Fotovoltaický článek

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

Fotovoltaický jev objevil v roce 1839 francouzský fyzik Alexandre-Edmon Becquerel. První fotovoltaický článek však byl sestrojen až v roce 1883 Charlesem Frittsem, který potáhnul polovodivý selen velmi tenkou vrstou zlata. Jeho zařízení mělo pouze jednoprocentní účinnost. V roce 1946 si nechal patentovat konstrukci solárního 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. 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.

Fyzikální podstatu fotovoltaického jevu vysvětlil Albert Einstein, který za svůj objev dostal roku 1921 Nobelovu cenu.

Technologie výroby

Technologie tlustých vrstev

Fotovoltaický článek je tvořen velkoplošnou 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

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

Nekřemíkové technologie

Na rozdíl od předešlých dvou se pro konverzi světla na elektrickou energii nepoužívá tradiční P-N polovodičkový 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%.

Účinnost

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%

Energetická návratnost solárního článku

Je velmi rozšířeným mýtem, že fotovoltacký článek po dobu své životnosti nedokáže vyrobit ani tolik energie, kolik se spotřebuje na jeho výrobu. Ve skutečnosti běžný průmyslově vyráběný článek zapojený do panelu dokáže vygenerovat množství energie, které byla potřeba na jeho výrobu, už během dvou až tří let v závislosti na zeměpisných podmínkách. Pro podmínky České republiky je příklad výpočtu energetické návratnosti fotovoltaického článku - EPBT (Energy pay-back time) - uveden na stránkách Cz RE Agency a dosahuje hodnoty 3,86 - 5,22 let. Při předpokládané životnosti fotovoltaických článků 30 let tak může fotovoltaický článek vyrobit až patnáckrát více energie, než bylo spotřebováno na jeho výrobu.

Fotovoltaické systémy ve světě

V roce 2007 bylo na světě instalováno rekordních 2,8 GWp fotovoltaických článků.

Většina instalací solárních systémů leží na území průmyslově nejrozvinutějších zemí (USA, SRN, Japonsko, Švýcarsko, Francie, Itálie, Nizozemí) a v zemích, kde je instalace fotovoltaických systémů podporována vládou nebo mezinárodními organizacemi (Španělsko, Řecko, Maroko, Indonésie aj.). 89% celkového množství FV je instalováno v Německu, Japonsku a USA.

Velká podpora ze strany vlády je v současnosti v USA, ve státech Evropské Unie , v Japonsku, v Indonésii. Teoretické úvahy naznačují, že fotovoltaické zdroje by měly v budoucnu vykrýt cca. 5÷10% celkové potřeby elektřiny státu nebo dokonce až 10% celosvětové potřeby veškeré energie k roku 2050. Ve státech Evropské unie by se do roku 2010 mohl zvýšiz instalovaný výkon na 3 GWp. Odpovídá to celkovému ročnímu nárůstu ve světě okolo 580 MWp

V České republice

Česká republika není optimálně položena co se týče dopadu slunečního záření, ale i přesto se jedná o velmi vhodnou lokalitu k výstavbě slunečních elektráren. Za vše mluví čísla. Minimální svítivost na území České republiky se pohybuje od 950 kWh/m2 a maximální svítivost se pohybuje kolem 1.250 - 1.300 kWh/m2. V České republice dopadne na 1m2 vodorovné plochy zhruba 950 – 1340 kWh energie * roční množství slunečních hodin se pohybuje v rozmezí 1331 – 1844 hod (ČHMÚ), odborná literatura uvádí jako průměrné rozmezí 1600 – 2100 hod. Z hlediska praktického využití pak platí, že z jedné instalované kilowaty běžného systému (FV články z monokrystalického, popř. multikrystalického křemíku, běžná účinnost střídačů apod.) lze za rok získat v průměru 800 – 1100 kWh elektrické energie.