Solární energie cestou laserových technologií

Hospodářský vývoj posledních let provází ve světě obecná krize energetických soustav, vyvolávající inflační spirálu s nárůstem cen, ať už jde o ropu, plyn nebo elektřinu a nic nenasvědčuje tomu, že by se tato situace měla obracet k lepšímu. Naše republika není v tomto směru výjimkou. Ponechme zatím stranou, jak se s energií hospodaří a podívejme se k našim sousedům na jeden příklad, jak rozumná investice do technického rozvoje, poskytnutá v zájmu celé společnosti i každého jednotlivce, může v krátké době přinést své ovoce. V Německu, kde jsou přírodní podmínky srovnatelné s našimi, vsadili už před časem na různé alternativní zdroje energie, u kterých předpokládali, že postupně pomohou odstavit z provozu i jaderné elektrárny. Toto rozhodnutí se sice dnes přehodnocuje, víceméně v souladu s celosvětovým názorem, podporovaným od počátku tohoto tisíciletí i americkým kongresem a Bushovou vládou. Ten spatřuje v jaderné energii za dalšího vývoje technologie a bezpečnostních záruk reálného nositele hlavní energetické zátěže. Přesto alternativní energie neztratily nikterak na významu, ba spíše naopak, jak dokazují i následné statistiky. O tom, že slunce je nejdůležitějším a prakticky nevyčerpatelným zdrojem energie není pochyb. Odborníci spočítali, že celkový tok energie, který Slunce vyzařuje do kosmického prostoru je 3,85 x 1026 W a na povrch zemské atmosféry z toho dopadá ve formě záření přibližně 1,4 kW/m2. Při přetváření této myšlenky na doplňkový energetický zdroj představuje Německo prioritu hned u dvou špičkových, vzájemně se podmiňujících technologií. Solárních technologií pro získávání energie, a to zvláště na bázi fotovoltaiky a výrobních technologií pro jejich prvky a systémy na bázi fotoniky s nástrojem v podobě laserového paprsku. Vzájemná vazba obou těchto technologií, fotovoltaiky i laserových technologií, je ku prospěchu obou. Přesto, že se mnohdy data různých statistických pramenů podle zvolené metodiky částečně rozcházejí v absolutních číslech, vzácně se u fotovoltaiky i laserových technologií shodují při vykazování relativního růstu, prvků i systémů v dvojciferných číslech. Jistě zajímavý komplexní přehled současné technologie výroby solární fotovoltaiky s nejnovějšími údaji nabídne letos v části „MicroNanoWorld“ mezinárodní veletrh technologií elektronické výroby Productronica, pořádaný v Mnichově od 13. do 16. listopadu („Productronica“ jako tradiční špičkový světový veletrh technologií elektronické výroby se při dvouleté periodicitě koná letos na kryté ploše Nového mnichovského výstaviště o rozloze 110 000 m2 již posedmnácté - www.expocs.cz). Podle studie, vypracované pro Evropskou unii agenturou Observ?ER a nazvané Photovoltaic Energy Barometer, jsou k dispozici statistická data o vývoji solárních systémů zatím jen do roku 2005. V tomto roce byly v zemích EU zavedeny systémy solární fotovoltaiky o souhrnném výkonu přes 645 MW, přičemž souhrnný výkon všech takových systémů ke konci roku 2005 dosáhl přes 1793 MW. Podle těchto údajů na čele pořadí v EU stojí Německo s přírůstkem za rok 2005 celých 603 MW. Česká republika se pohybuje v druhé desítce zemí s přírůstkem za rok 2005 kolem 0,11 MW. Vedoucí postavení Německa je bezpochybně výsledkem podpory, které se investorům solárních systémů dostává už řadu let od spolkové vlády v rámci programu na získávání a využívání obnovitelných zdrojů energie, na rozdíl třeba hned od nás, kde případný příspěvek závisí na momentálním stavu státní pokladny. - Ve světě zaujalo podle šetření stejné agentury první místo v produkci fotovoltaických systémů v roce 2005 Japonsko, a to s celkovým výkonem 833 MW. (Podle „Photon International“ se v roce 2005 instalovaly v Německu solární systémy o celkovém výkonu 912 MW, v Japonsku o 290 MW a v USA o 100 MW.) Solární fotovoltaice se vyčítá zatím malá účinnost obvyklých dosavadních solárních článků, ať už z monokrystalického nebo polykrystalického křemíku nebo vrstev z amorfního křemíku či jiných materiálů (15 – 20 %). Právě intenzivnější zapojení laserových technologií při výrobě solárních článků může v tomto směru přinést uspokojivější výsledky, jak představuje např. projekt spolupráce Laser Zentrum Hannover s Institutem für Solarenergieforschung GmbH, podporovaný od Niedersächsisches Ministerium für Wissenschaft und Kultur a od Niedersächsisches Umweltministerium. Dnes to např. demonstruje mikrovrtání laserem pro kontaktní průchody, při jehož aplikaci se při dosažení „mikro“ průchodů zvětšuje funkční povrch článku o 5 až 6 %. Laserem se připravuje i dosažení „pyramidové“ úpravy povrchu solárního článku, která by opět nárůstem funkční plochy a její struktury měla nabídnout intenzivnější absorpci slunečního záření. Pro laserové technologie při výrobě fotovoltaických prvků je vhodná obdobná nabídka laserů jako pro elektroniku a mikroelektroniku při výrobě integrovaných obvodů a různých mikrosystémů. Nárůst objemu těchto prací, související s dynamikou růstu fotovoltaiky, se průběžně projevuje i nárůstem podílu výroby odpovídající skupiny laserů pro oblast laserových mikrotechnologií na celkové struktuře laserových zdrojů a systémů, kde se za rok 2006 dosáhlo už celých 23 % (podle údajů Laser + Produktion další 22% podíl na trhu laserové techniky spadal v tomto roce do oblasti tzv. Job shops, 9 % šlo do automobilového průmyslu, 9 % do oblasti elektromechaniky a zbytek 27 % do kovoobráběcího průmyslu, včetně ostatního užití). Patrné je to i u sortimentu všech předních světových výrobců laserů, laserových zdrojů, prvků i celých systémů, kde se sleduje jak nárůst kvality a parametrů laserového paprsku, tak i ekonomika užití jednotlivých nabízených procesů v podmínkách velkosériové výroby u automatizovaných a robotizovaných pracovišť. Trend vývoje letos předvedl tradiční špičkový veletrh Laser 2007 – World of Photonics, který i tady potvrdil převahu německých výrobců laserové techniky nad „zbytkem světa“. Je dnes celá řada firem, které se vývojem a výrobou laserů pro mikroopracování zabývají, z toho i zcela mladých firem s rychlým přizpůsobením požadavkům trhu. U mamutích výrobců, jakými jsou Trumpf a Rofin-Sinar, na které se už tradičně často obracejí i naši uživatelé, vznikají celé systémové programy pro mikroopracování laserem, založené na různých variantách pevnolátkových laserů. Trumpf označil takový svůj základní laserový systém příznačně TruMicro a v jeho programu je hned několik poměrně rozličných typů pulzních laserů s výkonem 40 a 500 W. Dílčí série TruMicro 3000 s výkonem laserů 40 W zahrnuje dva typy laserů s aktivním médiem v klasické válečkové formě - Nd: YLF (s vyzařováním na vlnové délce 1047 nm) a Nd:YVO4 (s vyzařováním na 1064 nm), kde je pro uživatele podstatný zvláště rozdíl v energii pulzu. Až 4 mJ při 8 kHz a až 1,5 mJ při opakovací frekvenci 20 – 200 kHz. Délka pulzu je u prvního typu v rozpětí 25 až 120 ns, u druhého 15 až 80 ns. Výkonnější typ s 500 W naproti tomu využívá principu kotoučových laserů a v pulzu o šířce 1 ?s přináší energii až 40 mJ. V mikroprogramu firmy Rofin-Sinar po obdobných klasických pulzních laserech se 40 a 500 W středního výkonu dominuje pro potřeby technologií fotovoltaiky a řezání i nehomogenních materiálů speciálně vyvinutý kotoučový laser StarDisc, kde šířka pulzu a vkládaná energie jsou volené se zaměřením zvláště k dosahování maximální produktivity při hromadné výrobě solárních článků. Lze předpokládat, že u obou jmenovaných výrobců doplní programy LaserMicro i typy vláknových laserů, kde ke generování záření dochází přímo v jádru optického vlákna, dopovaného prvky vzácných zemin a které se postupně při zdokonalování laserových diod, potřebných pro čerpání vlákna dostaly už z fáze teoretických úvah do reálné nabídky. Trumpf zařadil do výrobního programu takový laser už dnes do výkonu 300 W, Rofin-Sinar nabízí dva typy vláknových laserů o výkonu 10 a 200 W. Vláknové lasery, u kterých se dosahuje zvoleným principem při dostatečném chlazení po celé délce vlákna vynikající jakosti paprsku, mohou v následujících letech promluvit rozhodným způsobem do stávající ekonomiky i u těch průmyslových technologií, kde se dnes používá excimerových laserů ze skupiny molekulárních laserů, vyzařujících na extrémně krátkých vlnách spektra od 193 do 351 nm (doména zvláště firem Coherent a LPKF). Ty pro svou krátkou vlnovou délku v ultrafialové části spektra poskytují opracování s mimořádně ostrými okraji, přičemž jen minimálně tepelně ovlivňují okolí dopadu paprsku (osvědčují se např. v mikrolitografii při výrobě elektronických obvodů). A aby to nebylo s budoucí volbou laserů tak jednoduché, pak část výzkumu laserů s jejich užitím u výroby polovodičů jde i cestou využívání v oblasti extrémně ultrafialové s vyzařováním hluboko pod viditelnou částí spektra mezi 11 až 14 nm, ve vývoji jsou i zdroje pro terahertzovou frekvenci (1012 hertz odpovídá pásmu mezi vzdáleným IR zářením a mikrovlnami) a do praktických aplikací v sériové výrobě solárních článků se dostává i technologie Microjet, spojující výhody řezání laserovým paprskem s místním intenzivním chlazením sloupcem vody, který při této technologii přivádí zaostřený laserový paprsek až na místo vlastní operace obdobně jako optické vlákno. O praktickém významu technologie Microjet pro fotovoltaiku svědčí i nedávná dohoda o jejím využití mezi jedním z hlavních světových výrobců systémů pro výrobu solárních článků německou firmou Manz Automation a původcem této technologie švýcarskou firmou Synova. /jš/