Jít na vyhledávání

Fotovoltaické články a panely

Výklad

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 %.

Polykrystalické solární články připravené k použití v solárních panelech (Zdroj: © ason / stock.adobe.com)

Polykrystalické solární články připravené k použití v solárních panelech

Princip práce fotovoltaického článku generujícího stejnosměrný elektrický proud (Zdroj: © Graphithèque / stock.adobe.com)

Princip práce fotovoltaického článku generujícího stejnosměrný elektrický proud

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.

Mezinárodní vesmírná stanice ISS má několik set tisíc fotovoltaických článků uspořádaných do panelů o výkonu 110 kW (Zdroj: © Adam / stock.adobe.com)

Mezinárodní vesmírná stanice ISS má několik set tisíc fotovoltaických článků uspořádaných do panelů o výkonu 110 kW

Fotovoltaické články se většinou vyrábí z jednolitého krystalu křemíku nebo z lisovaného ingotu odřezků křemíkových krystalů (Zdroj: © Petair / stock.adobe.com)

Fotovoltaické články se většinou vyrábí z jednolitého krystalu křemíku nebo z lisovaného ingotu odřezků křemíkových krystalů

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.

V současnosti jsou nejrozšířenější tři druhy fotovoltaických článků:

Monokrystalické solární články mají tmavou barvu, jednolitou strukturu a nejčastěji tvar osmiúhelníku (Zdroj: © Patrik Winbjörk / stock.adobe.com)

Monokrystalické solární články mají tmavou barvu, jednolitou strukturu a nejčastěji tvar osmiúhelníku

Monokrystalické články

Základem monokrystalických článků je křemíková podložka, která vzniká nařezáním křemíkového monokrystalu na plátky. Samotný monokrystal se vyrábí tažením roztaveného křemíku do formy tyčí. Jeho struktura je jednolitá a čistá.

Křemíkové plátky se pak ořezávají na potřebnou velikost fotovoltaického článku (obvykle 156 × 156 mm). Barva plátku je tmavá až černá a často mají plátky tvar osmiúhelníku.

Účinnost monokrystalických článků se pohybuje od 14 do 20 %.

Různé druhy polykrystalických solárních článků (Zdroj: © Ingo Bartussek / stock.adobe.com)

Různé druhy polykrystalických solárních článků

Polykrystalické články

Základem polykrystalických článků je taky křemíková podložka, skládající se ale z většího počtu menších křemíkových krystalů. Výroba základního ingotu je jednodušší a levnější, než výroba monokrystalu. Podložka má většinou čtvercový tvar, je tmavomodrá s viditelnými okraji jednotlivých krystalů. Účinnost polykrystalických článků je od 12 do 15 % a patří mezi nejpoužívanější. Lépe dokážou využít rozptýlené světlo a nejsou tak citlivé na přesnou jižní orientaci.

Amorfní články

Základem amorfních článků je tenká vrstva fotocitlivého materiálu, napařená na vhodný podkladový materiál, kterým může být sklo, plast nebo nerezová ocel. Využívají se i vícevrstvé články s posunutou citlivostí vrstev na různá spektra slunečního záření, čímž je záření jako celek lépe využito. Amorfní články mohou být součástí střešních krytin, hydroizolačních pásů na rovné střechy, nebo mohou být zpracovány do formy klasických panelů. Jsou méně citlivé na orientaci a teplotu prostředí, dobře pracují při zhoršených světelných podmínkách. Účinnost amorfních článků je jen 8 až 10 %, takže na stejný instalovaný výkon je potřebná asi dvojnásobná plocha. Amorfní křemík má účinnost 6–9 %, kadmium-telurid 9–11 %, CIS (měď-indium-diselenid) a CIGS (měď-indium-galium-diselenid) dosahují účinnosti kolem 10–12 %. Protože potřebují méně drahého materiálu, je jejich výroba efektivnější než u křemíkových článků. Amorfní články představují 10–15 % ze všech vyráběných fotovoltaických článků.

Základem polykrystalických článků je křemíková podložka s viditelnými okraji jednotlivých krystalů (Zdroj: © Foto-Ruhrgebiet / stock.adobe.com)

Základem polykrystalických článků je křemíková podložka s viditelnými okraji jednotlivých krystalů

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

Solární panely mají většinou standardizovanou velikost i výstupní napětí (Zdroj: © esoxx / stock.adobe.com)

Solární panely mají většinou standardizovanou velikost i výstupní napětí

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.

Fotovoltaický panel se skládá ze tří základních vrstev: nosné desky, vrstvy článků a krycího skla (Zdroj: © iaremenko / stock.adobe.com)

Fotovoltaický panel se skládá ze tří základních vrstev: nosné desky, vrstvy článků a krycího skla

Častým místem instalace solárních panelů jsou střechy obytných budov (Zdroj: © manfredxy / stock.adobe.com)

Častým místem instalace solárních panelů jsou střechy obytných budov

Spodní část fotovoltaického panelu tvoří pevná nosná deska, zasazená do obvodového rámu. Horní část je přikryta průhlednou ochrannou plochou, např. tvrzeným leštěným sklem. Optické vlastnosti krycí vrstvy zásadně ovlivňují množství světla dopadající na fotovoltaické články a tím i účinnost přeměny slunečního záření na elektřinu. Mechanická odolnost je důležitá z důvodu možného poškození panelu při bouřkách s krupobitím. Důležitá je taky odolnost panelu vůči degradaci UV zářením a klimatická odolnost.

Častým místem instalace fotovoltaických panelů jsou střechy obytných nebo průmyslových budov, ale mohou být samozřejmě umístěny i na jednoduché konstrukci jako volně stojící jednotky. Pro zvýšení účinnosti může být konstrukce vybavena systémem sledujícím polohu Slunce na obzoru a natáčejícím rovinu panelů kolmo k dopadajícím paprskům slunečního záření. Životnost fotovoltaických panelů je přibližně 30 let.

Vrátit se nahoru
detail