Fotovoltaický článek je velkoplošná polovodičová součástka schopná přeměňovat světlo na elektrickou energii. Využívá při tom fotovoltaický jev. Na rozdíl od fotočlánků může dodávat elektrický proud.

 

 

Historie[editovat | editovat zdroj]

Fotovoltaický jev objevil v roce 1839 francouzský fyzik Alexandre Edmond Becquerel. První fotovoltaický článek však byl sestrojen až v roce 1883 Charlesem Frittsem, který potáhnul polovodivýselen velmi tenkou vrstvou zlata. Jeho zařízení mělo pouze jednoprocentní účinnost. V roce 1946 si nechal patentovat konstrukci solární článku Russel Ohl. Současná podoba solárních článků se zrodila v roce 1954 v Bell Laboratories. Při experimentech s dopovaným křemíkem byla objevena jeho vysoká citlivost na osvětlení.

Výsledkem byla realizace fotovoltaického článku s účinností kolem šesti procent. Význam fotovoltaiky se projevil zvláště v kosmonautice, kde fotovoltaika tvoří prakticky jediný zdroj elektrické energie pro umělé družice Země. Prvou družicí s fotovoltaickými články byla americká družice Vanguard I, vypuštěná na oběžnou dráhu 17. března 1958^[1][2].

Na začátku sedmdesátých let se fotovoltaické články dostaly z laboratoří a z kosmického prostoru i na zem, z velké části díky ropným společnostem těžícím v Mexickém zálivu. Na automatických ropných plošinách je elektrická energie potřebná pro osvětlení (maják) a pro ochranu proti korozi. Fotovoltaické články zcela vytlačily do té doby používané primární články elektrické energie.

Různé technologie výroby[editovat | editovat zdroj]

Technologie tlustých vrstev[editovat | editovat zdroj]

Fotovoltaický článek je tvořen polovodičovou p-n diodou. Tyto články se vyrábějí z křemíkových plátků, ať už z monokrystalického nebo polykrystalického křemíku. V současné době se touto technologií vyrábí více než 85% solárních článků na trhu.

Technologie tenkých vrstev[editovat | editovat zdroj]

Fotovoltaický článek je tvořen nosnou plochou (například sklem, textilií a podobně), na které jsou napařené velmi tenké vrstvy amorfního nebo mikrokrystalického křemíku. Množství materiálu, použitého pro výrobu tenkovrstvého fotovoltaického článku, je nižší, než u tlustých vrstev, takže články jsou levnější. Nevýhodou současných tenkovrstvých fotovoltaických článků je nižší účinnost a nižší životnost.

Nekřemíkové technologie[editovat | editovat zdroj]

Na rozdíl od předešlých dvou se pro konverzi světla na elektrickou energii nepoužívá tradiční P-N polovodičový přechod. Používají se různé organické sloučeniny, polymery a podobně. Tyto technologie jsou většinou ve stadiu výzkumů.

Vzhledem k možnému masovému využití fotovoltaických článků, jejichž výrobní cena by byla podstatně nižší než v současnosti, probíhá také výzkum fotovoltaických článků pracující s jinými fotocitlivými materiály než je křemík. Jednou z možností jsou vodivé polymery; např. v listopadu 2005 se podařilo výzkumné skupině na University of California v Los Angeles dosáhnout zatím maximální účinnosti 4,4%.

Výroba solárních článků[editovat | editovat zdroj]

Velká část dnes používaných článků je vyráběná z monokrystalického (případně polykrystalického) dopovaného P křemíku. Polykrystalické křemíkové ingoty se vyrábějí se čtvercovým průřezem, vhodným pro výrobu solárních článků. Kulaté monokrystalické ingoty se často ořezávají na pseudočtvercový průřez, aby byla lépe využitá plocha solárních panelů. Ingoty se rozřežou na tenké destičky (maximálně 1/3 mm).

Na těch se pak vytvoří leptáním textura (destička zmatní a lépe pohlcuje světlo). Destička se poté dopuje fosforem, čímž se vytvoří polovodivý P-N přechod, vybaví se antireflexní vrstvou nitridu (článek získá tmavě modrou barvu), a vodivou pastou se sítotiskem vyrobí metalizace na zadní i přední straně. Poté se článek vypálí (sintruje) – vytvoří se vodivé propojení metalizace s křemíkem. Hotové články se spojují do série (a/nebo paralelně) pájenými plochými kovovými pásky a montují se do fotovoltaických panelů.

Koncentrátorové články[editovat | editovat zdroj]

Aby se lépe využily drahé solární články, je možné použít odrazné plochy (zrcadla) nebo čočky, které koncentrují sluneční záření na solární článek a umožňují osvětlovat článek mnohem vyššími intenzitami světla. Pro práci takového systému je potřeba přimontovat panel do zařízení pro sledování slunce (tracker) a články je nutné chladit.

Běžně vyráběné fotovoltaické články jsou určené pro práci při osvětlení slunečním zářením o intenzitě 1kW·m^-2 (1 slunce). Především metalizace běžných fotovoltaických článků není uzpůsobená vyššímu proudovému zatížení, proto se používají speciální koncentrátorové solární články.

Účinnost[editovat | editovat zdroj]

Sluneční světlo vzniká termonukleární reakcí ve slunečním centru při teplotách okolo 15 miliónů Kelvinů. Na povrchu Slunce už je teplota kolem 6 tisíc Kelvinů.

Zářivý výkon celého slunce je 3,85·10²³ kW. Většina tohoto výkonu se vyzáří do prostoru a k Zemi dorazí jen asi půl miliardtiny. I tak je to výkon 1,744·10¹⁴ kW na celou ozářenou polokouli.

Země obíhá kolem Slunce ve vzdálenosti 150 miliónů kilometrů. Energetická hustota slunečního záření v této vzdálenosti je ve vakuu 1367 ± 7 W·m^-2. Tato energie je rozložená do elektromagnetického spektra přibližně odpovídající záření absolutně černého tělesa o teplotě 5700 K.

Při průchodu atmosférou se část sluneční energie ztratí. Asi 300 W·m^-2 se v atmosféře absorbuje, kolem 100 W·m^-2 se rozptýlí. Část rozptýlené energie přispívá k celkovému osvětlení jako difuzní záření oblohy. Účinnost solárních článků se měří při definovaném osvětlení AM1.5 – energetická hustota tohoto spektra je 1 kW·m^-2, ale silně závisí na průhlednosti atmosféry.

Energie fotonu, která překračuje potřebnou hranici pro výrobu elektřiny, se mění v teplo. Ve fotovoltaickém článku tak lze na elektřinu přeměnit teoreticky maximálně padesát procent dopadajícího světla. Prakticky se dosahuje účinnosti asi patnáct procent u průmyslově vyráběných článků. U experimentálních laboratorně vyráběných článků se dosahuje účinnosti až třicet procent.

U současných tenkovrstvých článků dosahuje účinnost přibližně 8-9 procent, časem se však snižuje mnohem rychleji, než u tlustovrstvých článků. V roce 2006 Národní laboratoř pro obnovitelnou energii (USA) představila články využívající trojnásobné přechody s efektivitou až 40,7%^[3]

Výkon fotovoltaického článku[editovat | editovat zdroj]

Výkon fotovoltaických článků a panelů se udává v jednotkách Wp (watt peak – špičková hodnota). Výkon silně závisí na osvětlení a na úhlu dopadajícího světla, proto se výkon článků měří při definovaných podmínkách:

• Výkonová hustota slunečního záření 1000 W·m^-2
• Spektrum záření AM1.5
• Teplota solárního článku 25 stupňů Celsia.

V praxi bývá většinu doby výkon článku nižší, protože článek není natočen přesně na slunce a světlo prochází v závislosti na denní době různou vrstvou atmosféry. Navíc je množství dopadajícího slunečního záření silně závislé na oblačnosti.

Využití[editovat | editovat zdroj]

Solární články mají mnoho aplikací. Dříve se používaly solární články především v kosmonautice. Od sedmdesátých let pronikají díky snížení cen fotovoltaické články i do míst, kde není k dispozici zdroj elektrické energie ze sítě, například na ropné plošiny, koncová světla železničních vagónů, retranslační stanice v telekomunikacích nebo na pobřežní majáky. V zemích, kde neexistuje energetická síť v rozsahu podobném Evropskému, se používá fotovoltaika pro zásobování domácností elektřinou nebo třeba pro pohon vodních čerpadel. U nás se používá fotovoltaika například na jachtách, karavanech nebo na odlehlých místech, například horských chatách.

V našich podmínkách se fotovoltaické systémy často připojují na jednotnou energetickou síť, kde by v budoucnu mohly velmi dobře sloužit k vyrovnání zvýšené spotřeby elektrické energie v denních hodinách.