Fotovoltaický článek

Princip fotoefektu

Fotoefekt

Přímo k výrobě elektřiny můžeme využít slunečního záření ve fotovoltaických systémech. Jsou založené na fyzikálním jevu fotoefektu, při němž se energie světelného kvanta – fotonu – předá elektronu v látce a převede ho tak ze stavu s nižší energií do stavu s vyšší energií. Jednoduše řečeno, foton bouchne do elektronu a předá mu energii, takže elektron vyjede ze své obvyklé dráhy kolem atomového jádra a uvelebí se na dráze energeticky vyšší. Princip fotoefektu objevil, a dostal za to Nobelovu cenu, Albert Einstein.

Aby fotoefekt fungoval, musejí mít fotony dostatečnou energii. Čím kratší je vlnová délka záření, tím větší energii mají jeho fotony. Aby foton z krystalové mřížky vyrazil elektron, musí mít vlnovou délku maximálně 1 mikrometr (milióntina metru) – a to je infračervené záření. Fotony záření s kratší vlnovou délkou (např. fotony viditelného světla) už mají energie dostatek a mohou vesele elektrony z mřížky zpovyrážet. Záření s větší vlnovou délkou (např. mikrovlny, jaké máme v mikrovlnce) fotovoltaický jev nevyvolají.

Vlnová délka světla, které vyvolá fotoefekt, je méně než setina tloušťky lidského vlasu.

Lidské vlasy pod mikroskopem

Fotovoltaické články pro běžné použití se vyrábí z křemíku, kterého je všude dostatek

Jak to funguje

Když svítí Slunce, jeho záření dopadá na povrch solárních článků ve formě vln různé vlnové délky, od ultrafialových, přes celou duhu viditelného světla, až po dlouhé infračervené vlny, ale jen určitá část z nich se absorbuje v materiálu článku a vyvolá fotoefekt, čili přeměnu záření na elektřinu. Pojďme se blíže podívat, z čeho se takový fotovoltaický článek skládá a jaké procesy v něm probíhají.

Základem solárního článku je tenká destička polovodičového materiálu, obvykle křemíku. Na její horní straně se nachází vrstvička křemíku s příměsí prvku, který má přebytek elektronů (například fosfor), dolní část článku naopak obsahuje vrstvičku křemíku s příměsí prvku, který má méně elektronů než křemík (například bór). Horní vrstva je tím pádem vzhledem k množství elektronů více vodivá než spodní a označuje se jako polovodič typu N (negativní znamená, že má více volných elektronů). Analogicky spodní vrstva je typu P (pozitivní – má méně elektronů).

Když sluneční záření správné vlnové délky zasáhne střední polovodičovou vrstvu článku, vyrazí z atomu křemíku elektron, jenž se poté pohybuje směrem nahoru do horní vrstvy, která snadno přijímá elektrony. Kladně nabitá díra – zůstatek po vyraženém elektronu – se naopak pohybuje do spodní vrstvy polovodiče s bórem. Proces uvolňování elektronů se v materiálu článku opakuje, dokud na něj svítí sluneční světlo.

Tři vrstvy solárního článku a proces uvolnění elektronu z atomu křemíku v centrální vrstvě

Na horní vrstvě jsou sítotiskem vytištěny úzké kovové sběrné kontakty, spodní vrstva článku leží na vodivé hliníkové desce. Nahromaděním volných elektronů vznikne mezi horní a spodní vrstvou elektrické napětí o velikosti kolem 0,6 V. Propojením horních kontaktů se spodní deskou drátem se vytvoří cesta pro pohyb těchto elektronů. Fotovoltaický článek dodává prostřednictvím toku elektronů elektrický proud. Napětí jednoho článku je ale poměrně malé a proto se fotovoltaické články řadí za sebou do větších souborů.

Jako materiál fotovoltaických článků se nejčastěji používá křemík (Si), protože je dostupný (druhý nejrozšířenější prvek na Zemi) a s dobře známou technologií výroby a opracování. Různými metodami je dnes možné získat křemíkové krystaly nepředstavitelné čistoty – až 99,99998 %. To znamená, že mezi deseti miliony atomů křemíku mohou být jen dva cizí.

Monokrystal křemíku se krájí na tenké destičky jako šiška salámu

Články z monokrystalického křemíku

Články mají účinnost do 20 %, z polykrystalického křemíku kolem 10 %, z jiných polovodičů (galium arsenidu, kombinace Cd, Se, In apod.), mají účinnosti trochu vyšší, ale jsou zatím podstatně dražší než křemíkové. Asi 99 % ve světě používaných fotočlánků je vyrobeno z křemíku. Aby vznikl fotovoltaický jev, musí mít foton energii minimálně 1,12 eV. (Elektronvolt je pohybová energie, kterou získá elektron, když projde ve vakuu potenciálovým rozdílem 1 voltu.) Má-li menší, projde křemíkem bez povšimnutí (neabsorbuje se v něm). Má-li větší energii, způsobí vznik elektronu a „díry“ a zbytek jeho energie se přemění na teplo. Polovodič se zahřeje, což představuje ztráty, protože se snižuje účinnost přeměny energie. To je také důvod, proč se krajiny s horkým podnebím příliš nehrnou do stavby fotovoltaických elektráren. Účinnost panelů se zahřátím snižuje.

Víc článků víc vyrobí

Rozměry jednoho článku jsou asi 10 × 10 cm. Jediný fotovoltaický článek má jen velmi malé využití. Může pohánět třeba hračky na solární pohon, sluncem napájený větráček na čepici, v době předinternetové byly i solární kalkulačky.

Jednotlivé články se proto elektricky propojují a tím vznikají panely o výkonech od 10 do 300 W. Panely jsou zdrojem stejnosměrného proudu.

Výkon fotovoltaického panelu o ploše 1 m2 může být v našich klimatických podmínkách až 150 W. To odpovídá třeba výkonu 1 m2 topné rohože v podlahovém vytápění.

Výhodou solárních článků je, že mohou fungovat jako zdroje elektřiny na těžko přístupných místech, na ostrovech, v horách, oázách, v kosmu. Mohou se jimi pokrýt fasády domů, nebo se mohou umístit na stožáry, či mořské bóje. Doplňují se akumulátory, které se jejich pomocí za slunného počasí nabíjejí.