, ki temelji na stiku kovine in

polprevodniškega materiala),

• p-i-n spoji (v spoj je dodana plast nedopiranega, ponavadi enakega, polprevodnika),

• polprevodniški elektrolitski spoji (pri spoju uporabimo polprevodnik, potopljen v

tekočino, kjer opazujemo elektrolite).

Ko dva tipa polprevodnika "staknemo" skupaj (slika 2.8), pride do difuzije nabojev

preko stične površine. Te združitve v praksi dejansko ne moremo izvesti, a nam pomaga pri

lažjem razumevanju sončne celice. Elektroni iz polprevodnika tipa n pričnejo prodirati v

polprevodnik p tipa, medtem ko vrzeli prodirajo iz polprevodnika tipa p v tip n. Tako ob robu

spoja v polprevodniku tipa p nastane negativni prostorski naboj, v tipu n pa pozitiven.

Slika 2. 8 Značilen p-n stik

Vir: (http://pv.fe.uni-lj.si/PVpojav.aspx)

Med črtkanima črtama (slika 2.8) je p-n stik oz. prehodno območje. Zaradi presežka

pozitivnega fiksnega naboja v polprevodniku tipa n in presežka negativnega naboja v

polprevodniku tipa p nastane na sredini električno polje, ki zavira nadaljnji prehod elektronov

in vrzeli.

»Ustvarjeni naboj povzroči električno polje, ki zavira nadaljnjo difuzijo delcev. Če

nosilci ne bi imeli naboja in ne bi nastalo električno polje, bi delci prodirali tako dolgo, dokler

ne bi bili enakomerno porazdeljeni po celotnem polprevodniku. Območje, kjer se poruši

električna nevtralnost, imenujemo prehodno (osiromašeno) področje ali področje prostorskega

naboja. S priključitvijo zunanje napetosti na zgradbo z opisanim p-n spojem se zaviralno

16


električno polje v prehodnem področju spreminja in skozi diodo lahko teče električni tok le v

eni smeri.

V osvetljeni sončni celici se generirajo pari elektron-vrzel. Električno polje loči in

povleče elektrone iz prehodnega področja v polprevodnik tipa n in vrzeli v polprevodnik tipa

p. Elektroni in vrzeli se nato v nevtralnem delu polprevodnika s pomočjo difuzije premikajo

proti kontaktoma. Ločitev elektronov in vrzeli povzroči napetostno razliko na kontaktih, ki ob

priključitvi porabnika požene električni tok.« (http://pv.fe.uni-lj.si/PVpojav.aspx)

Povzamemo lahko, da so sončne celice v osnovi polprevodniške diode z veliko

površino. Do pretvorbe energije svetlobe v električno energijo (tok) prihaja zaradi

fotovoltaičnega pojava. Pri vpadu fotonov na kristalno mrežo polprevodnika fotoni oddajo

svojo energijo kristalni mreži in če je energija dovolj velika, ta pojav povzroča nastajanje

prostih valenčnih elektronov. Svetlobna energija ne doteka kontinuirano, ampak v kvantih

svetlobnega valovanja.

Energija kvantov je odvisna od valovne dolžine svetlobe oziroma elektromagnetnega

valovanja in od tega je tudi odvisno število sproščenih elektronov. Prosti elektroni bodo

nastali le v primeru, če bo energija vpadnih fotonov enaka ali večja kot WL - WV (meja

valenčnega in prevodnega pasu). Zveza med frekvenco in energijo vpadnega fotona (enačba

2.2) je sledeča (http://www.pvresources.com/si/tehnologije.php):

W = h • v (2.2)

h - Planckova konstanta (6.626•10-34 Ws2),

v - frekvenca (Hz)

Kot smo lahko razbrali, pa je robni pogoj za fotovoltaično energijsko pretvorbo

elektronska asimetrija v polprevodniški strukturi, imenovana p-n spoj. Z združitvijo p-tipa in

n-tipa polprevodnikov poteka opisan tok elektronov in analogno tok vrzeli. Končno stanje

imenujemo p-n spoj in je lahko povezan z virom elektrike na dva načina, odvisno od tega ali

je p-tip (n-tip) priključen na pozitivno (negativno) mesto vira. (povz. po Tiwari, 2007, 85)

Na strani polprevodnika tipa p se zato zgradi lokalno območje z visoko koncentracijo

elektronov in negativnim nabojem, medtem ko se zgradi na nasprotni strani v področju

polprevodnika tipa n lokalno območje z visoko koncentracijo vrzeli (manjkajočih elektronov)

in pozitivnim nabojem. To povzroči na spoju razliko električnih potencialov, tj. majhno

električno napetost. Ta požene tok elektronov v nasprotno smer, tako da se tokova elektronov

17


v eno in drugo smer izenačita in je neto tok, ki teče skozi spoj, enak 0. Medtem ko je

ravnotežna električna napetost, ki se vzpostavi v primeru Si-sončne celice, enaka približno 0,5

V. (povz. po Hribernik, 2010, str. 41)

»Velja opozoriti, da je v nastalem električnem polju, ki se zgradi v okolici p-n spoja,

naboj na strani polprevodnika tipa p negativen, medtem ko je naboj na strani polprevodnika

tipa n pozitiven. Prav tako je zaradi rekombinacije prostih elektronov in vrzeli območje ob p-n

spoju osiromašeno nosilcev naboja. Pri prehodu iz območja n v p se energijska pasova zato

zvezno spreminjata.« (Hribernik, 2010, 41)

18


2.1.5 Karakterizacija okoljskih vplivov fotovoltaičnih materialov in tehnoloških procesov

Škodljivi vplivi so na različne načine stalno prisotni na vseh področjih fotovoltaike

(proizvodnje, montaže in demontaže…), saj so prav tako stranski »produkt« sicer ekološko

sprejemljivega alternativnega načina pridobivanja električne energije. Napačno je sicer

razmišljanje, da z uporabo sončnih celic ne nadomestimo energije, ki je bila potrebna za

izdelavo le-teh. Emergenca energetske bilance potrošnje je bila v preteklosti velika, vendar je

danes veliko manjša, tako da s povprečno življenjsko dobo sončnih celic večkratno

prekoračimo energijsko bilanco v prid pridobljene energije z uporabo.

Podobnega mnenja je tudi stroka, saj so enotnega mišljenja (Hribernik, 2010, 53), da »je

zmotno prepričanje, da je porabljena energija za proizvodnjo posameznega modula večja od

energije, ki jo modul proizvede v času življenjske dobe.« Avtor navaja, da današnje raziskave

kažejo, da je čas energijskega vračanja vštevši tudi nosilno konstrukcijo v evropskih razmerah

2 do 5 let in da naj bi se v prihodnosti skrajšal na 1,5 do 2 leti. V obeh primerih je to precej

manj, kot je življenjska doba sončnih celic, ki jo ocenjujemo na 15 do 20 let.

Proizvodnja sončnih celic seveda ima negativne okoljske vplive. Ti so lahko posledica

uporabe strupenih snovi, kot je na primer kadmij, ki se uporablja za izdelavo CdTe

tankoslojnih sončnih celic in posrednih vplivov, ki izhajajo iz dejstva, da je za proizvodnjo

sončnih celic potrebno veliko energije. (povz. po Hribernik, 2010, str. 53)

Z ozirom na dejstvo, da je silicij v različnih oblikah še vedno pogost element v celotni

fotovoltaiki, je potrebno z ekonomsko-ekološkim rebalansom začeti pri slednjem, da siliciju z

morebitnim reinženiringom podaljšamo življenjski cikel. Namreč, predvidevanja kažejo na to,

da se bodo v prihodnosti uporabljali druge materiali, zaenkrat še nekoliko nepoznani, med

katerimi si bodo v nadaljevanju raziskav zaslužili obravnavo predvsem polimerni.

Če želimo zmanjšati stroškovne nosilce in onesnaženje življenjskega prostora, je nujno

iskanje in pridobivanje čim bolj čistega silicija. Le-ta je sicer zelo pogost element, vendar

ponavadi obstaja v obliki silike (kvarčnega peska). Procesiranje silike (Si02) za pridobivanje

silicija je energijsko potraten proces, zato sta potrebni kar dve leti uporabe sončnih celic, da

nadomestimo na tem mestu izgubljeno energijo. Trenutna industrijska proizvodnja silicija iz

silike namreč poteka pri temperaturi 1700 stopinj Celzija. Poleg tega je v tej fazi proizvodnje,

imenovani tudi karbotermična redukcija, na vsako tono pridobljenega silicija, potrebno dodati

še emisije približno 1,5 tone ogljikovega dioksida. (povz. po Tiwari, 2007, str. 105)

19


»Za primer vzemimo sončne celice iz monokristalnega silicija. Pri slednjem je

orientacija vseh kristalnih rešetk enaka. Takšna struktura zagotavlja majhne izgube pri

potovanju elektronov (majhen delež rekombiniranih elektronov z vrzelmi), vendar močno

podraži izdelavo. Postopek izdelave silicija se začne s pridobivanjem iz kremenčevega peska

v obločnih pečeh, kjer v redukcijski atmosferi, ki jo zagotavlja oglje ali premog, nastaja t.i.

metalurški silicij. Le-ta ni zadostne čistosti za izdelavo sončnih celic, zato se proces nadaljuje

z raztapljanjem metalurškega silicija v solni kislini, pri čemer nastaja klorosilan.« (Hribernik,

2010, 45)

Slika 2. 9 Postopek Czochralski

Vir: (http://www.top-alternative-energy-sources.com/Czochralski-process.html)

»Z destilacijo nato pridobivamo čisti triklorosilan in v naslednjem koraku po redukciji z

vodikom pri 900 stopinjah Celzija polikristalni silicij. Le-ta je že primeren za izdelavo

sončnih celic, lahko pa ga s postopkom, imenovanim Czochralski (slika 4), ki zahteva

temperature okoli 1500 stopinj Celzija, spremenimo v monokristalni silicij. Sledi razrez v

tanke rezine, debeline 400 mikrometrov. Z vsajevanjem P in B atomov se nato zgradi p-n

spoj, čelna stran rezin se ustrezno obdela, vanjo pa se vgradijo električni vodniki. Rezine se

nato vgradijo v module, le-te pa sestavljamo v panele.« (Hribernik, 2010, 45)

20


Slika 2. 10 Proces izdelave monokristalnih silicijevih celic

Vir: (http://lab.fs.uni-lj.si/ee/diploma1/stran_210.htm)

V želji po zmanjševanju stroškov in okoljskih vplivov, se zadnja leta proizvodnja

sončnih celic usmerja v izdelavo tankoslojnih celic, da bi zmanjšali porabo silicija in z njim

povezanih emisij toplogrednih plinov.

Ugotovljeno je, da tankoslojne sončne celice uporabljajo le 1 % surovin (silicija ali

drugega fotovoltaičnega materiala) glede na to porabo standardnih (debelejših) večslojnih

sončnih celic. (povz. po Tiwari, 2007, str. 105)

Med proizvajalci in okoljevarstveniki še vedno potekajo raziskave o naprednih

tehnologijah izdelave sončnih celic in o naprednejših materialih, ki bi jih lahko v njih

uporabili. Napredek je viden prav na slednjem področju, saj je znanstvenikom na univerzi v

San Diegu uspelo izdelati prevodniške polimerne celice, ki so s stališča izdelave veliko

cenejše in okoljsko bolj sprejemljive. Kakorkoli, vse organske sončne celice imajo še vedno

prekratko življenjsko dobo, saj se deformirajo pod sončno svetlobo, poleg tega pa občutljivost

nenasičenih reaktivnih polimerov na atmosferske vplive (vlaga, oksidacija) prevelike, da bi

lahko bili v komercialni rabi. (povz. po Tiwari, 2007, str. 106).

21


Pogled na proizvodni cikel fotovoltaičnih tehnologij kaj hitro pokaže potencialne

onesnaževalce tekom vsakega proizvodnega procesa. Dejstvo je, da pri proizvodnji trenutno

poznanih (razširjenih) fotovoltaičnih tehnologij in materialov nastajajo različni stranski

učinki, ki rezultirajo v različne posledice.

Osnovni problem je skupen vsem fazam in materialom, in sicer gre za emisije

ogljikovega dioksida. Le-te nameravajo v prihodnosti zmanjšati s tem, da bi energijo,

potrebno za izdelavo končnega fotovoltaičnega materiala, pridobili s pomočjo fotovoltaike,

torej z ničelnimi emisijami CO2. Napovedi namreč pravijo, da je takšna investicija smiselna,

saj naj bi novodobne sončne celice med uporabo proizvedle 8- do 10-kratno vrednost energije,

ki je potrebna za njihovo izdelavo, kot tudi panele, montažo in uravnoteženje celotnega

sistema. (povz. po Messenger, 2010, str. 364)

Sončne celice za optimalno delovanje zahtevajo čistost vseh površin, zato moramo

poskrbeti, da so materiali, uporabljeni v celicah, brez zunanjih nečistoč. V ta namen

uporabljamo številna sredstva, da panele očistimo, le-ta pa so običajno zelo toksična in

neprimerna za ekološko rabo. (povz. po Messenger, 2010, str. 364)

V kolikor se lotevamo proizvodnje silicijevih fotovoltaičnih celic, moremo iz

ekološkega vidika preučiti proces dopiranja, ki bi lahko zaradi tvorbe stranskih produktov

(oksidi, fosfati) pomenil nesprejemljiv postopek za okolje. Načeloma so ti postopki sedaj

veliko bolj dodelani, tako da so emisije tekom dopiranja minimalne.

Za celice, pri katerih je uporabljen kadmij (Cd), je glavna skrb njegova toksičnost in

velik vpliv na okolje. Podobno je tudi s telurjem, zato so procesi izdelave takšnih celic

usmerjeni v to smer, da je izdelavo slednjih potreben minimalen sloj kadmija ali telurja, kar

rezultira v majhno onesnaženje okolja. Omeniti velja še celice, pri katerih je uporabljen selen

(Se), ki ga dodajamo s pomočjo vodikovega selenida (H2Se), ki je prav tako zelo strupen,

vendar je ravno zaradi tega njegova uporaba pri izdelavi spojin in sončnih celic minimalna

(povz. po Messenger, 2010, str. 365).

Pomembno je, da se z onesnaženjem ukvarjamo tudi pri postavitvi fotovoltaičnega

sistema. Slednji prav tako sestoji iz betona, aluminija, jekla, zato so prisotne emisije

ogljikovega monoksida, ki nastaja pri redukciji železovih oksidov. Previdnost ni odveč, saj so

možne nesreče in sesutja konstrukcij, vendar je večinski delež uporabljenih materialov vseeno

nestrupen. Po postavitvi fotovoltaičnega sistema ta neslišno proizvaja ekološko čisto

električno energijo kadarkoli je sonce na nebu.

22


Ob tem je potrebno tudi dodati, da paneli, ki vsebujejo kadmij, selen ali telur niso

izpostavljeni ognju, saj so vnetljivi in lahko toplota, ki se sprošča pri gorenju (požaru)

katalizira kemijsko reakcijo in posledično povzroči negativne učinke za prisotne ljudi.

Raziskave kažejo (povz. po Messenger, 2010, str. 365), da so vsi toksični materiali

uporabljeni v tako malih količinah (v elektrarni z močjo 1 MW je uporabljenih približno 400

g kadmija), da so škodljivi učinki praktično neznatni.

Po zaključeni življenjski dobi materiala, sončne celice ali celotnega fotovoltaičnega

sistema za pridobivanje električne energije, je potrebna skrbna in premišljena demontaža s

pravilnim ravnanjem z materiali, ki smo jih opisali v zgornjih odstavkih, in sicer: kadmij (Cd),

selen (Se), svinec (Pb) in srebro (Ag). Za vse navedene materiale je bila izdana deklaracija z

navodili, kako ravnati z njimi, ko postanejo neuporabni.

23


2.2 VRSTE FOTOVOLTAIČNIH MATERIALOV

2.2.1 Monokristalni silicij

Relativno široko razširjene, vsesplošno uporabljene in poznane so sončne celice iz

monokristalnega silicija, za katerega v osnovi velja, da je orientacija vseh kristalnih rešetk

enaka. Slabost sončnih celic iz monokristalnega silicija je dražja izdelava ob neizpodbitnem

dejstvu, da takšna struktura nudi majhne izgube pri potovanju elektronov, saj imamo opraviti

z nekoliko manjšim deležem rekombiniranih elektronov z vrzelmi.

Monokristal je urejena kristalna mreža silicijevih atomov. V njegovi strukturi so napake

0- in 1-dimenzionalnega reda (točkaste in črtne). Vsak Si atom je vezan s štirimi sosednjimi

silicijevimi atomi, zaradi česar je zgradba kristala enakovredna diamantni kubični sestavi.

Slika 2. 11 Rezine monokristalnega silicija iz ingota

Vir: (http://pv.fe.uni-lj.si/PVpojav.aspx)

Zaradi visoke cene sončnih celic iz monokristalnega silicija se njegove dobre

specifikacije v praksi pogosto kompenzirajo z ugodnejšo ekonomiko njegovih konkurentov,

predvsem tankoslojnega polikristalnega silicija. Monokristalne silicijeve celice zahtevajo

visoko kvaliteto materialov in uspešno prehodnost površin, da se minimalizira vršenje procesa

rekombinacije. Prav tako je potrebno, da je večji delež lastnosti visoke kvalitete že zaradi

razdalje daljše optične vzburjenosti, povezane s prej omenjeno praznino, ki nastane v pasu,

značilnem za monokristalni silicij. Posebno oblikovane monokristalne silicijeve celice so

pokazale veliko učinkovitost, saj so njihovi izkoristki pod koncentriranim žarkom svetlobe

izkazovali vrednosti čez 28 %, medtem ko imajo splošno razširjene sončne celice iz

monokristalnega silicija vrednosti izkoristkov okoli 15 – 17 %. (povz. po Bube, 1998, str. 34-

35)

24


Glede na raziskave (Hubbard, 1995, str. 84, povz. po Bube, 1998, str. 35) je bilo

ocenjeno, da lahko pričakujemo maksimalen možni izkoristek monokristalnih silicijevih celic

v vrednostih do 35 %. Dejstvo je, da se tehnologije izdelave čistega, visokokvalitetnega

monokristalnega silicija stalno izpopolnjujejo in zato sta dandanes v rabi dve zelo uspešni

metodi (Matlock, 1996, str. 221, povz. po Bube, 1998, str. 35); tako prej omenjen postopek

Czochralski kot tudi tehnika s consko rafinacijo. V masovni proizvodnji zaseda večji delež

prvo omenjeni tehnološki postopek izdelave monokristalnega silicija.

Fosfor in bor sta najpogosteje uporabljena donatorja in sprejemnika pri dopiranju

monokristalnega silicija. Z naraščanjem gostote dopantov v aktivnih plasteh sončnih celic

zasledimo dve posledici oziroma učinka, ki zmanjšata ali spremenita elektro-fizikalne

lastnosti silicija.

Življenjska doba se zmanjša zaradi povečanja stopnje rekombinacije tipa Shockley-

Read, kjer gre za elektron-vrzel tip rekombinacije skozi nečistoče in zaradi nastanka

Augerjeve rekombinacije, kjer prihaja do energijskih izgub na račun prostih elektronov.

Spremenjene lastnosti pa so seveda odvisne od količine dopiranega elementa. Ker gre pri

dopiranju monokristalnega silicija za dodajanje količin bora ali fosforja v količinah, manjših

od 1016 delcev / cm3 le-to ne vpliva na hitrost rekombinacije, kot se slednja spremeni pri

dopiranju s količinami večjimi od 1019 delcev / cm3, kakor je bilo ugotovljeno v neodvisnih

raziskavah (del Alamo, 1996, str. 73, povz. po Bube, 1998, str. 37).

Dopiranje monokristalnega silicija je ponavadi izvedeno s procesom difuzije, ki jo je

možno izvesti na različne načine, ponavadi z visoko koncentracijo dopanta v neposredni

bližini ostale površine monokristalnega silicija, saj tako izkoriščamo termično gibanje delcev,

ko slednji potujejo z območja z višjo koncentracijo na območje z nižjo. Dopirana plast ima

krajšo življenjsko dobo, kar smo omenili v zgornjem zapisu, zato jo je potrebno kasneje

zamenjati z namenom, da se izognemo nedelovanju sončne celice. (povz. po Bube, 1998, str.

37)

Za učinkovito delovanje monokristalne silicijeve celice je potrebna težnja po

zmanjšanju rekombinacije na različnih mestih, predvsem v masi le-te, njenih površinah in

mestih stičnih ploskev. Največ rekombinacije se zgodi v masi (jedru) monokristalnega silicija,

slednjo pa lahko zmanjšamo z uporabo visokokvalitetnega in čistega silicija v začetku in

minimaliziranjem dopiranja na stopnjo, potrebno za doseganje ustreznih rezultatov sončne

25


celice, čeprav se takšno ravnanje prepogosto izkaže za prezahtevno ali ekonomsko

neupravičeno. (povz. po Cardon in Gomes, 1981 ,str. 45)

V kolikor je po dopiranju nečistoč v masi silicija preveč, je potrebno vpeljati postopke, s

katerimi zmanjšamo oz. se izognemo vplivu nečistoč na delovanje celice. Metoda s pomočjo

silicijevega dioksida zreducira gostoto nečistoč na površini, vendar ne v notranjosti silicijeve

celice, zato v fotovoltaiki ni primerna. Druga metoda deluje na principu difuzije, ki je

posledica delovanja z visoko temperaturo. Le-ta se je izkazala kot koristna v vseh delih

silicijeve celice.

Tretja metoda je kemične vrste in uporablja halogene v plinskem toku, s katerim se

obdeluje površino silicijeve celice. Halogeni reagirajo s kovinskimi nečistočami in tvorijo

spojine - soli, ki zapustijo kristal. Zaradi relevantnosti nečistoč v povezavi z delovanjem

solarne celice so se oblikovale tudi pasivne metode zaščite pred preveliko gostoto nečistoč,

tako da kristalu silicija lahko dodamo vodik, ki v rezinah silicija nevtralizira preveč aktivno

delovanje elektronov. (povz. po Bube, 1998, str. 39)

Tipična sončna celice, ki sestoji iz monokristalnega silicija, vsebuje rezino kristala

debeline 200 do 500 mikrometrov, čeprav obstajajo tudi tankoslojne celice, z rezinami

debeline 50-70 mikrometrov, s katerimi prav tako dosegamo izkoristke do 12,5 %. Večje

izkoristke so omogočile šele sodobne metode proizvodnje, med katere sodita zgoraj omenjeni

postopek Czochralski in conska rafinacija. (povz. po Bube, 1998, str. 51)

2.2.2 Polikristalni silicij

Glede na povečanje gostote napak v splošnem, tj. predvsem 2-dimenzionalnih napak

(ploskovnih) in zmanjšanjem kontrole v procesu kristalizacije je polikristalen material narejen

iz kristalnih zrn, ki imajo različno orientacijo. Zavedajoč se pomembnosti ustreznega

proizvodnega procesa za znižanje cene tega materiala, so se razvili številni postopki, s

katerimi izdelujemo tudi sodobne tankoslojne celice. V procesu HEM (izmenjava toplote) je v

rezervoarju stopljenega silicija na eni strani nameščen vir toplote, ki omogoči skoraj

enodimenzijski temperaturni gradient, kar omogoča izvedbo visokokvalitetnih materialov,

velikost zrn pa je nekaj milimetrov. Kljub relativno enostavnemu in ugodnemu postopku je

izkoristek takšnih celic okoli 16 % in več. Z izboljšanjem tega postopka in uravnavanjem

nečistoč so leta kasneje dosegli celo 18,6-odstotno učinkovitost, kar je rekordna vrednost za

tovrstni material.

26


Uporaba tankega polikristalnega silicija za sončne celice ima naslednje prednosti (povz. po

Bube, 1998, str. 57):

potrebnega je manj materiala, brez zmanjšanja širine svetlobnega toka, saj je površina,

namenjena ujemanju svetlobe, enaka,

možna je uporaba manj kvalitetnega materiala zaradi tega, ker je dopustljiva manjša

dolžina difuzije,

z enako stopnjo difuzije lahko tankoslojne celice teoretično proizvedejo večjo

napetost,

tankoslojne celice so bolj odporne na radiacijo in

glavna prednost je v ekonomiji obsega, ki v masovni proizvodnji sončnih celic igra

glavno vlogo in s tem omogoča rentabilnost.

Seveda ima uporaba te vrste silicija tudi svoje zahteve, ki jih morejo izdelovalci

upoštevati, da je omogočena proizvodljivost sončnih celic in maksimalen izkoristek.

Najpomembnejše je ravnanje oziroma preprečevanje nukleacije in rasti kristalnega silicija na

tujih mestih pri nizkih temperaturah in potreba po visokokvalitetni matriki ujemanja svetlobe,

saj se enopasovna absorpcija svetlobe z debelino rezine zmanjša.

Znanstvene raziskave in mnenja stroke (Werner, 1990, str. 66, povz. po Bube, 1998, str.

58) navajajo naslednje fizikalne karakteristike, ki jih more izpolnjevati kvalitetna tankoslojna

celica:

debelina celice mora biti med 10 in 100 mikrometri,

uspešno zajemanje svetlobe s transparentnim materialom v neposrednem kontaktu z

obema stranema, ki absorbirata silicij,

difuzija v masi silicija mora biti čim bolj izrazita,

električno neaktivna zrna oz. njihova velikost mora biti večja, kot je dolžina difuzije,

hitrost rekombinacije na hrbtni strani plasti mora biti manjša ali enaka hitrosti difuzije.

Z namenom znižanja stroškov in dosega fotovoltaičnih celic širšemu krogu odjemalcev

se je začel razvoj večplastnih sončnih celic, narejenih iz rezin polikristalnega silicija. Proces

se začne z osnovo, ki sestoji iz dielektričnega sloja, ki ga predstavlja silicijev nitrid, na čisti

stekleni površini. Na osnovo nato naložijo 5 do 10 plasti silicija, dodatne plasti pa dopirajo z

različnimi nečistočami in gostoto le-teh. Na koncu naložijo še dodatno plast silicijevega

nitrida, kot zajezitveni del, kar skupaj znese debelino med 10 in 20 mikrometri. Nato sledi

proces, kjer z laserjem omogočijo nastanek spoja in topljenje, da nastane p-n spoj, značilen za

27


sončne celice. Medtem ko z enkratnim spojem dosežemo pri takih celicah izkoristke okoli 8

%, se z šestimi ali več spoji doseže izkoristek do 15 %.

»Polikristalni silicij je za razliko od monokristala sestavljen iz več posameznih

kristalnih zrn, ki so povsem naključno orientirani. Območja med temi zrni so mejna področja

in imajo strukturne in površinske napake. V teh območjih lahko zato nastaja električno polje,

ki vpliva zaviralno na transporte med zrni.« (http://pv.fe.uni-lj.si/PVpojav.aspx)

»Sončne celice iz monokristalnega silicija dosegajo dobre izkoristke, vendar so tudi zelo

drage. Njihova cena je visoka, saj je pridobivanje monokristalnega silicija dolgotrajen in

energijsko potraten proces. Neprimerno cenejše so sončne celice izdelane iz polikristalnega

silicija, ki je nekoliko nižje čistosti, obenem pa je orientacija kristalnih zrn naključna.«

(Hribernik, 2010, 47)

Slika 2. 12 Delovanje silicijeve sončne celice

Vir: (http://lab.fs.uni-lj.si/ee/diploma1/index2.htm)

Ko padejo fotoni (slika 2.12) z zadostno energijo (a, b) na površino sončne celice,

vzbudijo elektrone v kristalu. Fotoni s preveliko energijo potujejo skozi celico (c ), del

fotonov pa se na površini odbije (d).Vidni sta tudi rešetkasta elektroda na površini in

elektroda na spodnji strani celice.

28


Polikristalen silicij sestavljajo zrnca monokristalnega silicija, izpostavljenost sončnemu

sevanju pa tudi v tem primeru vzpodbudi rekombiniranje prostih elektronov in vrzeli, le da se

v tem primeru to vrši med zrnci monokristalnega silicija. Ta proces zniža učinkovitost sončne

celice, vendar je tudi tukaj z ustreznimi postopki možno upadanjem učinkovitosti zmanjšati,

tako da so celice primernejše za uporabo. Najugodneje lahko na to vplivamo že v sami

zasnovi s tem, da so zrna monokristalnega silicija čim večja in orientirana navpično, saj lahko

tako sončna svetloba doseže globlja mesta.

Priprava polikristalnega silicija se začne iz ingota, ki predstavlja masivni blok materiala,

pripravljenega za nadaljnjo uporabo. Velike kvadre, ki so skupki stopljenega silicija, pazljivo

ohladimo in utrdimo. Sledijo rezanje na plasti, ki ga izvršimo z žičnato žago, tako da dobimo

rezine debeline od 180 do 350 mikrometrov. Le-te so običajno minimalno dopirane (p-tip),

zato potrebujemo površinsko difuzijo n-tipa dopantov, da nastane značilen p-n spoj, ki sončni

celici nekje na območju nekaj sto nanometrov omogoča fotovoltaični efekt. (povz. po Tiwari,

2007, str. 91)

Polikristalne silicijeve tankoplastne celice imajo precej podobno sestavo kot že prej

opisane navadne polikristalne silicijeve celice, le da tukaj uporabljajo drugačne postopke za

pridobivanje polikristalne oblike silicija. Poleg tega pa so te precej tanjše in sicer znaša

njihova debelina namesto nekaj 1000 μm le nekaj μm.

Ena izmed dobrih lastnosti takih tankoplastnih celic je, da se z manjšanjem debeline

celice temni tok manjša, s tem pa se napetost na celici veča. Na prvi pogled se z zmanjšanjem

debeline celice zmanjša tudi absorpcijska pot fotonov, ki priletijo v celico. To rešijo, tako da

naredijo prednjo antirefleksno plast z obeh strani in zadnji kontakt z notranje strani razgiban

oziroma v obliki majhnih piramid. Zadnji kontakt je tudi cim bolj refleksen.

Na tak način se svetloba, ki pride skozi antirefleksno plast, bolj sipa. Nekaj tiste, ki

pride do zadnjih kontaktov, se odbije in pri tem zopet precej sipa. Del te spet pride nazaj do

antirefleksne plasti, kjer se je nekaj prepušča, nekaj pa zopet sipa na površini nazaj v celico in

tako naprej. Tako se poveča absorpcijska pot na nekaj 100 μm.

»Manjša debelina celice ima še druge prednosti. Difuzijska globina pri dopiranju silicija

mora biti precej manjša, tako lahko uporabljamo slabše materiale. Toleriran je tudi bolj

dopiran silicij, kar nam da višje napetosti. Ker se tvorijo pari elektron-vrzel bližje p-n spoju,

so tokovi v celici večji. To je torej precej dobra pot k učinkovitim in hkrati cenejšim sončnim

celicam, ki jo zadnje čase precej raziskujejo.« (http://www-f1.ijs.si/~ziherl/fotocelice.pdf)

29


»Zgornja površina klasične silicijeve polikristalne celice pa je strukturirana v obliki

satovja, kar se je izkazalo za tip celice primerneje od prevrnjenih piramid. S tem ukrepom in z

ukrepi, podobnimi kot pri monokristalni celici (dodatno dopiranje – vstavljanje »nečistoč« ob

elektrodah, spodnja površina prevlečena z oksidom Si02), dosegajo polikristalne celice danes

že 20-% učinkovitost in so zaradi nižje cene primernejše za masovno proizvodnjo kot

monokristalne celice.« (Hribernik, 2010, 47)

2.2.3 Amorfni silicij

Amorfni silicij je tista vrsta silicija, uporabljenega v sončnih celicah, pri kateri ne moremo

predvideti kristalne strukture, saj so njegovi atomi bolj ali manj poljubno razporejeni in

razdalje in koti med njimi in vezmi variirajo. Rezultat tega je, da mnoge izmed potencialnih

kovalentnih vezi niso zaključene. Nezaključene vezi skupaj z nekristalno strukturo povzročijo

posebno naravo materiala, ki rezultira v zelo majhnih vrednosti spodobnosti transporta

elektronov in vrzeli. Poleg tega se na proste vezi lahko vežejo vcepljeni elektroni nečistoč, to

je bora in fosforja, kar naredi p-n spoj neučinkovit.

Kombinacija različnih vrednosti nečistoč, skupaj s slabšim transportom elektronov in

vrzeli, je v začetku dala vedeti, da je amorfni silicij označen za nekoliko slabši polprevodniški

material. (Messenger, 2007, 420) Kljub temu, da je amorfni silicij v začetku izkazal slabše

fizikalno-kemijske lastnosti, raziskave na njem niso opustili, vse dokler niso odkrili številnih

postopkov znotraj izdelave in kasnejše uporabe amorfnega silicija, s katerimi so se izkoristki

izboljšali do takšne ravni, da ga je smiselno uporabljati v masovni proizvodnji.

Slika 2. 13 Struktura amorfnega silicija


30


Pri strukturi amorfnega silicija (slika 2.13) atomi niso razporejeni v kristalnih rešetkah.

Pojavljajo se proste atomske vezi, ki "lovijo" elektrone, zaradi tega je prevajanje el. toka

slabo. Ta težava se odpravi z dodajanjem vodika, ki se veže na proste atomske vezi.

Med drugim lahko nezaključene kovalentne vezi zaobidemo s pomočjo vodika, ki se

veže na proste vezi silicijevih atomov in prepreči vezavo prostim elektronom, poleg tega pa

tako vplivamo na reduciranje nečistoč, o čemer smo govorili v prejšnjem poglavju. Empirično

je bila ugotovljena (povz. po Messenger, 2010, str. 420) ugodna širina vrzeli med prevodnim

in valenčnim pasom, saj znaša 1,75 eV, kar rezultira v visokem koeficientu absorpcije in

predstavlja amorfni silicij za možnega kandidata pri tvorbi tankoslojnih fotovoltaičnih

materialov.

Iz povedanega izhaja, da so cenejše sončne celice narejene iz nekristalnega, torej

amorfnega silicija, ki je v tankem sloju nanesen na podlago. Odlične absorpcijske lastnosti mu

omogočajo, da je debelina aktivnega sloja le 1 mikrometer ali celi manj. Zato takšne celice

imenujemo tankoslojne. Zgradba sončnih celic iz amorfnega silicija se razlikuje od sončnih

celic, zgrajenih iz kristaliničnega silicija. Uporabljen je namreč p-i-n spoj, ki je zgrajen iz

tankega p- in n-sloja amorfnega silicija, med katerima je debelejši sloj čistega (brez vcepkov

B ali P) amorfnega silicija. Izdelava sončnih celic iz amorfnega silicija je cenejša zaradi nižjih

temperatur, potrebnih v postopku pridobivanja amorfnega silicija, in zlasti zaradi precej

manjših količin silicija, kar izhaja iz tanjših debelin plasti. (povz. po Hribernik, 2010, str. 48)

Slika 2. 14 Zasnova izdelave sončnih celic iz amorfnega silicija


Iz raziskav je bilo ugotovljeno, da je teoretično maksimalen izkoristek za amorfni silicij

27 %, vendar je v praksi do danes po dolgoročnem procesiranju bilo omogočeno doseči

31


vrednosti do nekje 10 %, medtem ko so v laboratorijih celice s trojnim spojem dosegle

izkoristke do 14 %. Vseeno so ugotovljeni številni načini rabe celic, katerih izkoristki se

gibajo med 8 in 10 %, s čimer je zagotovljen nadaljnji razvoj celic iz amorfnega silicija.

(povz. po Messenger, 2010, str. 422)

Slika 2. 15 Postopek nadaljnje izdelave solarnih celic iz a-Si


Pri sestavi celic moremo upoštevati dejstvo, da absorbirajoče plasti producirajo enako

svetlobni tok, ker so rezine najpomembnejši vir toka za celoten sistem. Povečana učinkovitost

celic, sestavljenih iz več plasti, je posledica boljšega zajemanja fotonov, kar skupaj z

ustreznimi in več številnimi spoji rezultira v večjo izhodno napetost. Pozornost je potrebno

nameniti tudi zračni masi, katere prisotnost zmanjšuje učinkovitost solarnih celic, saj so imajo

nekatere vrednosti valovnih dolžin večjo tendenco k atmosferski absorpciji. Iz tega je

razvidno, da lahko imajo nekatere celice teoretično boljšo učinkovitost ponoči, kot pa tekom

dneva, ko je ozračje osvetljeno in na osnovi temperaturnega gradienta potujejo spreminjajoče

se zračne mase. Poleg tega predstavlja omejitev visokemu izkoristku takšnih celic tudi

omejeno območje valovnih dolžin, ki ustrezajo fotovoltaičnemu efektu. (povz. po Pulfrey,

1978, str. 91)

V prihodnosti se raziskovalci s področja fotovoltaike nameravajo osredotočiti na

tankoslojne sončne celice, za katere se zdi amorfni silicij eden izmed boljših kandidatov, o

čemer govori tudi dejstvo, da je lahko že 1 ali 2 mikrometra debel sloj dovolj za absorpcijo

celotnega spektra svetlobe nadenj. Današnja tehnika obenem omogoča enostavno nalaganje

teh plasti na temelje, ki so lahko tudi iz stekla, proces pa se lahko vrši pri nizkih temperaturah.

Kljub nevšečnostim, povezanim z ostanki visoke gostote nečistoč in nepravilnosti (1016

koordinacijskih napak / cm3), je običajno amorfni silicij primarna izbira, ko se je potrebno

32


odločati med slednjim in polikristalnim silicijem pri pripravi tankoslojnih celic. (povz. po

Bube, 1998, str. 68)

Navzlic napovedim o dvigu izkoristka amorfnega silicija v prihodnosti, se je rast

njegove uporabe nekoliko upočasnila. Razlog za to je ugotovitev, da učinkovitost sončnih

celic iz amorfnega silicija pade za do 30 odstotkov po daljši izpostavljenosti svetlobe, kar je

podobno tvorbi metastabilnih napak znotraj sloja amorfnega silicija. Tvorba novih napak, ki

so posledica daljše izpostavljenosti sončne svetlobe, povzroči krajšo življenjsko dobo celic,

zmanjša dolžino difuzije in vpliva na rekombinacijo. Učinkovitost celic se lahko povrne s

segrevanjem hidrogeniranega amorfnega silicija na 200 stopinj Celzija. (povz. po Bube,

1998, str. 98)

Kljub temu, da so bile uporabljene številne različice spojev, ki smo jih omenili v

prejšnjih poglavjih, številne raziskave potrjujejo največjo uspešnost sončnih celic iz

amorfnega silicija, ki sestojijo iz značilnega p-i-n spoja. Obenem lahko ugotovimo, da so

izkoristki večspojnih celic neprimerno večji od tistih, ki temeljijo na enospojnem mehanizmu.

Zaradi majhne porabe amorfnega silicija in nekaterih ugodnih lastnosti je lahko primeren za

vsesplošno uporabo pri izdelavi specialnih sončnih celic. V prid celicam iz amorfnega silicija

pa govori tudi dejstvo, da je slednjega mogoče kombinirati s plastmi številnih drugih

materialov.

2.2.4 Galijev arzenid

Galijev arzenid sodi med tiste fotovoltaične materiale, ki imajo direktno režo (za razliko od

silicija), zato je širina vrzeli med valenčnim in prevodnim pasom 1,43 eV, kar ustreza uporabi

v številnih specialnih – vesoljskih aplikacijah, ki temeljijo na fotovoltaiki. Širina ustreza

skoraj idealni vrednosti za fotovoltaično pretvorbo, kar rezultira v kar 97-odstotnosti

absorpcije spektra sončne svetlobe že na debelini sloja 2 mikrometra. Celice z galijevim

arzenidom omogočajo delovanje na višjih temperaturah kot konkurenčne iz silicija, zaradi

dejstva, da so sloji tega materiala uporabljeni v zelo majhnih količinah (tankoslojna zasnova),

pa izhaja ugotovitev, da so takšne celice odporne na radiacijo. (povz. po Bube, 1998, str. 113)

V osnovi je galijev arzenid relativno enostaven material s standardnim p-n spojem, ki

svoje slabosti izkazuje ravno zaradi dejstva, da ima velik absorpcijski koeficient. Le-ta

rezultira v visokih vrednosti aktivnih prostih elektronov na površju celice, kar vpliva na velike

rekombinacijske izgube. Kot drugo, direktna reža vodi do krajše življenjske dobe jedra

33


materiala, predvsem zaradi intrinzičnega procesa rekombinacije, ki se vrši na morebitne

vstavljeni i-plasti, ki ni dopirana.

Dodajanje nove plasti ali substrata (aluminij) rezultira v strukturi materiala, ki ima na

tak način večjo širino vrzeli med valenčnim in prepovedanim pasom, kar zmanjša

rekombinacijo na sprednji površini solarne celice. Vse omenjene izboljšave in naravne

slabosti omogočajo izkoristke vse do 25 %, pri koncentriranem sončnem sevanju do 28 %,

posebne izvedbe pa presegajo izkoristke 30 %, medtem ko naj bi bila zgornja teoretična meja

pri 39 %. (povz. po Hribernik, Andreev, Bube) Visoka cena surovine in celotnega postopka

izdelave solarnih celic iz galijevega arzenida zaenkrat pomeni, da jih v splošni uporabi še ne

srečujemo pogosto, zato imajo svoje mesto zaenkrat v astronavtiki in laboratorijih.

Posamezni kristali galijevega arzenida so ponavadi ustvarjeni s pomočjo Bridgmanove

tehnike, čeprav je možna uporaba prej omenjenega postopka Czochralski. Sinteza poteka,

tako da se galiju dodaja arzen pod zelo visokim nadtlakom. Značilni elementi za dopiranje –

donatorji so selen, žveplo, telur in kositer, medtem ko med akceptorje štejemo cink, berilij,

magnezij in germanij. Ena izmed glavnih prednosti sončnih celic iz galijevega arzenida ostaja

njihova občutljivost na povišanje temperature, saj učinkovitost le-teh raste skoraj premo

sorazmerno s temperaturo (0.033 odstotne točke na stopinjo Celzija), hkrati pa je bilo

ugotovljeno (Tobin, 1993, str. 314, povz. po Bube, 1998, str. 117), da je možna obstojnost

takšnih celic do temperatur, ki presegajo vrednosti 600 stopinj Celzija.

2.2.5 Kadmijev telurid

Razvoj sončnih celic s kadmijevim teluridom se je začel, potem ko so raziskovalci prišli do

ugotovitve, da se binarne spojine z bakrom ne obnesejo zaradi neizogibne degradacije, ki je

posledica učinkov difundiranja bakra. Nadaljnje proučevanje je zahtevalo iskanje ustreznega

p-tipa materiala med II. In VI. skupino periodnega sistema elementov, ki bi lahko bili

deponirani v tankoslojni polikristalni obliki. Iz neizpodbitnih znanstvenih dejstev pridemo do

ugotovitve, da sta lahko le ZnSe (cinkov selenid) in CdTe (kadmijev telurid) ustrezna

kandidata, zmožna tvorbe značilnega p-n spoja in več rezin značilne sončne celice.

34


V povezavi z izdelavo sončnih celic, ki so bazirale na spoju, sestavljenem iz p-tipa CdTe

kristalov in polikristalnih tankoslojnih delov, so se pojavile tri težave (povz. po Bube, 1998,

str. 135):

rekombinacijske izgube, povezane s heterogeno tvorbo spoja,

težavno dopiranje kadmijevega telurida in

težave pri pridobivanju nizko odpornih kontaktov za p-tip CdTe.

Začetni izkoristki (povz. po Mitchell, 1976, str. 88) so bili med 6 in 7 %, a vztrajno rastejo

do današnjih vrednosti, ki jim več pozornosti posvečamo v nadaljevanju. Pozornost mora biti

prav tako usmerjena na morebitne zdravstvene in varnostne težave zaradi toksične narava

kadmija. Problem nastaja tako pri proizvodnji in uporabi kadmija kot tudi pri uhajanju

kislinskih preostankov iz steklenega substrata. Raziskave kažejo, da navzlic težavam lahko

dosežemo s homogenim ali heterogenim spojem izkoristke, katerih vrednosti preidejo 10 in

več %, vendar pa je za to potrebna uporaba monokristalnega ali tankoslojnega polikristalnega

CdTe. (povz. po Bube, 1998, str. 145)

Polprevodnik kadmijev telurid (CdTe) lahko nanašamo na različne načine v obliki tankih

plasti – to mu omogoča direktna reža velikosti 1,45 eV – ki so po termični obdelavi primerne

za sončne celice. Le-te so zgrajene z depozicijo kadmijevega sulfida (CdS) na CdTe. S tem

formiramo heterospoj. Večina celic je na površini prekrita s transparentnim prevodnim

oksidom (TCO), ki skrbi za zgornje kontakte. Tankoplastni material, ki ga pridobivamo z

elektrodepozicijo in naprševanjem, veliko obeta kot potencialna osnova nizkocenovnih

fotonapetostnih sistemov.

Slabost postopka so prej omenjene strupene surovine, ki jih uporabljajo pri proizvodnji.

Zdajšnje raziskave kažejo, da je kljub toksičnosti uporaba sončnih celic na osnovi CdTe

najprimernejša za gradnjo velikih objektov oz. uporaba celic v velikem obsegu, tj. nekaj 10-

ali 100-megavatnih elektrarnah (Fundamentals, izpiski, 93). Kljub temu, da CdTe/CdS celice

dosegajo izkoristke med 10 in 16 %, moduli trenutno še niso komercialno dosegljivi, dosegali

pa naj bi 7-odstotne izkoristke. Čeprav bi lahko dosegljivost telurja zmanjšala proizvodnjo

sončnih celic na osnovi CdTe (v zemeljski skorji ga je majhen odstotek) pa so znanstveniki

prišli do ugotovitve, da že sloj debeline 0,5 mikrometra z deponiranjem s pomočjo

tankoslojne tehnike dosega ustrezne rezultate, ki jih lahko merimo in reguliramo, skupaj z

zajemanjem svetlobe (povz. po Messenger, 2010, str. 437).

35


2.2.6 Bakrov indijev diselenid

Z zaključevanjem razvoja enostavnih spojin in gradnje fotovoltaičnih materialov, se je iskanje

potencialnih kandidatov nadaljevalo v smer bolj kompleksnih materialov, med katerimi je

najbolj značilen predstavnik bakrov indijev diselenid (CuInSe2 ali CIS).

»Bakrov indijev diselenid (CIS) je polprevodnik z izredno visoko absorpcijo, tako da že

zelo tanke plasti močno absorbirajo sončni spekter. Energijska reža materiala je dokaj nizka

(1 eV) za sončno celico, zato je indiju dostikrat primešan germanij. Lahko bi naredili p-n spoj

samo z dopiranjem CIGS, vendar ta spoj ni niti stabilen niti dovolj učinkovit. Zato na CIGS

plast raje dodajo tanko plast kadmijevega sulfida (CdS), kar naredi izredno učinkovit

heterospoj, pri čemer je CdS še prevlečen s TCO.«

(http://www.pvresources.com/si/tehnologije.php)

Slika 2. 16 Zgradba CIS sončne celice

Vir: (http://www.pvresources.com/si/tehnologije.php)

Čim več je germanija, tem večja je energijska reža in tem večje so napetosti na celici,

tako da je potrebno manj celic na modul za enako skupno napetost. Maksimalna napetost pri

CIS je samo približno 300-350 mV. Pri CIGS z 10 – 20 % germanija pa napetost naraste na

450-500 mV na celico (Tiwari, 425). To je že toliko kot pri kristalnih celicah, ki pa morajo

imeti več celic združenih v posamezen modul. Tudi proizvodnja CIGS je zanesljivejša in

cenejša od kristalnih celic. Največji izkoristek CIGS celice je preko 16%. Moduli so trenutno

v predkomercialni proizvodnji in dosegajo izkoristke okoli 8 %.

36


Pri tem je za dosego optimalnih rezultatov – izkoristkov potrebno poskrbeti za (povz. po

Bube, 1998, str. 188):

nižja temperatura deponiranja CdS zmanjša difuzijo med dvema materialoma,

uporabljenima v heterogenem spoju,

potrebna je celostna preplastitev sloja CdInSe2 s kadmijevim sulfidom, saj le-ta

prepreči interakcije CdInSe2 z okoljskimi vplivi in

dovajanje toplote plastem, obdanim s kisikom (TCO) ter upoštevanje dejstva, da je

potrebno zgornjo plast sončne celice vedno nadomestiti s CdS ali CdZnS.

Znanost navaja številne prednosti, zaradi katerih je lahko CdInSe2 vsesplošno zanimiv

za uporabo in raziskave na področju fotovoltaike. Kot prvo, je potrebno povedati, da je

tehnika proizvodnje CdInSe2 na osnovi Bridgmanove proizvodljivosti (taljenje materiala v

visokotemperaturni komori) precej preprosta, saj omogoča direktno rast zrn z manjšimi tlaki

in s pomočjo binarnih spojin, med katerimi sta tipična reaktanta kemijske reakcije Cu 2Se in

In2Se3.

Širina vrzeli 1,04 eV mu omogoča absorpcijo velika dela sončnega spektra, medtem ko

direktna reža minimizira potrebe za difuzijo, obenem pa ga lahko pripravimo v p-tip ali n-tip

obliki. Z empiričnimi raziskavami je bilo tudi ugotovljeno, da ima CdInSe2 največji koeficient

absorpcije, saj njegova absorpcijska konstanta znaša kar 3-6 x 105 cm-1. Poleg tega ima ta

fotovoltaični material neverjetno dobre lastnosti pod različnimi obratovalnimi pogoji

(temperatura, tlak) in ga je obenem možno uporabljati v tankoslojni tehniki. (Mickelsen,

1994, str. 103, povz. po Bube, 1998, str. 190)

Slika 2. 17 Struktura celic po plasteh


37


2.3 TERMINOLOGIJA INVENCIJSKO-INOVACIJSKEGA

MANAGEMENTA

2.3.1 Opredelitev pojma invencija

Glavni parametri, ki spremljajo današnje – globalno gledano – gospodarsko in podjetniško

ustvarjanje so zagotovo čas, konkurenčnost, strategija, globalizacija in procesi invencijsko-

inovacijskega managementa. Družba in njeni podsistemi se spreminjajo in posledično

prehajamo iz konvencionalne ali rutinske zasnove v sodobno, modernejšo strukturo, ki temelji

na celoviti in interdisciplinarni obravnavi raznovrstnih tematik, saj tako narekuje trg in njegov

tržni mehanizem.

V skladu z uspešnim poslovanjem in njegovimi načeli smo v podjetništvu prisiljeni

inovirati in razmišljati desetletja naprej, če želimo preživeti ali doseči trajnostni razvoj naše

celice, lokalne skupnosti ali celotne regije. V prid temu dejstvu lahko povzamem besede

Matjaža Muleja, ki je v nedavnem intervju za sobotno prilogo časnika Večer (2011 : 7,9)

neuradno dejal, da inoviranje sploh ni več vprašanje, ker tisti, ki ne bo inoviral, ne bo

preživel. Čeprav se morda tega nekateri še ne zavedajo, je raznovrstnost inovacij oz.

inoviranja potrebna za vsak naslednji korak v razvoju in rasti podjetja, da preprečimo faze

kulminacije in propad naših poslovnih tvorb.

Tudi podjetja, ki se ukvarjajo z energetiko in zagotavljanjem energetskih virov, se

vedno več srečujejo s takšnimi in drugačnimi inovacijami. Navzlic deficitu ekoloških

inovacij, so potrebe zadnjih desetih let po slednjih dosegle to, da se tudi ta podjetja srečujejo z

alternativnimi in naprednimi tehnologijami, prodajnimi asortimani, ter invencijami in

inovacijami, ki se jih lotijo pripraviti sami ali s pomočjo drugih inštitutov.

Za uspešno razumevanje omenjene terminologije se je potrebno seznaniti s pojmi

invencijsko-inovacijskega managementa, ki invencijo opredeljuje z naslednjimi besedami:

»Invencija predstavlja idejo, opis ali model za novo ali izboljšano sredstvo, proizvod,

proces ali sistem.« (Devetak 1980, v Likar in sodelavci, 2000, 16)

»Tako pomeni invencija vsak nov domislek, ki bi morda kdaj kasneje utegnil voditi h

kakšni koristi za odjemalce in avtorje/lastnike.« (Mulej in Ženko, 2004, 187)

»Invencija je nov domislek, ki bo morda kdaj postal uporaben in koristen.« (Rebernik,

1997, v Likar in sodelavci 2000, 16)

38


»Invencija je pojem, ki ga nekoč niso razlikovali od pojma inovacije, danes pa je razlika

poudarjena.« (EU 1995, Oslo 1992, Frascatti 1971, v Mulej in Ženko 2004, 187)

Iz navedenega lahko ugotovimo, da je invencija zamisel ali ideja, kako nekaj spremeniti

ali izboljšati. Lahko pa je tudi ideja, kako neko stvar zasnovati povsem na novo, razmišljati

izven ustaljenih okvirov, biti korak pred drugim. Čeprav se lahko invencija v začetku sliši kot

nekaj abstraktnega, pretiranega ali infantilnega, so ravno to pogosto lastnosti uspešne

invencije, saj mora le-ta biti nekaj povsem drugačnega, nekaj čisto novega, da z veliko

udejstvovanja, ciljnimi skupinami in uspešno eksploatacijo postane inovacija, torej nekaj

koristnega, uporabnega za ciljne skupine – odjemalce.

Zavedati se je potrebno, da moremo z ustreznimi procesi in dejavniki ustvariti čim bolj

ugodno in potencialno uspešno območje – okolje, v katerem lahko pride do realizacije

invencije. Zato moramo upoštevati naslednje dejavnike uspešne realizacije invencije:

- ustrezna inovacijska klima (vodstvo podjetniških tvorb mora spodbujati ustvarjalno

razmišljanje, obenem pa skrbeti za interno povezovanje podsistemov v podjetju),

- finančna podpora (interna in eksterna, zelo ugodno je namensko varčevanje za potrebe

inoviranja (sklad) – sredstva pa se lahko zagotovijo tako iz notranjih kot tudi iz zunanjih

virov),

- tehnološka podpora (dejstvo je, da je za razvoj tehnično-tehnoloških idej nujna in

prepotrebna ustrezna informacijsko-tehnološka podpora s komunikacijskimi sredstvi ter

merilno in strojno opremo),

- informacijska podpora (potrebna je celovita analiza tržišča, konkurence, patentnih

zaščit, tehnologij, kar v inovacijsko naravnanih podjetjih pogosto rezultira v združevanje ljudi

v podsisteme in skupine, dejavne na področju razvojno-raziskovalnega dela),

- zaščita intelektualne lastnine (potrebna je priprava vloge patentov in modelov),

- skladnost z globalno strategijo podjetja (potrebna je uskladitev inovacije z osnovno

strategijo podjetja, saj lahko le tako dosegamo strateške – dolgoročne cilje),

- skladnost z realnimi možnostmi podjetja na vseh področjih (v sodobni ekonomiji

Adama Smitha tržni mehanizem usklajuje potrebe ponudnikov in povpraševalcev) in

- človek kot najpomembnejše `sredstvo´. Ideje in rešitve se rodijo v človeških glavah,

zato je potrebno kreativne, domiselne in perspektivne ljudi še dodatno motivirati, nagraditi in

39


jim dati jasno vedeti, kako ključnega pomena so za nas. (povz. po Likar in Fatur, 2009, str.

55)

Pomembno je, da se zavedamo, da nas na poti k izboljšanju (inoviranju) lahko ustavi

marsikateri faktor, ki je že tekom časovne osi vplival na inovacijski potencial

najpomembnejših raziskovalcev. Med takšne dejavnike prištevamo:

- notranje in zunanje odpore (med notranje uvrščamo ekonomske, saj so lahko procesi

invencijskega ustvarjanja povezani z visokimi izdatki, tehnološke, socialne, v kolikor

vodstvo ne sledi željam in potrebam ciljnih skupin in ekološke, ko postanejo

okoljevarstveni normativi enostavno predragi in nepotrebni za top management ali pa

enostavno – odpor proti rušenju sedanjega stanja),

- ozka grla (v skladu z rekom, da je navada železna srajca, deluje tudi večina podjetij,

organizacij, struktur, ki bi morala – pa ne – sprejeti takšne in drugačne invencije ali

inovacije, a je okolje in navada takšna, da se vedno zatečemo h konvencionalnem

razmišljanju),

- pristojnost (potrebna je razčlenitev pristojnosti, inovacijska pobuda, da celice znotraj

podjetja navkljub neznačilnim postopkom in odločitvam začnejo delovati tako kot so

zmožni, tj. inovirati in izboljševati obstoječe stanje). (povz. po Likar in Fatur, 2009, str.

54)

2.3.2 Opredelitev pojma inovacija

Pojma invencija in inovacija sta bila v preteklosti pogosto zamenjana, zdaj pa je takšna

zamenjava na področju raziskovalno-razvojnega dela praktično nedopustna, kar se zavedajo

tako teoretiki kot tudi odjemalci rezultatov proces inoviranja. Inovacija je posledična stopnja

(faza), ki sledi invenciji, ko le-to razvijemo v koristno, uporabno rešitev in se našim ciljnim

skupinam (odjemalcem) zdi učinkovita, smiselna in vredna uporabe.

Kot pravi stroka (Mulej, Ženko, 2004, 7): »nekoč niso razlikovali invencij in inovacij.

Potem so jih sicer razmejili, a tako, da so za inovacije šteli samo del inovacij, namreč tiste, ki

so po posledicah drobne, po nastanku izven poklicne dolžnosti, po vsebini tehnično-

tehnološke.«

»Po letu 1971 (v Jugoslaviji po l. 1981, v Sloveniji tudi danes) ne velja več tista

opredelitev inovacije: to je zdaj vsaka novost, s pogojem da jo odjemalci štejejo za sebi

koristno (glej: EU 1995; EU 2000). Invencija je zamisel, ki obeta, da bo morda kdaj –

običajno z veliko dodatnega napora in naložb – postala inovacija. Zato je invencij veliko več,

40


neposredne koristi od njih ni, a so nujna surovina za inovacije, eden od pogojev za njo in s

tem za korist.

Danes zastarela opredelitev pojma `inovacija´ je prišla v jugoslovansko zakonodajo l.

1965 in je bila tedaj v skladu z mednarodno veljavno opredelitvijo. L. 1971 so mednarodno

opredelitev spremenili v širšo, ki je dopuščala, da dobijo nagrado in priznanje vsi tisti avtorji,

ki napravijo novost, ki se v praksi – v uporabi (!) – pokaže koristna, zlasti donosna, ker

pomaga doseči novo korist - v obliki prihrankov, znižanja stroškov, zadovoljitve novih potreb

ali nove zadovoljitve potreb. Uveljavili so opredelitev: inovacija je vsaka koristna novost

(enako: EU 1995; EU 2000). Le-ta je prišla v jugoslovanski zakon l. 1981, v praksi pa ni

prodrla in v vsakdanjem pojmovanju še vedno prevladuje stara opredelitev«. (Mulej idr.,

1997, str. 35)

Republika Slovenija je kot samostojna država uveljavila nov zakon l. 1995, a je v njem

podala dvoje bistveno različnih opredelitev pojma inovacija v istem členu. Najprej je – v

nasprotju z opredelitvijo Evropske unije in OECD - zapisano, da je inovacija vse, kar se da

patentirati (torej tudi tisto, kar ne nosi koristi, obenem pa je izključeno vse, kar ni novost

tehniško-tehnološkega značaja, saj se netehnološke invencije ne dajo patentirati). Potem pa je

- tokrat v skladu z opredelitvijo Evropske unije in OECD - zapisano za drobne novosti, da

veljajo za inovacije šele, ko v praksi dokažejo svojo koristnost (žal enako UL RS 7/2003).

(povz. po Mulej in Ženko, 2004, str. 116)

Preden pa postane inovacija, lahko imamo opravka s pojmom potencialna inovacija, ki

je v stroki (Mulej in Ženko, 2004, 187) opredeljena sledeče: »potencialna inovacija velja za

pojem, ki označuje tisto stopnjo razvoja invencije v smeri k inovaciji, ko ima novost že vse

lastnosti, potrebne za praktično uporabnost, ni pa še našla odjemalcev in zato še ni dala koristi

niti odjemalcem niti avtorjem/lastnikom.«

»Najprej nastane invencija, nato potencialna inovacija, ki pomeni uporaben, a ne še

nujno donosen ali kako drugače koristen nov domislek. Šele zadnji člen v invencijsko-

inovacijski verigi je inovacija, to je vsaka dokazano koristna novost. Inovacije niso le

tehnično-tehnološke novosti, temveč so lahko tudi družbene, netehnološke narave, ni pa

inovacija katerakoli novost«. (Rebernik 1990, v Likar in sodelavci 2000, str. 16)

Definicije invencije, potencialne inovacije in inovacije lahko prenesemo tudi na raven

fotovoltaike oz. na katere izmed njenih podsistemov. Zamisel o fotovoltaični energijski

pretvorbi oz., kako proizvajati ali ustvarjati električno energijo na nekonvencionalen,

41


alternativni način, bi lahko pomenila invencijo, ki je v laboratorijih in z ustreznimi tehnično-

tehnološko podprtimi razvojno-raziskovalnimi procesi postala potencialna inovacija, nato pa

tekom aplikativne rabe, sprejetja s strani odjemalcev in njene vsesplošne koristnosti postala

inovacija. O tem, v kolikšni meri je slednja inovacija sprejeta, bomo ugotavljali kasneje, ko

med drugim pregledamo uveljavljanje inovacij in preverjamo učinkovitost delovanja agentov

spreminjanja.

Pri tem moramo tudi natančneje opredeliti istovrstnost naše inovacije, saj je po OECD

tehnično – tehnološka inovacija definirana kot: »prva uporaba znanosti in tehnologije za nov

namen s komercialnim učinkom in kot tisto, kar vodi do ustvarjanja novega proizvoda ali do

znižanja proizvodnih stroškov za že znane proizvode«. (Javornik 1990, v Likar in sodelavci

2000, str. 16)

Zavedati se moremo statistike, ki zaenkrat klavrno opredeljuje uspešnost sprejetja in

realizacije inovacij, sploh tehniško-tehnoloških, saj kot pravi stroka (Mulej, Ženko, 2004, 8)

»izmed tistega delčka izmed vseh invencij, ki so po vsebini tehnično-tehnološke in obetajo

možnost za industrijsko uporabo ter so tako dognane, da jih patentirajo, torej zaščitijo svojo

pravico do morebitne kasnejše koristi od njih, postane inovacija samo en (1) sam odstotek.

Izmed invencij, ki se ne iztečejo v korenite spremembe, ampak v drobne izpopolnitve, uspe

sedem (7) odstotkov. Moramo torej ustvariti veliko invencij, da imamo dovolj možnosti uspeti

– doseči inovacije in morda tudi njihovo široko uporabo za neki majhen odstotek vseh

invencij.«

2.3.3 Uveljavljanje inovacij

Govorili smo o nujnosti inoviranja za preživetje in razvoj podjetij, k temu pa sodi tudi prodaja

in trženje inovacij, saj le ustrezna dobičkonosnost inovacij prispeva k realizaciji idej in

strateško-poslovnih ciljev naše organizacije. K prodaji invencije sodi:

- trženje (inovacija je blago posebne vrste, saj so kupci do nje pogosto veliko bolj previdni

kot sicer, zanimajo jih strokovne ocene, javna mnenja, zato je smiselno oblikovati kader –

marketing, ki takšne ovire ustrezno minimalizira),

- direktna prodaja (s poslovnimi predstavitvami zainteresirani publiki predstavimo

inovacijo in postopek prevzetja – nakupa, osebna ponudba bazira na pristnem stiku med

prodajalcem in kupcem, prednjači pa osebna prepričljivost),

- posredna prodaja (s pomočjo inovacijskih brokerjev, ki so pooblaščeni zastopniki in

obenem dobro poznajo tržišče in zakonodajo; s sejmi, kjer lahko množicam predstavimo

42


novosti; z mediji, ki jih lahko izberemo glede na ciljno populacijo oz. po njihovi vlogi,

najsi gre za množične medije ali medije, namenjene ozkemu krogu poslušalcev. (povz. po

Likar in sodelavci, 2000, 60…)

Vsekakor pa ni enostavno doseči uspešne prodaje niti na klasičnem tehnično-

tehnološkem področju inovacij kot tudi ne na področju ekoloških inovacij, med katere lahko

uvrstimo tudi mehanizme s področja fotovoltaike. Kljub temu, da je bila tehnična inovacija

vedno motor človeškega razvoja, se le redko začne masovna proizvodnja ene izmed njih.

»Invencijsko – inovacijski sistem, ki zagotavlja trajno produkcijo inovacij v podjetju, je

kompleksen, zato ga je za potrebe preučevanja smiselno razdeliti v podsisteme.« (Fatur in

Likar, 2009, 30)

Guimaraes in Langley (1994, 5) v sklopu štirih podprocesov merita dejavnost inoviranja

v podjetjih:

- pridobivanje novih idej (iskanje, definiranje in opredelitev inovacijskih idej v podjetju,

ki služijo trajnostnemu razvoju),

- vrednotenje idej (potrebno je ugotoviti rentabilnost, smotrnost in koristnost le-teh),

- uporaba novih idej (potreben je proces pretvorbe invencij in inovacij v produkte) in

- spodbujanje in pospeševanje inovativnosti (ustvarjalna klima, okolje, kadri, razdelitev

pristojnosti, motiviranje…).

Na konkurenčnem trgu so v poslovnem svetu namreč pomembni trije parametri:

- Kakovost (saj le-ta predstavlja možnosti, da produkt doseže kupčevo zadovoljstvo).

- Cena (gre za izračun proizvodnih stroškov in je osnova za stopnjo dobička).

- Časovna komponenta (predstavlja obdobje, v katerem je bil produkt izdelan in poslan na

trg). (povz. po Berginc, Krč, 2001, str. 114)

Pomembno je, da podjetja ne zanemarjajo posameznih kadrov in se zavedajo dejstva, da

se z ustvarjanjem in uveljavljanjem novosti ukvarja inovacijski management. Gre za difuzijo

ali uveljavljanje/širjenje novosti med potencialnimi odjemalci. Rogers (2003), ki se je s

področjem difuzije ukvarjal več desetletij je ugotovil, da gre v bistvu za spreminjanje družbe.

Teorija o difuziji in širjenju novosti se ukvarja:

- s težavami (zavračanje novosti),

- s pripomočki in metodami (ustrezna pomoč pri uveljavljanju inovacij).

43


Za potrebe proizvajalcev in prodajalcev produktov s področja fotovoltaike so nujno

potrebni ljudje, ki novosti predstavijo širši javnosti, jo informirajo, ustrezno usmerjajo in

poskrbijo za sfero, ki utegne postati naša ciljna skupina – odjemalec. Zavedamo se, da je

težko dobiti veliko naklonjenost ljudi pri uvajanju novosti, saj so dandanašnji potrošniki in

investitorji polni informacij in jih zanimajo stališča s področja financ, rentabilnosti, ekologije,

trženja, povezanosti z globalno strategijo, možnosti razvoja itd. V ta namen nam služijo oz.

pomagajo agenti spreminjanja in mnenjski vodje, ki jih opredelimo na naslednji način:

»Med agente spreminjanja spadajo praktično vsi ljudje in organizacije, ki ne želijo ali ne

smejo dopustiti, da bi ljudje okrog njih pretirano ostali pri starih navadah, gospodarskih,

tehnično – tehnoloških in drugih, in se zato dejavno trudijo, da bi iz invencij nastale

inovacije.« (Mulej in Ženko, 2004, 161)

»Mnenjski vodje so zelo bistveni za opredelitev, kaj štejejo možni odjemalci za

primerno in česa ne. Imajo vpliv na druge možne odjemalce, na njihova stališča in dejansko

obnašanje, tudi glede možnih novosti. Tisti, ki so – za pojme svojega družbenega okolja –

pretirano inovativni, so preveč heterofilni, da bi pri povprečnih pripadnikih socialnega sistema

veljali za mnenjske vodje. Morajo torej svoj položaj pridobiti in to tako, da ne odstopajo od

drugih pretirano, a vendarle veljajo med njimi za: bolj strokovne, družbeno dostopne,

razgledane, izpostavljene informacijam od drugod, za ljudi z višjim družbenim statusom, pa

tudi za (ravno prav) bolj inovativne.« (Mulej in Ženko, 2004, 166)

Zgoraj omenjena difuzija kot proces vključuje naslednje sestavine:

- novost,

- komunikacijski kanal,

- čas in

- družbeni sistem.

• NOVOST je zamisel, predmet ali praksa, ki ga nekdo kot prejemnik šteje za nekaj

novega in takega, ki bi ga bilo smiselno/koristno sprejeti. Pomemben je proces, na kakšen

način možni prejemnik spozna zamisel, jo oceni, šteje za vredno sprejetja, se odloči jo

sprejeti, jo sprejme in se sooči z njenimi posledicami, manjšo vrednost pa ima pomen oz.

pogled avtorja na novost.

• KOMUNIKACIJSKI KANALI se z ozirom na novosti razlikujejo od običajnih, saj gre

tukaj za novost in hkrati riziko, obenem pa v procesu izmenjave sodeluje tudi fizična ali

44


pravna oseba, ki že ima subjektivna izhodišča, in druga oseba ki jih še nima, s tem pa je

omogočena pot za njuno povezovanje, to je komunikacijski kanal.

• ČAS pri uveljavljenosti novosti se kaže vsaj na tri načine. To razlikovanje je pomembno

za agente spreminjanja, ki poskušajo uveljaviti novost. Pomaga jim oceniti, kakšne vplive

potrebuje kdo, da bi se lažje in bolj smiselno odločil, glede na to, kako daleč se je njegov

proces odločanja že odvil, kako daleč se je odvil proces pri drugih in koliko je že takih, ki so

se odločili »za«. Ti načini so naslednji:

- proces odločanja o novosti (predstavlja čas, ki ga uporabnik nameni za proces odločanja

od prve vednosti o novosti do odločitve za njeno sprejetje ali morebitne zavrnitve, saj obstaja

možnost obojega),

- zgodnost ali poznost sprejemanja novosti (gre za to hitrost sprejetja inovacije pri

uporabnikih, ki so lahko klasificirani kot prvi, povprečni in zamudniki),

- delež odjemalcev novosti, v družbenem sistemu, v nekem časovnem obdobju (gre za

medsebojno odvisno hitrost, s katero neko novost sprejmejo pripadniki družbenega sistema

komulativno). (povz. po Mulej in Ženko, 2009, str. 163-166)

45


3 RAZISKOVALNI DEL

3.1 PRIMERJALNA ANALIZA FOTOVOLTAIČNIH MATERIALOV

Pri pravilni izbiri fotovoltaičnega materiala za rabo bodisi v splošne bodisi v specializirane

namene je potrebna celovita obravnava več faktorjev in lastnosti, ki vplivajo na končno

vrednost, ki nas zanima, tj. izkoristek sončne celice. Materiali se med seboj razlikujejo po

številnih fizikalno-kemijskih lastnostih, različne pa so tudi njihove količine ne Zemlji,

možnosti izrabe in uporabe, okoljski vplivi in rentabilnost. V nadaljevanju predstavljamo

primerjavo nekaterih pomembnejših parametrov, ki oblikujejo odločitev, ali je v danem

primeru smiselno uporabiti fotovoltaični material, ki je na voljo, ali ne.

Analizo začenjamo s primerjavo vrste in širine prepovedanega pasu obravnavanih in

nekaterih najbolj značilnih materialov. Kot smo povedali, gre za energijski pas, ki se nahaja v

področju od vrha valenčnega pasu do začetka prevodnega pasu. Velikost prepovedanega pasu

običajno navajamo v elektronvoltih (oznaka eV). To je energija, ki jo potrebuje elektron, da se

osvobodi in postane prosto se gibajoč nosilec naboja v kristalni mreži. Velikost

prepovedanega pasu vpliva predvsem na to, kateri oz. kolikšen del spektra svetlobe bo

material zajel, kar diferencira uporabo (astronomijo, paneli itd.). Pomembno pa je omeniti

tudi različno vrsto »reže«, ki je lahko neposredna ali posredna (slika 3.1 in 3.2).

Slika 3. 1 Neposredni prehod


46

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/06/Bandstruktur_-_direkter_Band%C3%BCbergang_sl.svg


Slika 3. 2 Posredni prehod


Kadar v diagramu (energija-valovni vektor) leži najmanjša vrednost prevodnega pasu

neposredno nad največjo vrednostjo valenčnega pasu pravimo, da je prehod iz valenčnega v

prevodni pas neposreden. Za prehod ni potrebna sprememba gibalne količine in zaradi tega ni

potreben še tretji delec, kot v primeru posrednega prehoda, kar vidimo na primeru svetleče

diode. Pri posrednem prehodu v diagramu ne leži najmanjša vrednost prevodnega pasu

neposredno nad največjo vrednostjo valenčnega pasu, ampak je premaknjena. V tem primeru

pravimo, da je prehod iz valenčnega v prevodni pas posreden. Za takšen prehod je potreben

dodatni kvazi impulz. Pri prehodu elektrona razen fotona sodeluje še fonon, ki nastane ali pa

se uniči, kot je to vidno pri kristalnem siliciju. Posredna reža posledično prispeva k zahtevi po

debelejšem sloju kristalnega silicija v celicah. (http://sl.wikipedia.org/wiki/Prepovedani_pas)

Material: Vrsta 'reže': Velikost prepovedanega pasu –

energija* (eV):

Silicij (kristalni) posredna ~ 1,12

Silicij (amorfni) neposredna ~ 1,75

Galijev arzenid neposredna ~ 1,43

Kadmijev telurid neposredna ~ 1,45

Bakrov indijev diselenid neposredna ~ 1,04

Cinkov selenid neposredna ~ 2,70

47

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/68/Bandstruktur_-_indirekter_Band%C3%BCbergang_sl.svg


Germanij posredna ~ 0,70

Tabela 3. 1 Primerjava velikosti prepovedanega pasu

*Vrednosti širine vrzeli so orientacijske narave, saj je širina prepovedanega pasu kompozitna

funkcija temperature, vrednosti le-te pa se glede na navedene vire v diplomskem delu lahko

razlikujejo. Vrednosti se nanašajo na standardne pogoje merjenja. (T=300 K)

Fotovoltaični materiali se razlikujejo glede na trajanje, zahtevnost in rentabilnostjo

proizvodnega postopka, saj lahko energetsko potraten, časovno predolg proces rezultira v

previsoki končni ceni sončne celice, kar odjemalci ne bi sprejeli. Poleg tega ima lahko

proizvodnja sončnih celic s škodljivimi (toksičnimi) materiali negativne učinke za ljudi in

okolje. Za te lastnosti in ostale splošne prednosti in slabosti fotovoltaičnih materialov smo

pripravili analizo v spodnji preglednici.

Ugotovljene prednosti in slabosti pri proizvodnji in uporabi fotovoltaičnih materialov:

Material: Prednosti: Slabosti:

Monokristalni silicij - možnost doseganja visokih

izkoristkov,

- uporabnost; še posebej tam,

kjer se zahteva veliko

razmerje moč/površina,

- stabilna in netoksična

surovina,

- optimalna velikost vrzeli.

- draga in energijsko

potratna izdelava,

- potrebne so drage in

kvalitetne ploskve,

- nujno potrebno dopiranje

zmanjša življenjsko dobo

celic, narejenih iz m-Si.

Polikristalni silicij - novodobni procesi izdelave

(EFG, tračno siciranje) so

zelo pocenili proizvodnjo

ob relativno visokih

izkoristkih,

- najbolj pomemben material

na tržišču z odličnim

razmerjem med kvaliteto in

- potrebno je rezanje

masivnega bloka na

rezine, a le enkratno,

- potrebne so nekoliko

debelejše plasti zaradi

posrednega tipa 'reže',

- posebni proizvodni

postopki za doseganje

48


cenovno dostopnostjo,

- možnost uporabe v

tankoslojnih tehnikah,

- idealni material za zasnovo

ekonomije obsega.

prosojnosti plasti,

- potrebna zelo kvalitetna

shema ujemanja

svetlobe.

Amorfni silicij - cenovno ugoden, nepotratna

izdelava brez nepotrebnega

žaganja masivnega bloka,

- visok koeficient absorpcije,

- možnost uporabe v več- in

tankoslojni tehniki,

- možnost kombiniranja

plasti dopiranega a-Si z

drugimi materiali,

- izkoristek se poveča ob

vezavi več značilnih spojev.

- krajša življenjska doba,

- nižja učinkovitost zaradi

nepredvidljive strukture,

- potrebno dodajanje

vodika zaradi

nezaključenih vezi,

- omejeno območje

valovnih dolžin (za

nastanek FVE),

- padec učinkovitosti po

daljšem izpostavljanju na

visokih temperaturah.

Galijev arzenid - zelo visok izkoristek, ki

upraviči nekoliko dražjo

izdelavo,

- odporne na radiacijo, vlago

in temperaturne ekstreme,

- pričakuje se znatno znižanje

proizvodnih stroškov in

zvišanje izkoristkov.

- relativno malo surovine

v naravi,

- zahtevna kombinacija Ga

in As (eksotermni značaj

reakcije),

- krajša življenjska doba

zaradi intrinzične plasti.

Kadmijev telurid - možna uporaba v

tankoplastni tehniki,

- predstavlja rešitev za

cenovno ugodne module,

- širok absorpcijski

koeficient.

- strupene in omejene

količine surovine,

- oteženo dopiranje,

- možnost vžiga ob

izpostavljenosti kadmija.

Bakrov indijev diselenid - kandidat za proizvodnjo - omejene zaloge indija v

49


nizkocenovnih panelov,

- zelo dobra absorpcija

sončne svetlobe,

- možnost uporabe v

tankoslojni tehniki,

- široko področje uporabe

(tlak, temperatura, vlaga),

- enostavno dopiranje.

naravi,

- potrebno dodajanje

sulfidov in prevlek,

- manjši izkoristki,

- zaporedna vezava več

celic zmanjša izkoristke.

Tabela 3. 2 Prednosti in slabosti fotovoltaičnih materialov

Predstavili smo nekaj pomembnejših prednosti in slabosti obravnavanih fotovoltaičnih

materialov, med temi pa je za ciljne skupine najpomembnejši izkoristek, katerega definicijo

smo zapisali v prejšnjem poglavju. Med izkoristki lahko nadalje klasificiramo podvrste, in

sicer ponavadi se srečujemo z maksimalnim teoretičnim izkoristkom, laboratorijsko

vrednostjo izkoristkov (doseženo pod posebnimi pogoji) in izkoristke, doseženi v panelih (ali

modulih) za komercialne namene. Pomembno je, da že pred samim investiranjem, nakupom

ali razvijanjem fotovoltaičnih materialov preučimo omejitve in teoretične meje.

Direktna pretvorba energije elektromagnetnega valovanja v električno energijo ima to

prednost, da na izkoristek sončne celice termodinamične omejitve ne vplivajo. Kljub temu pa

se pojavijo številne druge omejitve, ki določajo izkoristek pretvorbe. Glavne izgube se

pojavijo zaradi (povz. po Tiwari, 2007, str. 152):

presežne energije fotonov (~33%), ki se pojavi v kristalu silicija kot odvečna toplota,

fotonov z nižjo energijo od energijske vrzeli h×n < Eg (~23%). Ti fotoni ne sodelujejo

pri fotovoltaičnem pojavu v sončni celici, povzročajo pa segrevanje sončne celice, kar

še dodatno zmanjša njeno učinkovitost.

napetostnih izgub (~20%). Vsak absorbiran foton generira par elektron - vrzel, z

električno potencialno razliko ( Eg/e = 1.1 V pri siliciju). Vendar pa je le del te

napetosti dostopen zunanjemu tokokrogu, saj moramo upoštevati napetostne izgube, ki

so posledica različnih Fermijevih nivojev v p in n sloju polprevodnika.

izgub na kontaktnih površinah (~3%), ki nastanejo kot posledica prehoda elektronov iz

kristala v zunanji tokokrog.

50


drugih manjših izgub (~5%), ki se še pojavijo v sončni celici kot posledica ohmskih

izgub, izgub zaradi odboja na površini itd.

Mejne – teoretične vrednosti pri fotovoltaični pretvorbi za obravnavane materiale (povz. po Messenger, 2010, str.

396):

Material: η (max % ) :

Monokristalni silicij (m-Si) ~ 28

Polikristalni silicij (p-Si) ~ 27

Amorfni silicij (a-Si) ~ 27

Galijev arzenid (GaAs) ~ 39

Kadmijev telurid (CdTe) ~ 26

Bakrov indijev diselenid (CuInSe2) ~ 24

Tabela 3. 3 Maksimalne (ekstremne) vrednosti izkoristkov

Različne raziskave, proizvodni postopki, procesi sestave in uporabe sončnih celic so

omogočile vedno večje izkoristke, ki so nekaj časa rasli celo eksponentno, sedaj pa se njihova

progresivna rast počasi ustavlja. Zaradi tega lahko v različnih virih in raziskavah zasledimo

različne vrednosti, v nadaljevanju pa upoštevamo tiste, opravljenih v najbolj poznih

raziskavah pod ustreznimi pogoji (svetlobni tok, temperatura, tlak), ki jih določa standard AM

1.5 in jih avtorji (Bube, Messenger, Tiwari) navajajo pod dva sklopa.

Najvišje empirično dosežene vrednosti izkoristkov fotovoltaičnih materialov

Material: η (max % ) : η (max % ) :

51


'laboratorij' 'komercialna uporaba'

Monokristalni silicij (m-Si) ~ 28 ~ 15-17

Polikristalni silicij (p-Si) ~ 18,6 ~ 12-15

Amorfni silicij (a-Si) ~ 14 ~ 10

Galijev arzenid (GaAs) ~ 31 ~ 25-28

Kadmijev telurid (CdTe) ~ 10-16 ~ 8

Bakrov indijev diselenid (CuInSe2) ~ 16 ~ 8

Tabela 3. 4 Primerjava doseženih izkoristkov

52


3.2 PREDSTAVITEV ANKETNEGA VPRAŠALNIKA

Z zasnovo, razvojem in izdelavo visokokvalitetnih ali nizkocenovnih sončnih celic za

komercialno in specializirano rabo, delo na področju fotovoltaike ni končano. Fotovoltaika je

celovit in celosten sklop oz. projekt, ki vključuje raziskovalno-razvojne, tehnično-tehnološke,

organizacijske, marketinške, ekološke, kadrovske in druge aktivnosti, s katerimi uspemo

ciljne skupine na obeh straneh usmeriti v rabo in pripravo sončnih celic.

Zanimalo nas je, kako ljudje oziroma potencialni odjemalci fotovoltaičnih elementov

pojmujejo pojem inovacija. V zadnjih letih se je pokazalo, da ljudje ne ločijo med invencijami

in inovacijami oz. ne poznajo celovite opredelitve slednje. Že samo nepoznavanje tematike

oz. neinformiranje na področju inoviranja povzroči efekt nenaklonjenosti inoviranju in

sprejemanju inovacij, kar smo prav tako preverjali v anketi. Splošno znano dejstvo je, da so

ljudje precej naravnani h klasičnim (konvencionalnim) postopkom in navadam in da stežka

sprejmejo novost, še posebej, če o njenih referencah niso prepričani. Pri tem nam pogosto

pomagajo managerji, marketinški izvajalci in vodje organizacijskih enot (kasneje

predstavljeni agenti spreminjanja) ali mnenjski vodje, ki so pogosto javno izpostavljene,

medijsko prepoznavne osebe, ki jih lahko štejemo za uvajalce (lobiste) novosti. Preko njih,

njihovih načel in navad se ljudje lažje odločijo sprejeti novost.

Ekologija je pogosta tema številnih polemik, razprav, zakonov in težav, zato je pred

uvajanjem sončnih celic pomembno predstaviti ljudem pomen odgovornega in zavednega

ravnanja do okolja in narave. Potrebno je osveščanje ljudi na področju ekologije in

obnovljivih virov energije, le-to pa smo preverjali tudi v našem anketnem vprašalniku.

Potrjuje se splošno znano dejstvo, da ljudje poznajo vedno več alternativnih oblik

pridobivanja energije in da lahko pričakujemo vsaj delen upad energentov, pridobljenih na

konvencionalni način.

Temeljne postavke anketnega vprašalnika se lotevajo prepoznavnosti in sprejetosti

sončnih celic v komercialni rabi. Zanimalo nas je, ali ljudje poznajo sončne celice, se o njih

informirajo ali morebiti vanje investirajo. Za vse smo prav tako preverjali, katere funkcije oz.

komponente sončnih celic igrajo zanje glavno vlogo, da bi preko tega skušali usmeriti razvoj

v pravo smer. S prepoznavanjem, investiranjem in uporabo sončnih celic pri anketirancih

preverjamo učinkovitost delovanja številnih človeških in organizacijskih potencialov, ki

zajemajo tudi agente spreminjanja in mnenjske vodje.

53


3.3 APROKSIMACIJA STOPNJE USPEŠNOSTI AGENTOV

SPREMINJANJA

Anketa je bila izvedena z anketnim vprašalnikom, ki je bil objavljen na spletnih straneh

Fluidsurveys.si, ki jih v Sloveniji zastopa podjetje Mislim, torej sem – družba za raziskovanje,

storitve in obveščanje. Vprašalnik je bil dostopen izključno na internetu, saj je s tem

množičnim medijem najlažje doseči ciljno populacijo, obenem pa zadostiti potrebam dovolj

velikega reprezentativnega vzorca. Vprašalnik je bil dostopen vsem, a smo ga pošiljali

predvsem ljudem, zaposlenim v terciarnih in kvartarnih dejavnostih, saj zanje menimo, da so

najustreznejši kandidati za preučevanje.

V anketi je sodelovalo 135 anketirancev (n=135), med njimi 80 oseb moškega spola (59

%) ter 55 oseb ženskega spola. Anketirance smo razdelili v štiri starostne skupine, kakor si

sledijo v nekaterih socioloških opredelitvah glede na faze socializacije. Največji delež

odgovorov je bil posredovan s strani anketirancev, starih med 26 in 35 let, kar 46 %. V

nadaljevanju smo dobili odgovore na vprašanje, kako si anketiranci predstavljajo pojem

inovacija. Pri tem so lahko odgovorili s pomočjo navedenih opredelitev ali pa so izbrali svojo,

pravilno definicijo. Izkazalo se je, da večina ljudi (49 %) pojmuje inovacijo nekako takole,

kot bi njena opredelitev uradno (slovarsko) izgledala.

Prav tako je večji delež anketirancev (90 %) seznanjen s številnimi izboljšavami,

invencijami, idejami in ostalim, kar pojmujejo pod tehniško-ekološkimi inovacijami. Nadalje

smo povpraševali po navadah anketirancev, oziroma po tem, kako hitro so pripravljeni

sprejeti novosti. Izkazalo se je, da splošno veljavna resnica o konvencionalno ustrojenem

delovanju ljudi še vedno drži, saj so le redki (18 %) pripravljeni noviteto sprejeti takoj, večina

(49 %) pa po daljšem časovnem obdobju, ko so prepričani v svojo odločitev. Pred

preverjanjem njihove informiranosti o tehnologiji sončnih celic smo ugotavljali tudi, koliko

obnovljivih virov energije sploh anketiranci poznajo. Izkazalo se je, da so množični mediji in

številne razprave, polemike in vsesplošna osveščenost naredile svoje, saj večinski delež (79

%) vprašanih pozna tri ali več virov, ki smo jih definirali v vprašanju.

Naslednja vprašanja smo oblikovali, tako da bi v največji meri preverili poznavanje

sončnih celic in njihove tehnologije pri anketirancih, s tem pa čim bolj relevantno ugotovili

uspehe organizacijskih in človeških potencialov oz. t.i. agentov spreminjanja in mnenjskih

vodij. Agenti spreminjanja so po Rogersu označeni kot lokalni misijonarji za pospeševanje

procesa širjenja; gre namreč za organizacijske potenciale, ljudi, managerje, politike, lobiste in

54


ostale, ki kakorkoli pripomorejo k uvajanju, širjenju ali pospeševanju le-tega katerekoli

novosti na katerikoli ravni (interno-eksterno), saj se lahko novost uvaja znotraj organizacijske

tvorbe ali v komercialni rabi zunaj podjetja. Agenti spreminjanja so lahko srednji

management podjetij, ki se ukvarjajo s proizvodnjo in prodajo sončnih celic, saj ti številne

novosti, inovacije in izboljšave predstavljajo, širijo in tržijo med potencialne odjemalce. Top

management ali višji management lahko zaradi svoje prepoznavnosti in udejstvovanja postane

medijsko izpostavljen, zaradi česar so lahko poteze direktorjev in nadzornikov uprav ljudje

predstavljajo kot 'idolizirana' dejanja in slednje obravnavajo kot mnenjske vodje.

Mnenjsko voditeljstvo je po Rogersu (Rogers, 1995, 281) stopnja, do katere lahko

posameznik na želen način in sorazmerno pogosto neformalno vpliva na odnos drugih

posameznikov ali javno vedenje. Mnenjski voditelji pa so, v nadaljevanju, posamezniki, ki

najbolj vplivajo na to, kakšno bo mnenje drugih o neki novosti. Gre za to, da preko njih

dobimo neke vzorce, po katerih se večina ravna. Seveda ni zagotovljeno, da bodo mnenjski

voditelji novost spodbujali, lahko se zgodi prav nasprotno in jo zavračajo. Mnenjski voditelji

so znane osebnosti s področja javne uprave, politike, množičnih medijev, športa in kulture itd.

So ljudje, ki jih agenti spreminjanja iščejo, saj se zavedajo, da bodo preko njih in vzorcev

njihovega vedenja lažje uvajali novosti. Iz njihove pomembnosti izhaja, da je v veliki meri

ravnanje mnenjskih vodij odvisno od državne ureditve, družbenih norm, politične opredelitve

in sociološkega stanja v določenem okolju.

Pri naslednjem vprašanju smo tako preverjali informiranost ljudi o sončnih celicah, kar

izhaja kot neposredni rezultat delovanja množičnih medijev in kot (ne)posredno delovanje

agentov spreminjanja in mnenjskih vodij. Izkazalo se je, da je glede tega storjenega precej

dela, saj večina (48 %) pravi, da so že slišali za sončne celice oziroma za uporabo sončne

energije v sklopu obnovljivih virov energije, skoraj enak delež anketirancev pozna sončne

celice še podrobneje, le 7 % pa zanje še ni slišalo.

55


Slika 3. 3 Informiranost anketirancev - rezultati

Deležu anketirancev, ki je odgovoril pritrdilno oz. na enega izmed prvih treh

odgovorov, smo nato postavili še podvprašanje, saj nas je zanimalo, ali so jih dane

informacije spodbudile k nadaljnjemu preučevanju ali morebitnemu investiranju v tehnologije

uporabe sončne energije. Izkazalo se je, da ljudi precej zanimajo sončne celice in pretvorba

sončne energije, saj je edini razlog za nasprotno ravnanje očitno potrebno iskati v objektivno

slabših finančnih razmerah, ki jih občutijo tudi naši anketiranci.

Slika 3. 4 Udejstvovanje anketirancev - rezultati

Vsako ravnanje in obnašanje ciljnih skupin ima določene vzvode, zato smo na koncu

ugotavljali, kateri parameter ali komponenta je za naše anketirance ključna pri informiranju,

nakupni odločitvi ali drugemu udejstvovanju na področju sončnih celic. Po pričakovanjih je

za anketirance najpomembnejša rentabilnost (44 %), sledi ji ekologija in uporabnost

tehnologije.

56


Slika 3. 5 Vplivni parametri nakupne odločitve anketirancev

57


4 SKLEPI Z UGOTOVITVAMI O HIPOTEZAH

4.1 VREDNOTENJE HIPOTEZ

H1: Lastnosti, specifikacije in izkoristki fotovoltaičnih materialov se razlikujejo.

V diplomskem delu smo jasno predstavili raznolikosti fotovoltaičnih materialov, ki smo

jih tudi primerjali ali analizirali. Razlikujejo se v številnih fizikalno-kemijskih lastnostih

(prepovedan pas v eV, absorpcijski koeficient, struktura materiala, vrsta 'reže' itd.), v

količinah surovin, okoljskih vplivih, možnostih uporabe in v izkoristkih, tako v teoretičnih kot

tudi v tistih, doseženih v komerciali ali v laboratoriju. Z omenjenega vidika lahko hipotezo

nedvomno potrdimo.

H2: Uporaba fotovoltaičnih materialov je z okoljskega vidika sprejemljiva.

Ugotovili smo, da pri direktni pretvorbi sončne energije v električno, ki jo preučuje

fotovoltaika, zasledujemo sončne celice in materiale, katerih uporaba je z okoljskega vidika

sprejemljiva, saj za noben material nismo našli negativnih učinkov na okolje pri različnih

obratovalnih pogojih (tlak, temperatura, vlaga), ampak le slabše delovanje. Nižji izkoristek in

druge negativne specifikacije pri slabših atmosferskih pogojih niso povezane s tveganjem za

okolje, kljub vsemu pa je potrebno pazljivo ravnati s celicami, v katerih so v sledovih ali

večjih količinah uporabljeni kadmij, cink, selen, žveplo ali kateri drugi potencialni faktorji za

uničevanje okolja. Hipotezo lahko s stališča uporabe materialov potrdimo, medtem ko se je

potrebno zavedati, da izdelava le-teh skupaj s celotnim življenjskim ciklom sončnih celic

ustvarja za okolje škodljive vplive.

H3: Emergenca vplivov tehnologije izdelave fotovoltaičnih materialov na okolje ni

zanemarljiva.

Kot rečeno, v nalogi ugotavljamo, da večji problem predstavlja izdelava sončnih celic,

tako emisije (odtis ogljikovega dioksida) kot tudi uporaba nekaterih strupenih snovi (kadmij),

ob tem pa še po mnenju stroke vedno velja, da sončne celice šele po dveh letih nemotene

uporabe opravičijo potroške izdelave. Dejstvo je, da so nekateri postopki izdelave sončnih

celic in predvsem fotovoltaičnih materialov zanje energijsko potratni in nerentabilni. Zaradi

njihove ekološke in ekonomske komponente je tudi lastna in prodajna (tržna) cena solarnih

celic veliko dražja, kot bi lahko bila. Hipotezo potrjujemo in obenem dodajamo, da je za

uspešno širjenje tehnologije sončnih celic potrebno rešiti pomanjkljivosti v tehnologijah

58


izdelave, saj lahko z ustreznim procesiranjem dosežemo manj negativnih učinkov ob nižji

lastni ceni solarnih celic.

H4: Agenti spreminjanja in mnenjski vodje so dosegli zadovoljivo raven uporabe

fotovoltaičnih materialov in z njimi povezanih tehnologij in sistemov v aplikativni rabi.

V diplomskem delu smo uspešnost agentov spreminjanja in mnenjskih vodij skupaj z

vsemi organizacijskimi potenciali in okoljevarstveniki merili s pomočjo anketnega

vprašalnika, kjer z zadovoljivim in reprezentativnim vzorcem ugotavljamo, da so ljudje na

področju tehničnih in ekoloških inovacij dobro informirani, poznajo številne dokazano

uporabne in koristne novosti na področju obnovljivih virov energij, solarne tehnologije ter se

zanjo zanimajo. Potrdili smo, da so ljudje vedno bolj dobro informirani o sončnih celicah in

obenem ugotovili, da jih je (bo) kar precejšen delež obravnaval kot možno investicijo. Z

danimi ugotovitvami smo zelo zadovoljni, saj lahko hipotezo skoraj popolnoma potrdimo ob

dejstvu, da je osveščenost anketirancev vedno večja.

H5: Obstajajo še številne možnosti za nadaljnje raziskave in izboljšave sestave sončnih celic

Pri razvoju in napredku tehnologij sončnih celic velja dejstvo, da se z rezultati delo šele

začenja. Kljub več desetletnem raziskovanju in ustvarjanju na področju fotovoltaike izkoristki

in rezultati stalno napredujejo, njihovo naraščanje pa lahko matematično opredelimo kot

funkcijo, sorazmerno vložku, investicijam in laboratorijskemu delu. Ugotovili smo, da številni

materiali ponujajo višje meje izkoristkov od doseženih, poleg tega pa z vedno novimi

postopki izdelave materialov in naknadne obdelave, procesiranja, dosežemo boljše delovanje

pri različnih obratovalnih pogojih in v skladu s tem višje izkoristke. V skladu s številnimi

predstavljenimi možnostmi in nameni izboljšav lahko hipotezo enotno potrdimo.

59


4.2 SKLEPI IN MNENJE

Z našimi teoretičnimi in raziskovalnimi metodami delovanja smo prišli do številnih

zaključkov in rezultatov, s katerimi smo potrdili naše hipoteze, vprašanja in stvari, o katerih

smo diskutirali ali se je o njih razpravljalo v strokovnih člankih, literaturah in zbornikih.

Sklepamo, da je nadaljnje raziskovanje v fotovoltaiki potrebno, primerno in želeno, v kolikor

želimo zadostiti potrebam po bolj čistih energetskih virih. Zavedamo se, da je za popolno

strukturo in življenjski cikel sončnih celic potrebno storiti še veliko, da bo emergenca vplivov

na okolje zanemarljiva in da bo rentabilnost tolikšna, da bo investicija v tehnologijo solarnih

celic smiselna.

Kljub temu smo mnenja, da so se specifikacije, lastnosti in predvsem končni izkoristki

fotovoltaičnih materialov zelo izboljšali in obenem ponujajo nešteto možnosti za nadaljnje

izboljšave in udejstvovanja na tem področju. Zadovoljni smo tudi z raziskavami in

delovanjem invencijsko-inovacijskega managementa, saj ljudje vedno bolj poznajo

opredelitve inovacij, invencij in ostale terminologije, ki dejansko upravlja, vodi in načrtuje

razvoj v današnjem globaliziranem, tržno usmerjenem in hitro spreminjajočem okolju. Uspehi

so doseženi tudi s pomočjo strokovnjakov, lobistov in publicistov, saj so ljudje na področju

solarnih tehnologij precej informirani, vanje pa tudi investirajo ali pa nameravajo investirati.

V diplomskem delu smo se srečali s številnimi opravljenimi raziskavami, mnenji,

vzorci, poteki udejstvovanja skozi desetletja dela na področju fotovoltaike, tako da poleg

ustaljenih vzorcev dela, potrjevanja hipotez, postavljanja mnenj in analiziranja ter našega

raziskovanja v nalogi ugotavljamo mesta, na katerih bi lahko delovali v nadaljevanju. S tem

tudi potrjujemo zadnjo hipotezo, ki pravi, da obstajajo številne možnosti za nadaljnje

raziskave v fotovoltaiki. Te možnosti so v optimiziranju procesa izdelave fotovoltaičnih

materialov, uporabi boljših materialov, tankoslojni tehniki, dopiranju pravilnih nečistoč in v

ostalih parametrih, ki jih nameravamo preučevati in okarakterizirati v nadaljnjih raziskovalnih

delih.

60


5 VIRI IN LITERATURA

[1] Andreev Vasilij, Grilikhes V. A., Rumyantsev V.D. Photovoltaic Conversion of

concentrated Sunlight. Chicester : Wiley Ltd., 1997.

[2] Askeland. The science and Engineering of Materials : Thomes Publishers Ltd,

Cheltenham, 1998.

[3] Berginc Jordan, Krč Matjaž. Ustvarjalnost in inovativnost v podjetništvu. Portorož :

Visoka strokovna šola za podjetništvo, 2001.

[4] Bube H. Richard. Photovoltaic materials. Stanford University, 1998.

[5] Cardon Francis. Photovoltaic and Photoelectrochemical Solar Energy Conversion. Gent :

State University of Gent, 1981.

[6] Chalmers Robert. The photovoltaic Generation of Electricity. Boston : Scientific

American, 1976.

[7] Ghosal K. Maley, Tiwari N. Gopal. Renewable energy Sources. Oxford : Alpha science

international Ltd, 2007.

[8] Hribernik Aleš. Obnovljivi viri energije. Maribor : Založništvo Fakultete za strojništvo,

2010.

[9] Kastelec Damijana, Rakovec Jože, Zakšek Klemen. Sončna energija v Sloveniji. Ljubljana

: Založba ZRC, 2007.

[10] Lenardič Denis. Tehnologije sončnih celic. [svetovni splet]. Dostopno na WWW:

http://www.pvresources.com/si/tehnologije.php [22.8.2011].

[11] Likar Borut, Pečjak Vid, Demšar Jožica, Fatur Peter, Križaj Dejan, Sitar Sandi, Trček

Denis, Trunk Širca Nada. Inovativnost za mlade. Ljubljana : Založba Korona plus, 2000.

[12] Messenger A. Roger, Ventre Jerry. Photovoltaic systems engineering : third edition.

Broken Sound Parkway NW : CRC Press Taylor&Francis Group LLP, 2010.

[13] Mulej Matjaž, Ženko Zdenka. Dialektična teorija sistemov in invencijsko – inovacijski

management. Maribor : Založba Management Forum, 2004.

[14] Pulfrey L. David. Photovoltaic Power Generation. New York: Litton Education

Publishing Inc., 1978.

61


[15] PV Portal – Uvod v fotovoltaiko. [svetovni splet]. Dostopno na WWW: http://pv.fe.uni-

lj.si/PVpojav.aspx [20.8.2011].

[16] Rogers M. Everett. Diffusion of Innovations – 4th ed. New York: The free Press, 1995.

[17] Tiwari N. Gopal, Swapnil Dupey. Fundamentals of Photovoltaic Modules and their

Applications. London : Royal society of chemistry, 2009.

[18] Ziherl Primož. Fotocelice – izbrana poglavja iz uporabne fizike. [svetovni splet].

Dostopno na WWW: http://www-f1.ijs.si/~ziherl/fotocelice.pdf [15.8.2011].

[19] Ženko Zdenka. Zakaj je tako malo ekoloških inovacij v managementu?. V: Mulej M.,

Ženko Z. (ur.). Zbornik 15. PODIM - Ekološke inovacije : (Naše gospodarstvo, 41, št. 1/2),

Maribor: Univerza v Mariboru, EPF, 1995, str. 193-198.

62


Priloga 1: Anketni vprašalnik

63


ANKETNI VPRAŠALNIK

Pred vami je anonimna anketa, ki služi kot podlaga za empirično raziskavo in

ovrednotenje postavk na temo tehničnih in ekoloških inovacij in uvajanja le-teh, obenem

pa želimo izmeriti stopnjo splošne osveščenosti ciljne skupine na področju uvajanja

sončnih celic kot obnovljivega vira energije.

1. Vprašanje:

SPOL: STAROST:

a.) moški a.) od 18 do 25 let b.) od 26 do 35 let

b.) ženski c.) od 36 do 50 let d.) 51 in več let

2. Vprašanje:

Kateri izmed navedenih definicij ustreza vaše pojmovanje inovacije?

a.) Inovacija je nekaj novega.

b.) Inovacija je ideja in zamisel, kako nekaj spremeniti.

c.) Inovacija je raznovrstna dokazano uporabna in koristna nova rešitev obstoječega problema.

d.) Nekaj drugega (navedite svojo opredelitev inovacije)

___________________________________________________________________________

3. Vprašanje:

Ali ste seznanjeni s katerimi od novodobnih tehniško-ekoloških inovacij?

a.) Da b.) Ne

4. Vprašanje:

Ali menite, da je takšnih inovacij premalo?

a.) Da

b.) Ne

5. Vprašanje:

Kako hitro ste pripravljeni sprejeti novosti oziroma inovacije s področja okoljevarstvenih

vidikov (ekologija, okoljska in procesna tehnika, obnovljivi viri energije…)?

64


a.) Nemudoma

b.) Takoj ko se o koristnosti prepričam preko znancev, medijev oz. izvedem lasten preizkus.

c.) Po določenem časovnem obdobju, ko lahko z dovolj veliko gotovostjo investiram vanje.

d.) Izogibam se sprejemanju inovacij, četudi imajo uporabno vrednost.

6. Vprašanje:

Koliko obnovljivih virov energije poznate (obnovljivi vir energije lahko izvira iz sončnega

sevanja, gravitacijskih sil in energije, nastale ob radioaktivnem razpadu)?

a.) Nobenega

b.) Enega ali dva

c.) Tri ali štiri

d.) Več kot štiri

7.a) Vprašanje :

Ste v medijih, v pogovoru z znanci ali v strokovni diskusiji že zasledili lastnosti sončne

energije ali sončnih celic (uporabnost, fizikalno-kemijske lastnosti, rentabilnost, ugodne

ekološke parametre…)?

a.) Da, sem že slišal za sončne celice in uporabo sončne energije.

b.) Da, poznam uporabnost in fizikalno-kemijske lastnosti sončnih celic.

c.) Da, sončne celice in pretvorbo sončne energije poznam zelo dobro.

d.) Ne, s sončnim celicami nisem seznanjen, vendar vem za rabo sončne energije.

e.) Ne, ne poznam nič od naštetega.

7.b) Vprašanje:

V kolikor ste na prejšnje vprašanje odgovorili z »da« nas zanima, ali vas je omemba sončne

energije ali sončnih celic spodbudila k nadaljnjemu udejstvovanju na tem področju (želji po

investiranju, informiranju, preučevanju…)?

a.) Da, o sončnih celicah sem se informiral, vendar vanje nisem investiral.

b.) Da, o sončnih celicah sem se informiral, saj sem že ali bom vanje investiral.

c.) Da, informacije sem uporabil za investicije na drugih področjih pretvorbe sončne energije.

65


d.) Ne, fotovoltaična in druge pretvorbe sončne energije v električno me ne zanimajo.

e.) Ne, saj moj trenutni finančno-premoženjski status ni primeren za investicije.

8. Vprašanje:

Kateri je glavni parameter, zaradi katerega ste se ali se niste odločili za nadaljnje

informiranje ali investiranje na področju fotovoltaične energijske pretvorbe?

a.) Ekološka komponenta

b.) Rentabilnost

c.) Fizikalno-kemijske lastnosti

d.) Uporabnost

e.) (Ne)informiranost

f.) Drugo: __________________________________________________________________

Zahvaljujem se vam za iskrene odgovore, s katerimi pripomorete k mojemu uspešnemu

raziskovalnemu delu. Anketa je izključno informativne narave.

66

budler marko_diplomsko delo_fotovoltaični materiali_08032011_celota_konec

Documents