Fotovoltaické články a panely
Fotovoltaický článek
Fotovoltaický článek, pracující na principu fotovoltaického jevu v polovodičích, je zařízení schopné přímo měnit světelnou energii na stejnosměrné napětí. První funkční prototyp ze selenu a platiny sestrojili v roce 1876 William Grylls Adams a Richard Evans Day. Až v roce 1904 popsal složité fyzikální děje, probíhající ve fotovoltaickém článku, světoznámý Albert Einstein. Po půl století po objasnění jevu je v Bellových laboratořích z krystalického křemíku vyroben první skutečný fotovoltaický článek s energetickou účinností kolem 6 %.
O výzkum a rozvoj fotovoltaiky se v následujících letech zasloužila kosmonautika, protože se solární články a později rozkládací panely začaly používat jako zdroje potřebné energie pro vesmírné družice a kosmické sondy. Již v roce 1958 byla vypuštěna americká družice Vanguard I se slunečními články jako hlavním zdrojem energie. Články napájely vysílače družice po dobu 7 let. Sluneční energie napájela také elektromotory výzkumných vozítek Lunochod a Pathfinder, projíždějících se po povrchu Měsíce a Marsu. Od křemíku se v kosmonautice přešlo k článkům na bázi arsenidu galia, který je sice dražší, ale má vyšší účinnost pohybující se na hranici 30 %. Fotovoltaickými panely je na oběžné dráze zásobována elektřinou i mezinárodní vesmírná stanice ISS.
Základem fotovoltaického článku je PN přechod. Spodní P vrstva je nejčastěji tvořena plátkem krystalického křemíku s příměsí bóru. Na vrchní straně je nanesena vrstva polovodiče typu N, například křemík dotovaný indiem. Na rozhraní vrstev vzniká PN přechod s jednosměrným průchodem volných elektronů z vrstvy P do vrstvy N. Elektrony, uvolněné dopadajícími fotony, se pak hromadí v horní vrstvě N a tvoří napěťový potenciál mezi vrstvami o velikosti přibližně 0,6 V. Připojením vhodných elektrod se může toto stejnosměrné napětí využít.
Nejrozšířenější druhy fotovoltaických článků
Monokrystalické články
Polykrystalické články
Amorfní články
Novým trendem ve vývoji fotovoltaických článků je využívání polovodičových organických materiálů na bázi uhlíku namísto křemíku. Takovými materiály mohou být třeba organické molekuly plastů, které vynikají malou tloušťkou v řádu nanometrů, pružností, ohebností a velmi nízkými náklady na výrobu. Dokonce je lze nanášet na podklady ve formě inkoustu na tiskárně. Díky extrémně levné produkci organických solárních panelů může být jejich cena jen setinou ceny klasických křemíkových panelů. Revoluční technologie má ovšem zatím jeden podstatný háček a tím je nízká efektivita konverze světla na elektřinu pohybující se v jednotkách procent. Fotovoltaika na bázi organických polymerů má perspektivu například při instalaci do oken (může být průhledná) nebo zdí budov, ale výzkumy v tomto směru pokračují, takže je možné, že se jejich účinnost v budoucnu zvedne alespoň na úroveň amorfních křemíkových článků.
Fotovoltaický panel
Napětí solárního článku je příliš malé na to, aby se dalo přímo využít. Proto se solární články propojují do větších celků – solárních panelů. Propojení může být sériové – pro zvýšení výstupního napětí, paralelní – pro zvýšení výstupního proudu dodávaného panelem, nebo sériově paralelní – pro optimální nastavení výstupních pracovních parametrů. Obyčejně jsou solární panely navrženy tak, aby dodávaly energii na určité napěťové úrovni, například 12 nebo 24 Voltů. Vyráběný proud je přitom přímo úměrný množství dopadajícího světla na panel.
Panely na střechách
Fyzikální principy
Sluneční záření
Sluneční energie dopadá na zemský povrch ve formě slunečního záření. Asi 30 % z dopadajícího záření se odrazí zpět do vesmíru, 19 % je pohlceno atmosférou a přibližně 51 % dosáhne povrchu Země ve formě přímého nebo difuzního záření.
V jednotlivém atomu je každý elektron na „své“ konkrétní energetické hladině a mezi nimi být nemůže. Atomy v krystalové mřížce jsou ale tak natěsno, že mezi jádrem a „jeho“ nejvzdálenějším elektronem jsou další atomová jádra. Konkrétní energetická hladina těchto elektronů se přitom rozšíří na pás. Z pohledu energií elektronů se tak v pevné látce střídají pásy povolené a zakázané jako důsledek původních energetických hladin elektronů v atomu. Je-li pás elektrony zcela zaplněn, nevede elektřinu. Tento pás se nazývá valenční. Je-li pás částečně volný, elektřinu může vést. Dopadající elektromagnetické záření, třeba světlo, může přinést dostatek energie a vyrazit elektron ven. Může vyletět do prostoru, anebo třeba jen do vyššího energetického pásu. První případ pozoroval Becquerel, který ve svých pokusech používal soli stříbra na platině. K tomu druhému případu dochází např. v polovodičových materiálech, kde na rozhraní kladně a záporně dotovaných polovodičů dochází k vytvoření páru elektron/díra. Hovoříme pak o vnitřním fotoelektrickém jevu (elektron nevylétá ven, ale zůstane v materiálu) nebo rovnou o fotovoltaickém jevu. První prakticky použitelný fotovoltaický článek na bázi křemíku spatřil světlo světa až 115 let po Becquerelově objevu ve společnosti Bell Laboratories.
Fotovoltaický jev
Fotovoltaický jev představuje vznik elektromotorického napětí při expozici polovodičových materiálů zářením určitých vlnových délek. Základními částicemi záření jsou fotony. Aby fotovoltaický jev nastal, musí mít dopadající foton dostatečně velkou energii, aby vyražený materiál překonal energetický rozdíl mezi valenčním a vodivostním pásem. Hranice pro křemík odpovídá infračervenému záření o vlnové délce 1 105 nm. Fotony s nižší energií (vlnová délka nad 1 105 nm) fotovoltaický jev v křemíkových polovodičových materiálech nezpůsobí. Naopak viditelné světlo (vlnová délka 380 až 760 nm) se výrazným způsobem podílí na fungování fotovoltaických zařízení, protože fotony viditelného spektra mají dostatečnou energii na vznik fotovoltaického jevu. Jiné polovodiče než křemík mají tuto hranici jinde.
Uvolňování elektronů probíhá v polovodičových materiálech tak, že fotony jsou materiálem pohlceny, předávají svou energii atomům v krystalické mřížce a na základě této energie se uvolní jeden volný elektron. Prázdné místo, které po něm zbude, se nazývá díra a má vlastnosti kladně nabité částice.
