Fotovoltaický článek, známý také jako solární článek, je elektronická součástka, která při působení fotonů neboli částic světla vyrábí elektřinu.
Tato přeměna se nazývá fotovoltaický jev, který v roce 1839 objevil francouzský fyzik Edmond Becquerel. První praktické využití našly fotovoltaické články až v 60. letech 20. století v satelitní technice.
Solární panely, které se skládají z modulů fotovoltaických článků, se začaly objevovat na střechách domů koncem 80. let 20. století. Od počátku 21. století fotovoltaická kapacita neustále roste, a to v čele s výstavbou obrovských solárních farem.
Jak tedy funguje fotovoltaický článek?
Fotovoltaický článek je vyroben z polovodičových materiálů, které absorbují fotony vyzařované sluncem a generují tok elektronů. Fotony jsou elementární částice, které přenášejí sluneční záření rychlostí 300 000 kilometrů za sekundu. Albert Einstein je ve 20. letech 20. století označil za „světelná zrnka“. Když fotony dopadnou na polovodičový materiál, jako je křemík, uvolní elektrony z jeho atomů a zanechají za sebou volné místo. Zbloudilé elektrony se náhodně pohybují a hledají další „díru“, kterou můžou zaplnit.
Aby však vznikl elektrický proud, musí elektrony proudit stejným směrem. Toho se dosahuje pomocí dvou typů křemíku. Křemíková vrstva, která je vystavena slunci, je dopována atomy fosforu, který má o jeden elektron více než křemík, zatímco druhá strana je dopována atomy boru, který má o jeden elektron méně. Výsledný sendvič funguje podobně jako baterie: vrstva, která má přebytek elektronů, se stává záporným pólem (n) a strana, která má elektronů nedostatek, se stává kladným pólem (p). Na rozhraní obou vrstev vzniká elektrické pole.
Když jsou elektrony excitovány fotony, jsou elektrickým polem unášeny na stranu n, zatímco díry jsou unášeny na stranu p. Elektrony a díry jsou nasměrovány na elektrické kontakty přiložené na obou stranách a poté proudí do vnějšího obvodu ve formě elektrické energie. Tím vzniká stejnosměrný proud. Na horní stranu článku je přidána antireflexní vrstva, aby se minimalizovaly ztráty fotonů způsobené odrazem od povrchu.
Účinnost fotovoltaických článků
Účinnost je poměr elektrického výkonu vyrobeného článkem k množství slunečního světla, které článek přijímá. Pro měření účinnosti se články spojují do modulů, které se následně sestavují do polí. Výsledné panely se pak umístí před solární simulátor, který napodobuje ideální podmínky slunečního svitu. 1 000 wattů (W) světla na metr krychlový při okolní teplotě 25°C.
Elektrický výkon vyrobený systémem, neboli špičkový výkon, je procentuální podíl přicházející sluneční energie. Pokud panel o velikosti jednoho metru čtverečního vyrobí 200 W elektrického výkonu, má účinnost 20 %. Maximální teoretická účinnost fotovoltaického článku je přibližně 33 %. Tuto hodnotu označujeme jako Shockley-Queisserova mez.
V reálném životě se množství elektřiny vyrobené článkem, tzv. výkon, odvíjí od jeho účinnosti, průměrného ročního slunečního svitu v okolí a typu zařízení. Dopadající sluneční záření se značně liší. V oblasti Paříže činí 1 megawatthodinu na metr čtvereční za rok (MWh/m2/rok), zatímco v jižní Francii zhruba 1,7 MWh/m2/rok a na Sahaře téměř 3 MWh/m2/rok. To znamená, že solární panel s 15% účinností vyrobí 150 kWh/m2/rok v Paříži a 450 kWh/m2/rok na Sahaře.
Existují 3 hlavní typy fotovoltaických článků
Krystalické křemíkové články
Křemík se získává z oxidu křemičitého. Ten má mnoho podob, včetně křemene, který se ve velkém množství nachází v písku. Křemíkové články tvoří více než 95 % trhu se solárními články. V komerčních aplikacích se jejich účinnost pohybuje od 16,5 % do 22 % v závislosti na použité technologii.
Při zpracování za studena se křemík skládá z mnoha krystalů a nazývá se polykrystalický. Tyto články se snadno vyrábějí a jejich laboratorní účinnost přesahuje 22 %. Při metodě pull-from-melt se křemík přeměňuje na velkou monokrystalickou strukturu a nazývá se monokrystalický. Jeho laboratorní účinnost dosahuje 26,6 %. (Viz infografika). Cena křemíkových článků v posledních letech klesla, čímž se fotovoltaické články staly velmi konkurenceschopnými vůči jiným zdrojům elektřiny.
Tenkovrstvé články
Místo řezání křemíkových destiček o tloušťce přibližně 200 mikrometrů je možné nanášet polovodičový materiál v tenkých vrstvách o tloušťce jen několika mikrometrů na substrát, jako je sklo nebo plast. Běžně používanými látkami jsou tellurid kadmia a selenid mědi a galia (CIGS), jejichž laboratorní účinnost se blíží účinnosti křemíku a činí 22,1 %, resp. 23,3 %. K výrobě tenkovrstvých článků lze použít také amorfní (nekrystalický) křemík. Tato technologie se již dlouho používá v malých kalkulačkách, ale je méně účinná než křemík.
Organické buňky do fotovoltaických článků
Začínají se komerčně uplatňovat organické solární články, které využívají organické molekuly nebo polymery namísto polovodičových minerálů. Tyto články mají i nadále nízkou účinnost přeměny a krátkou životnost, ale jsou potenciálně levnou alternativou z hlediska výroby. Pozornost začíná přitahovat další technologie, solární články citlivé na barvivo s fotosenzitivními pigmenty, inspirovaná fotosyntézou.
Perovskity
Dřívější výzkum organické fotovoltaiky vedl k objevu nového typu článku zvaného perovskit, který jako aktivní materiál využívá hybridní organicko-anorganické sloučeniny. Perovskity již dosáhly laboratorní účinnosti odpovídající účinnosti jiných technologií (rekord je 23,7 %).
Přestože je třeba ještě provést mnoho výzkumu, než se články budou moci vyrábět ve velkém (problémem je nestabilita), perovskity mají mnoho výhod. Kromě toho, že jsou lehké a flexibilní, lze jejich materiály míchat s inkoustem a nanášet na velké plochy. Kromě toho je jejich výroba mimořádně nákladově efektivní.
Technologická konvergence
Vědci po celém světě pracují na kombinaci různých fotovoltaických technologií, aby vytvořili vícečlánkové články. Využití různých materiálů umožňuje dosáhnout mnohem vyšší účinnosti, než uvažovaná maximální teoretická hranice (33,5 %), a zároveň udržet výrobní náklady na uzdě. Výzkum se zaměřuje především na tandemové články z tenkovrstvého křemíku, které dosahují teoretické účinnosti 43 %. Maximální teoretická účinnost vícepřechodových článků je vyšší než 50 %.
Zdroje: planete-energies, Vapol
