Fotovoltaický článek
Jak funguje
Fotovoltaické články pro běžné použití se vyrábí z křemíku, kterého je všude dostatek
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).
Tři vrstvy solárního článku a proces uvolnění elektronu z atomu křemíku v centrální vrstvě
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.
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.
Monokrystal křemíku se krájí na tenké destičky jako šiška salámu
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.
Články z monokrystalického křemíku 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.
0
