Teorie fotovoltaiky

Množství sluneční enegie dopadající na naší planetu dosahuje 180000TW, což je asi jedna dvoumiliardtina celkového výkonu slunce. Tolik energie v jednom okamžiku ani není lidstvo schopno spotřebovat. Sluneční záření nám neposkytuje pouze teplo, ale je jej možné využít i na výrobu elektrické energie. Z hlediska ochrany životního prostředí se jedná o velmi čistý způsob, při němž nevznikají žádné škodlivé emise ani hluk a tato energie je prakticky nevyčerpatelná.

Princip fotovoltaického jevu

Objev fotovoltaického jevu Alexandrem Edmondem Becquerelem v roce 1839 umožnil využít světlo, respektive částic světla, fotonů, k přeměně na elektrickou energii. Dopadající světelné částice uvolňují z N-vrstvy polovodičového materiálu volné elektrony, které se přesouvají k p-vrstvě. N-vrstva je materiál s přebytkem volných elektronů a naopak P-vrstva je materiál s jejich nedostatkem. Přesun volných elektronů v materiálu se nazývá průtok proudu a probíhá vždy od – k +.

Fotovoltaický článek

Fotovoltaický článek je základním prvkem ve fotovoltaice. Jedná se o tenký plátek z monokrystalického nebo polykrystalického křemíku, který je dopován dalšími prvky. Takový článek je schopen přeměnit dopadající sluneční záření na tok elektronů, tedy elektrický proud, prostřednictvím popsaného fotovoltaického jevu. Tyto články se dělí na monokrystalické, polykrystalické a amorfní.

Monokrystalický článek

Je vyroben z monokrystalického křemíku, který má tvar osmiúhelníku tmavé barvy. Destičky se vyrábí z křemíkových ingotů, které byly vyrobeny metalurgickou cestou ze surového křemíku. Ingoty se nadělí na tenké destičky, které se ještě dále upravují po obvodu. Destičky se dále chemicky upravují v lázni mořením (texturování) z důvodu zvýšení absorpce světla, dále se pokrývají antireflexní fólií a nakonec jsou po obvodu pokryty kovovou mřížkou s kontakty. Tento typ má relativně největší účinnost 12 – 16%.

Polykrystalický článek 

Je vyroben z polykrystalického křemíku, který má tvar čtverce nápadně modré barvy. Tyto destičky jsou vyráběny odlišnou metodou ve speciálních tavicích pecích, kde jsou v tavicích kelímcích roztaveny křemíkové granule a postupným ochlazováním od nístěje dochází ke krystalizaci. Odlitek je rozřezán na takzvané cihly, které se dále dělí na destičky. Rovněž tak tyto destičky se moří, opatřují antireflexní vrstvou a kovovou mřížkou s kontakty. Články mají účinnost 12-14%. 

Amorfní článek

Je beztvarý a je vyráběn nejmodernější metodou nanášením slabé vrstvy křemíku do skleněného obalu, nebo na fólii. Nevýhodou tohoto článku je menší účinnost 8 – 9% a tudíž pro dosažení požadovaného výkonu je nutná cca 2,5 krát větší plocha. Tyto články jsou však schopny absorbovat takzvané difuzní záření, které vzniká tříštěním přímého slunečního záření v mracích a o částice v atmosféře, takže v celkové roční bilanci mají vyšší účinnost až asi o 10%. Tento typ slunečního záření v České republice převládá. Monokrystalické a polykrystalické články přijímají pouze přímé sluneční záření.

Energie slunečního záření

Primární vstupní energií ve fotovoltaice je sluneční záření, jeho intenzita, složení a doba trvání má zásadní vliv na celkovou účinnost fotovoltaického systému.

Využitelnost

Z hlediska využívání solární energie je nejdůležitějším faktorem intenzita záření a počet hodin slunečního svitu v jednotlivých ročních obdobích, případně i součinitel znečištění atmosféry. Solární energie je svojí povahou rozptýlená, tj. málo koncentrovaná a její dostupnost je závislá především na počasí a ročním období, nicméně je dostupná a využitelná prakticky všude.

Přímé a difůzní záření

Přímé vs difuzní záření v podmínkách ČR

Při jasné a bezmračné obloze dopadá největší část slunečního záření na Zemi, aniž by změnilo směr. Toto záření se nazývá přímé. Rozptylem přímého záření v mracích a na částečkách v atmosféře vzniká záření difúzní, které na Zemi přichází ze všech směrů. Součet intenzity přímého a intenzity difúzního slunečního záření na horizontálním zemském povrchu se nazývá globální sluneční záření.

Z hlediska fotovoltaiky platí, že fotovoltaické panely složené z monokrystalických nebo polykrystalických fotovoltaických článků potřebují k dosažení maximální výtěžnosti zejména přímé záření, tedy přímé sluneční světlo. Tenkovrstvé fotovoltaické panely vyrobené na bázi amorfního křemíku, umějí dobře zužitkovat i záření difúzní a proto v celoročním úhrnu vyrobí tenkovrstvý panel více energie (asi o 10%) než panel z mono či polykrystalických křemíkových článků.