Z čeho se skládají fotovoltaické články?

Zvažujete pořízení fotovoltaiky pro svou domácnost? Zajímalo by vás, z čeho jsou složeny solární panely a jak fungují? Zjistěte více o přeměně solární energie na elektřinu, která vám může každoročně pomoci ušetřit náklady na energii. V tomto článku se dozvíte vše, co potřebujete vědět, než si nainstalujete fotovoltaický systém a než začnete hledat spolehlivého dodavatele FV a instalačního technika.

Popularita fotovoltaiky prudce roste v celé Evropě, nejen ve firmách a v průmyslových podnicích, ale také v soukromém sektoru. Díky FV panelům mohou rodiny ušetřit na nákladech na elektřinu až několik stovek eur za rok a zároveň přispívat k ochraně planety. Slunce je nevyčerpatelný zdroj energie, a představuje tedy nejúčinnější zdroj obnovitelné energie pro domácnosti i průmysl. A s pomocí rozsáhlého systému akumulace energie (solární baterie) lze energii vygenerovanou v období intenzivního slunečního záření uložit a použít později, například v zimě nebo během tmavých podzimních dní. Řada rodin si již nainstalovala na střechy svých domů fotovoltaické panely, ale jen málo z nich se zajímalo o to, jak tyto panely fungují a z čeho jsou složeny. Co je tím kouzlem, které proměňuje sluneční energii na elektřinu? To se dozvíte v dnešním článku.

Když sluneční paprsky dopadnou na fotovoltaický (FV) článek (kterému se také říká solární článek), odrazí se, absorbují, nebo projdou článkem. FV články jsou tvořeny převážně polovodičovými materiály, což znamená, že mohou vést elektřinu lépe než izolační materiály, ale ne tak účinně jako kovy. Pro FV články se používají různé polovodičové materiály.

Na jakém principu fotovoltaický článek funguje? Když světlo dopadne na polovodičový materiál, dochází k absorpci energie a jejímu přesunu na záporně nabité částice v materiálu, které se nazývají elektrony. Tato dodatečná energie umožňuje proudění elektronů materiálem, což vytváří elektrický proud. Tento proud odeberou kovové kontakty na FV článku uspořádané do mřížky. Následně lze tento elektrický proud dodávat do domácností a do elektrické sítě.
Účinnost FV článku je v podstatě elektrický výkon vyprodukovaný článkem v porovnání s energií z dopadajícího světla. Tato metrika naznačuje účinnost článku při přeměně energie z jedné formy do druhé. Elektrický výkon FV článků ovlivňují faktory jako intenzita a vlnové délky dostupného světla a také různé výkonnostní vlastnosti článku.

Důležitou vlastností FV polovodičů je zakázaný pás (bandgap). Ten určuje vlnové délky světla, které může materiál absorbovat a proměnit v elektrickou energii. Zakázaný pás je vzdálenost mezi valenčním pásem elektronů a vodivostním pásem. Představuje minimální energii potřebnou k tomu, aby došlo k vybuzení elektronu ve vodivostním pásu do stavu, kdy se může podílet na vedení proudu. Pokud zakázaný pás polovodiče odpovídá vlnovým délkám dopadajícího světla, solární článek může efektivně využívat veškerou dostupnou energii.

 

Když už nyní víme, jak solární články fungují, je načase podívat se na materiál, který proměňuje solární výkon na solární energii. V různých typech solárních článků se využívají různé druhy materiálů. Nyní se zaměříme na nejpoužívanější fotovoltaické materiály pro FV články:

Tenkovrstvé solární články vznikají uložením jedné nebo více tenkých vrstev FV materiálu na podpůrný podklad, jako například sklo, plast nebo kov. Na trhu jsou nejběžnější dva typy tenkovrstvých FV polovodičů: telurid kadmia (CdTe) a CIGS (využívající měď, indium, galium a selen). Články z CdTe nabízejí nákladově efektivní výrobní procesy, ale jejich účinnost zaostává za články křemíkovými. Články typu CIGS se vyznačují slibnými vlastnostmi pro FV aplikace, ale jejich výroba je poměrně složitá. U obou typů materiálů je pro zajištění dlouhodobého venkovního použití zapotřebí zvýšená ochrana v porovnání s křemíkem.

Křemík je nejběžnějším polovodičovým materiálem používaným v solárních článcích – uplatňuje se přibližně u 95 % modulů v současnosti nabízených na trhu. Po kyslíku je také druhým nejhojněji se vyskytujícím materiálem na Zemi a má široké uplatnění pro počítačové čipy. Články z krystalického křemíku se skládají z atomů křemíku, které jsou vzájemně propojeny do krystalické mřížky, což podporuje přeměnu světla na elektřinu. Tyto křemíkové solární články nabízejí kombinaci vysoké účinnosti, nízkých nákladů a dlouhé životnosti. Vydrží až 25 nebo více let, přičemž si udrží více než 80 % svého původního výkonu.

Perovskitové solární články, dílčí typ tenkovrstvých článků, jsou pojmenovány podle své charakteristické krystalické struktury. Tyto články obsahují vrstvy materiálů uložených na podkladu. Perovskitové články se poměrně snadno instalují a vykazují účinnost srovnatelnou s krystalickým křemíkem. V laboratořích došlo k rychlému zvýšení jejich účinnosti, ale jejich životaschopnost z komerčního hlediska závisí na zvýšení odolnosti pro dlouhodobější venkovní použití a na vývoji nákladově efektivních výrobních technik.

Solární články s kvantovými tečkami využívají k vedení elektřiny drobné polovodičové částice o velikosti pouhých nanometrů. Nabízejí sice nové způsoby zpracování polovodičů, avšak problémy s vytvářením účinných elektrických spojení u nich přetrvávají. Kvantové tečky mají různé velikosti a přizpůsobitelné zakázané pásy, což umožňuje optimalizaci využití světla a integraci s jinými polovodiči (např. s perovskitovými) pro vyšší výkon.

Organické FV (OPV) články obsahují sloučeniny bohaté na uhlík a umožňují přizpůsobení specifickým funkcím FV článku. Přestože mají OPV články v porovnání s články z krystalického křemíku přibližně poloviční účinnost a kratší životnost, představují příležitost pro nákladově efektivní masovou výrobu. Jejich přizpůsobitelnost pro různé podkladové materiály, včetně pružných plastů, rozšiřuje možnosti jejich využití.

Koncentrovaná FV (CPV) koncentruje světelné paprsky na solární článek pomocí zrcadel nebo čoček, díky čemuž je zapotřebí menší množství FV materiálu. Tato koncentrace zvyšuje účinnost FV materiálu, ale vyžaduje nákladnější materiály a přesné sledování slunečních paprsků, což je v porovnání s tradičními křemíkovými moduly dražší metoda.

Solární články typu Multi-Junction využívají několik polovodičových vrstev s různými zakázanými pásy k zachycení širšího solárního spektra, čímž se docílí vyšší účinnosti než u článků typu Single-Junction. Články Multi-Junction vykazují účinnost vyšší než 45 %, ale jejich výroba je nákladná a složitá. Proto jsou určeny převážně pro specializované aplikace, jako jsou vesmírný výzkum a vojenské drony.

V tomto textu jsme představili všechny typy materiálů využívané v solárních článcích. Třebaže se může zdát, že tyto informace jsou hodně technické a obtížně srozumitelné, není třeba se tím nechat zaskočit. Váš instalační technik má veškeré informace, které potřebujete, abyste mohli začít úspěšně využívat fotovoltaické panely, šetřit energii i naši planetu. Potřebujete-li o fotovoltaice více informací, přečtěte si naše další články nebo se obraťte na spolehlivého instalačního technika.