Teorie
Fotovoltaický článek
Historie
Fotovoltaický jev objevil Antoine César Becquerel již roku 1839. První funkční solární článek však sestrojil až v roce 1884, tedy až po 45 letech od tohoto objevu, americký vynálezce Charles Fritts. Tento první článek byl vyroben ze selenového polovodiče, který byl potažen velmi tenkou vrstvou zlata a měl účinnost přibližně 1 %. Ovšem zatím nebylo jasné, jak článek funguje. Na své funkční vysvětlení si fotovoltaický jev musel počkat až do roku 1904, kdy Albert Einstein popsal princip tzv. fotoelektrického jevu, za což později dostal Nobelovu cenu. V této době ovšem neměly tyto první selenové články vzhledem k nízké účinnosti a vysoké ceně žádnou šanci na uplatnění při výrobě elektřiny, nicméně se začaly využívat jako světelný senzor pro určování času expozice snímku pro fotoaparáty. Vynálezcem solárního článku takového, jak ho známe dnes, je americký inženýr Russell Ohl. V roce 1939 objevil tzv. „P-N přechod“, což je oblast na rozhraní polovodiče typu P a polovodiče typu N. P-N přechodů se využívá v polovodičových součástkách jako jsou diody nebo tranzistory. Právě při vývoji materiálů pro výrobu tranzistoru vznikl jako vedlejší produkt solární článek, v té době nazvaný jako „světlocitlivé zařízení“ s účinností okolo 5 %. Současné nejvíce rozšířené monokrystalické články mívají účinnost okolo 16 %.
Princip funkce
Při dopadu fotonu a předpokladu, že je foton pohlcen, dochází k tzv. vnitřnímu fotovoltaického jevu (též znám jako „vnitřní fotoelektrický jev“), kdy při dopadu fotonu s dostatečnou energií (alespoň 1,1 eV) se z atomů materiálu uvolní záporný elektron a na jeho místě zůstává díra, která má náboj kladný. Dochází k takzvané generaci páru elektron-díra. Tyto volné elektrony a vzniklé díry se elektrickým polem oddělí, takže v oblasti N daného P-N přechodu vzniká přebytek volných elektronů a v oblasti P zase přebytek děr. Díky tomu vzniká mezi oblastmi P a N elektrické napětí. Pro křemíkové články je běžně rovno 0,5 V až 0,6 V. Při spojení obou elektrod vnějším obvodem, dochází k vyrovnání elektrického náboje a mezi elektrodami protéká elektrický proud.
Obr. 1 – Princip funkce solárního článku
Články jsou pak zapojovány do série a tvoří tzv. fotovoltaický panel. Moderní panely bývají ještě vybaveny antireflexní vrstvou např. z oxidů titanu, čímž je dosaženo minimální emisivity. Tím se snižují energetické ztráty vlivem odrazu světla.
Solární články se dají vyrábět z mnoha různých materiálů, ovšem na dnešním trhu si nejdůležitější místo díky své nízké ceně a díky dobře zvládnutým technologiím jeho opracování, zajistil křemík. Pro účinnost fotovoltaického článku je však důležitá použitá forma tohoto materiálu:
Monokrystalický křemíkový článek – se na trhu vyskytuje od sedmdesátých let. Má relativně vysokou cenu, jelikož jeho výroba je energeticky velmi náročná vzhledem k vysoké spotřebě velmi čistého monokrystalického. Hlavní výhodou těchto článků je vysoká účinnost (12–16 %) a velmi dobrá životnost.
Polykrystalický křemíkový článek – znamená zajímavou a perspektivní vývojovou cestu. Během posledních let došlo k významnému poklesu spotřeby energie potřebné pro výrobu polykrystalického křemíku o dostatečné čistotě pro výrobu solárních článků. Tyto články se vyrábí odléváním čistého křemíku do forem a jejich následným nařezáním na plátky. Jejich účinnost je sice nižší než u článků monokrystalických, ale s ohledem na výrazně nižší cenu, se jejich účinnost pohybuje na „uspokojivých“ 11–16 %.
Amorfní křemíkový článek – je jednodušší na výrobu a ohebnější než předchozí dva typy. Jeho výroba probíhá napařováním několika tenkých vrstev křemíku s příměsí germania a několika dalších prvků na plastový, kovový nebo nerezový povrch. Článek účinností příliš nevyniká (5–7 %), ale jejich předností je kupříkladu právě zmíněná tvarová flexibilita.
Obr. 2 – Srovnání jednotlivých typů solárních článků (Monokrystalický článek, Polykrystalický článek, Amorfní článek)
Zatěžovací charakteristika fotovoltaického článku
Zatěžovací charakteristika je standardní charakteristika, poskytující základní informace o činnosti fotovoltaického článku jako zdroje elektrické energie. Jejími významnými (krajními) body jsou napětí „naprázdno“ (elektromotorické napětí Ue) a proud „nakrátko“ (zkratový proud Ik). Napětí „naprázdno“ představuje napětí na ozářeném článku v případě, že na článek není připojen žádný spotřebič. Naopak proud „nakrátko“ představuje maximální proud, který je schopen článek dodávat za daného osvětlení. Zatěžovací charakteristika je graf křivky průběhu výstupního napětí článku na odebíraném proudu (pochopitelně za daného konstatntního osvětlení).
Výkon solárního článku je dán standardně vztahem pro výkon elektrického proudu na připojeném spotřebiči vztahem:
Posuzujeme-li solární článek, jako zdroj elektrické energie, je jasné, že důležitým bodem charakteristiky, je bod maximálního výkonu PM. Stejně tak nám může zajímat i průběh tohoto výkonu na odebíraném proudu. Závislost jak výstupního napětí, tak výstupního výkony na odebíraném proudu znázorňuje obrázek 1.
Obr. 3 – Zatěžovací (napěťová a výkonová) charakteristika fotovoltaického článku při konstantním osvitu
Dalšími charakteristickými hodnotami pro solární článek (použitý jako zdroj) je faktor plnění FF (Fill Factor) a účinnost η. Činitel plnění je charakterizován jako podíl maximálního dosažitelného výkonu PM a výkonu maximálního výkonu (teoretického), který definovaného pomocí napětí „naprázdno“ Ue a proudu „nakrátko“ Ik:
Pro účinnost solárního článku platí, že je to podíl maximálního výkonu článku PM a výkonu dopadajícího slunečního záření P in:
Vliv teploty na provoz fotočlánku:
Při déle trvající sluneční intenzitě nebo zhoršených podmínkách chlazení článku (například bezvětří), může povrchová teplota článku dosáhnout až 80 °C. Vlivem zvýšené teploty dochází k mírnému zvýšení fotoproudu (nárůst téměř zanedbatelný), významnějším je v tomto případě pokles napětí naprázdno. Při takovýchto teplotách tedy dochází ke změně elektrických vlastností článku, které vedou ke snížení zatěžovací charakteristiky směrem k nižšímu napětí, tento pokles způsobí dle (1) snížení dodávaného výkonu P, faktoru plnění FF i účinnosti η – dle vzorců (2) a (3).
Obr. 4 – Vliv teploty na tvar zatěžovací charakteristiky
