Fotovoltaika

Všetko, čo by ste mali vedieť o fotovoltaike

Fotovoltaika alebo aj fotovoltika je v poslednom čase jedným z najdynamickejšie sa rozvíjajúcich odvetví, ktorého produkty sa stávajú bežnou súčasťou nášho života. Fotovoltika už nie je iba „kozmickou tehnológiou“, ale pomaly sa stáva bežnou súčasťou našich životov. Preto nie je na škodu o nej vedieť niečo viac.

Definícia

Fotovoltaika je technický odbor, ktorý sa zaoberá procesom priamej premeny svetla na elektrickú energiu. Názov vznikol spojením dvoch slov - foto (svetlo) a volt (jednotka elektrického napätia). Proces premeny prebieha vo fotovoltickom článku.

Ako funguje fotovoltický článok?

Fotovoltický (solárny) článok je elektronický komponent, ktorý generuje elektrinu pri vystavení fotónom  časticiam svetla. Táto premena sa nazýva fotovoltaický efekt, ktorý objavil v roku 1839 francúzsky fyzik Edmond Becquerel. Až v 60. rokoch 20. storočia našli fotovoltické články prvé praktické uplatnenie v satelitnej technológii.
Fotovoltický článok je vyrobený z polovodičových materiálov, ktoré absorbujú fotóny emitované slnkom a generujú tok elektrónov. Fotóny sú elementárne častice, ktoré prenášajú slnečné žiarenie rýchlosťou 300 000 km za sekundu. Keď fotóny narazia na polovodičový materiál ako kremík, uvoľnia elektróny z jeho atómov a zanechajú za sebou prázdny priestor. Túlavé elektróny sa náhodne pohybujú a hľadajú ďalšiu „dieru“, ktorú by zaplnili.

Na výrobu elektrického prúdu však musia elektróny prúdiť rovnakým smerom. To sa dosiahne použitím dvoch druhov kremíka. Kremíková vrstva, ktorá je vystavená slnku, je dotovaná atómami fosforu, ktorý má o jeden elektrón viac ako kremík. Druhá strana je dotovaná atómami bóru, ktorý má o jeden elektrón menej. Výsledný sendvič funguje podobne ako batéria. Vrstva, ktorá má prebytočné elektróny sa stáva zápornou svorkou (n) a vrstva, ktorá má deficit elektrónov je kladnou svorkou (p). Medzi týmito dvoma vrstvami sa vytvára elektrické pole.

Keď sú elektróny excitované fotónmi, sú strhnuté elektrickým poľom na stranu n, zatiaľ čo otvory sa posúvajú na stranu p. Elektróny a otvory sú smerované do elektrických kontaktov privedených na obe strany pred prúdom do vonkajšieho obvodu vo forme elektrickej energie. Toto produkuje jednosmerný prúd. Na vrch bunky sa pridá antireflexný povlak, aby sa minimalizovala strata fotónov v dôsledku odrazu povrchov.

Aká je účinnosť fotovoltaických článkov?

Účinnosť je pomer elektrickej energie produkovanej bunkou k množstvu slnečného žiarenia, ktoré prijíma. Na meranie účinnosti sa bunky kombinujú do modulov, ktoré sa zostavujú do polí. Výsledné panely sa potom umiestnia pred solárny simulátor, ktorý napodobňuje ideálne slnečné podmienky: 1000 W svetla na meter kubický pri teplote okolia 25 °C. Elektrická energia vyrobená systémom alebo špičkový výkon predstavuje percento prichádzajúcej slnečnej energie. Ak panel s rozlohou jedného m2 generuje 200 W elektrickej energie, má účinnosť 20%. Maximálna teoretická účinnosť FV článku je okolo 33%. V reálnom živote množstvo elektriny vyrobenej článkom, známe ako jeho výkon, závisí od jeho účinnosti, priemerného ročného slnečného svitu v okolí a typu zariadenia.

Základné typy fotovoltaických článkov

Existujú 3 základné typy fotovoltaických článkov: kryštalické kremíkové bunky, tenkovrstvové bunky a organické bunky. Ich efektívnosť premeny sa neustále zlepšuje.

Kryštalické kremíkové bunky

Kremík sa extrahuje z oxidu kremičitého. Kremíkové články tvoria viac ako 95% trhu so solárnymi článkami. V komerčných aplikáciách sa ich účinnosť pohybuje od 16,5% do 22%, v závislosti od použitej technológie. Pri metóde vyťahovania z taveniny sa kremík mení na veľkú monokryštálovú štruktúru a nazýva sa monokryštalický. Má laboratórnu účinnosť až 26,6%. Cena kremíkových článkov v posledných rokoch klesla, vďaka čomu môžu konkurovať iným zdrojom elektriny.

Tenkovrstvové bunky

Namiesto rezania kremíkových doštičiek s veľkosťou okolo 200 mikrónov3 je možné nanášať polovodičový materiál v tenkých vrstvách hrubých iba niekoľko mikrónov na substrát, ako je sklo alebo plast. Bežne používanými látkami sú telurid kademnatý a selenid medi a india gália (CIGS), ktorých laboratórna účinnosť je blízka kremíku, a to 22,1%, respektíve 23,3%. Amorfný (nekryštalický) kremík sa môže použiť aj na výrobu tenkovrstvových článkov. Táto technológia sa dlho používa v malých kalkulačkách, ale je menej efektívna ako kremík.

Organické bunky

Organické solárne články, ktoré namiesto polovodičových minerálov využívajú skôr organické molekuly alebo polyméry, sa začínajú komerčne uplatňovať. Články majú aj naďalej nízku účinnosť premeny a krátku životnosť, ale z hľadiska výroby sú potenciálne nízkonákladovou alternatívou.

Perovskity

V poslednej dobe začína pútať pozornosť ďalšia technológia, a to perovskity. Aj keď je ešte potrebné vykonať veľa výskumov, aby sa bunky mohli hromadne vyrábať (problémom je ich nestabilita), perovskity majú veľa výhod. Okrem toho, že sú ľahké a pružné, je možné ich materiály miešať s atramentom a nanášať na veľké povrchy. Okrem toho sú mimoriadne nákladovo efektívne na výrobu.

Technologická konvergencia
Vedci z celého sveta pracujú na kombinovaní rôznych fotovoltaických technológií s cieľom vytvoriť viacpriechodové články. Použitie rôznych materiálov umožňuje bunkám dosiahnuť oveľa vyššiu účinnosť ako maximálny teoretický limit (33,5%) pri súčasnom udržaní výrobných nákladov pod kontrolou. Výskum je zameraný hlavne na tenkovrstvové kremíkové tandemové články, ktoré poskytujú teoretickú účinnosť 43%. Maximálna teoretická účinnosť viacnásobných spojovacích článkov je vyššia ako 50%.