Fotovoltaický článek ☀️, také známý jako solární článek, je elektronická součástka ☀️, která generuje elektřinu, když je vystavena fotonům (částicím světla).

Jak vlastně funguje fotovoltaický článek?

Pravděpodobně jste ve škole měli, jako já, parádní kalkulačku se solárním článkem. To byla mimochodem (za mých mladých let), velká věc a „machrovina“. Takové kalkulačky jsou zařízení, která nikdy nepotřebují baterie a v některých případech dokonce ani nemají tlačítko pro vypnutí. Dokud je dostatek světla, zdá se, že fungují navždy. Možná jste také viděli větší solární panely, třeba na nouzových dopravních značkách, budkách, bójích a dokonce i na parkovištích pro napájení světel nebo parkovacích automatů. Ačkoli tyto větší panely nejsou tak běžné jako solární kalkulačky, existují a není tak těžké je najít, pokud víte, kde hledat. Poslední dobou jich ve městech bývá požehnaně.

Ve skutečnosti se dnes fotovoltaika – která se kdysi používala téměř výhradně ve vesmíru a napájela elektrické systémy satelitů již v roce 1958 – používá stále více. Tato technologie se neustále objevuje v nových zařízeních, třeba v nabíjecích stanicích pro elektromobily.

Naděje na „sluneční revoluci“ se zde vlastně vznášela po celá desetiletí – myšlenka, že jednoho dne budeme všichni využívat bezplatně energii ze slunce, nadchne asi všechny z nás. To je velmi svůdný příslib, protože za jasného slunečného dne vyzařují sluneční paprsky přibližně 1000 wattů energie na metr čtvereční povrchu planety. Pokud bychom totiž dokázali shromáždit všechnu tuto energii, mohli bychom snadno napájet naše domovy a kanceláře zcela zdarma.

V tomto článku prozkoumáme solární (fotovoltaické) články, abychom zjistili, jak vlastně přeměňují sluneční energii přímo na elektřinu. Během tohoto procesu se dozvíte, proč se přibližujeme každodennímu využívání sluneční energie a proč musíme ještě provést další výzkum, než se proces stane nákladově efektivním.

Představme si fotovoltaický článek

Fotovoltaický článek, také známý jako solární článek, je elektronická součástka, která generuje elektřinu, když je vystavena fotonům (částicím světla). Tato přeměna se nazývá fotovoltaický efekt, který objevil v roce 1839 francouzský fyzik Edmond Becquerel.

Ale teprve v 60. letech 20. století našly fotovoltaické články první praktické uplatnění v satelitní technice. Solární panely, které se skládají z modulů fotovoltaických článků, se pak začaly dostávat na střechy na konci 80. let 20. století. Fotovoltaická kapacita od počátku 21. století neustále roste, v čele s výstavbou obrovských solárních farem.

Fotovoltaické články jsou obvykle vyrobeny z křemíku – stejného materiálu, jaký se používá v mikroelektronice. Každý fotovoltaický článek je v podstatě sendvič složený ze dvou plátků polovodivého materiálu.

Solární panely ve skutečnosti obsahují mnoho menších jednotek nazývaných fotovoltaické články – to znamená, že přeměňují sluneční světlo na elektřinu. Mnoho fotovoltaických článků spojených dohromady tedy tvoří solární panel.

Aby fotovoltaické články fungovaly, potřebují vytvořit elektrické pole. Podobně jako magnetické pole, které vzniká v důsledku opačných pólů, vzniká elektrické pole, když jsou opačné náboje od sebe odděleny. Aby toto pole výrobci fotovoltaických článků získali, „dopují“ křemík jinými materiály, přičemž díky tomu každý plátek „sendviče“ získá kladný nebo záporný elektrický náboj.

Konkrétně nasazují fosfor do horní vrstvy křemíku, který do této vrstvy přidává další elektrony se záporným nábojem. A spodní vrstva dostane „dávku“ boru, což má za následek méně elektronů neboli kladný náboj. To vše pak tedy vytváří elektrické pole na spojnici mezi křemíkovými vrstvami.

Fotovoltaický článek
Fotovoltaický článek

Fotovoltaický článek je tedy vyroben z polovodičových materiálů, které absorbují fotony emitované sluncem a vytvářejí tok elektronů. Fotony jsou elementární částice, které přenášejí sluneční záření rychlostí 300 000 kilometrů za sekundu. Ve 20. letech 20. století o nich Albert Einstein hovořil jako o „zrnkách světla“. Když fotony narazí na polovodičový materiál, jako je křemík, uvolní elektrony z jeho atomů a zanechají za sebou prázdný prostor („díru“). Zbloudilé elektrony se náhodně pohybují a hledají další „díru“, kterou by zaplnily.

Tento výsledný „sendvič“ funguje vlastně hodně podobně jako baterie: vrstva, která má přebytek elektronů, se stane záporným pólem (n) a strana, která má nedostatek elektronů, se stane kladným pólem (p). Na přechodu mezi dvěma vrstvami se vytváří ono zmíněné elektrické pole.

Když jsou elektrony vybuzeny (excitovány) fotony, jsou elektrickým polem smeteny na n-stranu, zatímco „díry“ se posunují na p-stranu. Elektrony a „díry“ jsou nasměrovány na elektrické kontakty aplikované na obě strany, než proudí do vnějšího obvodu ve formě elektrické energie. Tím vzniká stejnosměrný proud. Na horní část článku je pak přidán antireflexní povlak, který minimalizuje ztráty fotonů v důsledku povrchového odrazu (i tak ztráty ale jsou).

Účinnost fotovoltaických článků

Účinnost je poměr elektrické energie vyrobené článkem k množství slunečního světla, které dostává. Jak se taková účinnost fotovoltaických článků měří?

Pro měření účinnosti jsou články spojeny do modulů, které jsou zase sestavovány do polí. Výsledné panely jsou poté umístěny před solární simulátor, který napodobuje ideální podmínky slunečního světla: 1 000 wattů (W) světla na metr krychlový při okolní teplotě 25 °C. Elektrická energie vyrobená systémem, neboli špičkový výkon, je procento příchozí solární energie. Pokud panel o velikosti jednoho metru čtverečního generuje elektrický výkon 200 W, má účinnost 20 %. Maximální teoretická účinnost fotovoltaického článku se pohybuje kolem 33 %. Toto je označováno jako Shockleyův–Queisserův limit.

Fotovoltaický efekt objevil v roce 1839 Edmond Becquerel.

V reálném životě je množství elektřiny vyrobené článkem, známé jako jeho výkon, založeno na jeho účinnosti, průměrném ročním slunečním svitu v okolí a typu instalace.

Dopadající sluneční záření se v různých částech Země výrazně liší – 1 megawatthodinu na metr čtvereční za rok (MWh/m2/rok) v oblasti Paříže oproti zhruba 1,7 MWh/m2/rok v jižní Francii a téměř 3 MWh/m2 /rok v saharské poušti. To znamená, že solární panel s účinností 15 % bude generovat 150 kWh/m2/rok v Paříži a 450 kWh/m2/rok na Sahaře.

Různé typy fotovoltaických článků

Existují tři hlavní typy fotovoltaických článků (či čtyři, záleží, jak se na to díváte). Jejich účinnost konverze se neustále zlepšuje.

Solární články z krystalického křemíku

Křemík se extrahuje z oxidu křemičitého. Ten má mnoho forem, včetně křemene, který se ve velkém množství nachází v písku. Křemíkové články představují více než 95 % trhu solárních článků. V komerčních aplikacích se jejich účinnost pohybuje od 16,5 % do 22 % v závislosti na použité technologii.

Při metodě zpracování za studena se křemík skládá z mnoha krystalů a nazývá se polykrystalický. Články se snadno vyrábějí a mají laboratorní účinnost přesahující 22 %. Při metodě vytažení z taveniny se křemík přemění na velkou monokrystalickou strukturu a nazývá se monokrystalický. Má laboratorní účinnost až 26,6 %. Cena křemíkových článků v posledních letech klesla, díky čemuž jsou fotovoltaické panely velmi konkurenceschopné vůči jiným zdrojům elektřiny.

Tenkovrstvé solární články

Místo řezání křemíkových plátků o tloušťce přibližně 200 mikronů (1 mikron = 1/1000 milimetru.) je možné nanášet polovodičový materiál v tenkých vrstvách o tloušťce pouze několika mikronů na substrát, jako je sklo nebo plast. Běžně používanými látkami jsou telurid kadmia a selenid mědi a india gallia (CIGS), jejichž laboratorní účinnost je blízká účinnosti křemíku, a to 22,1 % a 23,3 %. I amorfní (nekrystalický) křemík lze také použít pro výrobu tenkovrstvých článků. Tato technologie se již dlouho používá v malých kalkulačkách, ale je méně účinná než křemík.

Organické solární panely

Komerčně se začínají uplatňovat také organické solární články, které využívají spíše organické molekuly nebo polymery než polovodičové minerály. Články mají i nadále nízkou účinnost konverze a krátkou životnost, ale jsou potenciálně levnou alternativou z hlediska výroby. Pozornost začíná přitahovat další technologie, solární články citlivé na barvivo s fotosenzitivními pigmenty, inspirované fotosyntézou.

Fotovoltaické panely na principu perovskitů

Dřívější výzkum organické fotovoltaiky (OPV) vedl k objevu nového typu článku zvaného perovskit, který jako aktivní materiál využívá hybridní organicko-anorganické sloučeniny. Perovskity již dosáhly laboratorní účinnosti v souladu s účinností ostatních technologií (rekord je 23,7 %).

Přestože je třeba provést ještě mnoho výzkumů, než budou tyto články hromadně vyráběny (problémem je nyní hlavně), perovskity mají mnoho výhod. Kromě toho, že jsou lehké a flexibilní, lze jejich materiály smíchat s inkoustem a aplikovat na velké plochy. Navíc je jejich výroba extrémně nákladově efektivní.

Existují i vícepřechodové fotovoltaické článků – kombinace uvedených

Vědci z celého světa pracují na kombinování různých fotovoltaických technologií, aby vytvořili vícenásobné články. Použití různých materiálů umožňuje článkům dosáhnout mnohem vyšší účinnosti, než je maximální teoretická hranice (33,5 %), a přitom udržet výrobní náklady pod kontrolou.

Výzkum je zaměřen především na tenkovrstvé křemíkové tandemové články, které poskytují teoretickou účinnost 43 %. Maximální teoretická účinnost vícepřechodových článků je větší než 50 %.

Náklady na solární energii

Někteří lidé mají mylnou představu o solární energii. I když je pravda, že sluneční světlo je zdarma, elektřina generovaná fotovoltaickými systémy není. O tom, zda se instalace fotovoltaického systému vyplatí, rozhoduje mnoho faktorů.

Za prvé, je tu otázka, kde bydlíte. Lidé žijící ve slunných částech světa začínají s větší výhodou než ti, kteří se usadili na méně sluncem zalitých místech, protože jejich fotovoltaické systémy jsou obecně schopny vyrobit více elektřiny.

Kromě toho by měly být zohledněny náklady na služby v oblasti. Sazby za elektřinu se místo od místa značně liší, takže někdo, kdo žije třeba více na severu, může více chtít zvážit přechod na solární energii, pokud jsou jeho sazby za elektřinu obzvláště vysoké.

Dále jsou zde náklady na instalaci; je potřeba docela dost hardwaru. Je také důležité pamatovat na to, že mnoho solárních systémů zcela nepokryje elektřinu na 100 procent času. Je tak pravděpodobné, že stále budete platit účet za elektřinu, i když bude určitě nižší, než kdyby na místě nebyly žádné solární panely.

Zdroje článku

  • Zdroj obrázku ve článku: geerati@gmail.com / depositphotos.com

Dále si u nás o FVE přečtěte:

Post navigation

1 Komentář

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Přihlásit

Registrovat

Obnova hesla

Zadejte uživatelské jméno nebo e-mailovou adresu, e-mailem obdržíte odkaz pro vytvoření nového hesla.