Francúzsky fyzik Alexandre Edmond Becquerel urobil senzačný objav už v roku 1839: Keď svetlo (foto) dopadá na určité látky, vytvára sa napätie (voltaické). Ako to však funguje s fotovoltaikou? Vysvetľujeme, ako fungujú.
Po svojom objave trvalo 120 rokov, kým fotovoltaika slúžila ako zdroj energie pre prvé satelity a kozmické lode. Solárny článok sa medzičasom stal obľúbeným dodávateľom elektriny pre šetričov energie
Z toho sa skladá solárny článok
Iba určité materiály môžu premieňať svetlo na elektrinu, jedným z nich je kremík. Viac ako 90 percent všetkých solárnych článkov je vyrobených z kremíka. Jeho výhoda: Kremeňový piesok je na zemi k dispozícii v dostatočnom množstve a kremík je šetrný k životnému prostrediu.
Svetlo uvoľňuje elektróny v medznej vrstve (zelené), ktoré cez žiarovku prúdia späť von.
Kryštalický solárny článok sa zvyčajne skladá z dvoch vrstiev kremíka - dohromady s hrúbkou dve až tri desatiny milimetra.
Na slnečnej strane je kremík zámerne rozptýlený atómami fosforu. Zjednodušene povedané, atómy fosforu majú príliš veľa negatívneho elektrónu (t.j. negatívny). Atómy bóru ležia na druhej strane bunky - majú príliš málo jedného elektrónu (t. J. Pozitívneho). Negatívne a pozitívne vrstvy sa navzájom dotýkajú.
Elektrická energia prúdi zo solárneho článku cez regulátory nabíjania a invertory do batérie alebo elektrickej siete.
So svetlom k toku elektriny
Keď svetlo zasiahne bunku, elektróny sa uvedú do pohybu. Len čo idú, preskočia hranicu z negatívnej do pozitívnej vrstvy, kde je nedostatok elektrónov - ostatné sa pohybujú hore. Elektróny migrujú späť do svojej starej vrstvy na spodnej strane bunky prostredníctvom kovovej mriežky (kontaktný prst), kábla a nosnej dosky (kontakt). Keď je obvod uzavretý, prúdi elektrický prúd. Čím viac lúčov svetla dopadá na elektróny, tým viac elektriny sa vyrába. Ak ožarovanie zostáva rovnaké, zisk energie závisí výlučne od povrchu. Čím väčší povrch, tým vyššia intenzita prúdu. Ak slnko svieti silnejšie, solárny článok produkuje viac elektriny. Toto je jednosmerný prúd, pretože je tiež uložený v batériách. Solárne články však nemôžu akumulovať elektrinudodajú to.
Solárny modul
Solárne články nemôžu pracovať vonku bez ochrany. Musia byť pod krytom: modul.
Niekoľko solárnych článkov je navzájom spojených a tvoria jednotku v module. Kryštalické bunky sú navzájom naviazané a spojené navzájom. Pramene sú zabalené v plastovej fólii a umiestnené medzi dve sklenené platne. Keď sa sklenená doska odparí, technológia tenkej vrstvy skutočne vytvorí veľkú bunku. Laser ich rozreže na pásy, ktoré sú navzájom prepojené.
Jednotka napájania, nazývaná tiež invertor, prevádza jednosmerný prúd generovaný modulmi na striedavý prúd (striedavé napätie 230 voltov). Všetka vyrobená elektrina sa dodáva do verejnej siete. Toto je odmeňované v súlade so „zákonom o obnoviteľných zdrojoch energie“ (EEG).
Dva typy: kryštalické a amorfné solárne články
Existujú dva typy solárnych článkov: kryštalické a amorfné. Kryštalické články tvoria asi 80 percent globálnej produkcie.
Monokryštalické solárne články: Východiskovým materiálom je drahý ultračistý kremík, ktorý sa extrahuje z kremíkovej taveniny časovo náročným a nákladným spôsobom, lisuje sa do tyčí a krája sa na plátky s priemerom do 12 centimetrov. V monokryštáli sú všetky atómy vyrovnané rovnako. Modrá až čierna, na požiadanie aj rôzne zafarbené bunky, využívajú slnečné lúče v laboratóriu až do 24 percent; v praxi však iba do 16 percent.
Multikryštalické solárne články: Priemyselne vyrábaný polysilikón je lacnejší ako výroba monokryštálov. V praxi je účinnosť modrastých buniek 11 až 14 percent.
Kryštalické články takmer ani po desaťročiach nestratia svoju účinnosť.
Amorfné solárne články
Lacnejšie amorfné články sú vhodné pre vodné prvky v záhrade alebo pre váhy v domácnosti, ako aj na veľké fasády. Ak je priestor pre veľký fotovoltaický systém obmedzený, kryštalické články pracujú efektívnejšie.
Takto sa vyrábajú amorfné články: Vrstva generujúca elektrinu sa odparí na sklenenej doske. Atómy už nie sú uložené v kryštalickej štruktúre, ale neusporiadane (amorfne). Tento proces vyžaduje relatívne málo kremíka: to znižuje cenu. V porovnaní s kryštalickými bunkami s hrúbkou 0,2 až 0,3 milimetra majú tenkovrstvové bunky iba 0,01 až 0,05 milimetra. Bunky sú hnedé alebo antracitové a majú účinnosť šesť až sedem percent. V pochmúrnych dňoch dodávajú amorfné články viac elektriny ako iné.
Účinnosť amorfných buniek v priebehu rokov klesá: po 20 rokoch je to okolo 70 percent pôvodného výkonu.
Moderné solárne moduly je možné nenápadne inštalovať aj na terasovú strechu alebo prístrešok pre auto.
nových technológií
Dva novšie tenkovrstvové články pracujú bez kremíka: materiál vyrobený z meďnoindiumdiselenidu (CID) a z teluridu kademnatého (CdTe). Nové články sa v súčasnosti používajú v pilotných zariadeniach. Technológiou budúcnosti je nový tenkovrstvový proces, pri ktorom sa na nosičový materiál nanáša vrstva kryštalického kremíka. To kombinuje vysokú účinnosť kryštalických článkov s nízkou spotrebou materiálu tenkovrstvových článkov.
Existujú nejaké limity výkonu?
Ako je vysvetlené vyššie, najvyššiu úroveň účinnosti dosahujú monokryštalické moduly, za ktorými nasledujú polykryštalické solárne moduly. Výhody monokryštalických modulov sú však vyvážené vysokými výdajmi energie a nákladmi na pestovanie kremíkových kryštálov. Najnovší vývoj by tu mohol mať veľký potenciál: kvázi monokryštalické moduly. Jedná sa o polykryštalické moduly, ktoré majú vďaka špeciálnemu riadiacemu systému podobné vlastnosti ako monokryštalické moduly počas rastu kryštálov.
Účinnosť látky sa nedá ľubovoľne ďalej rozvíjať a má prirodzené limity - pretože materiál dokáže spracovať iba určité vlnové dĺžky svetla. V prípade monokryštalických kremíkových modulov je najvyššia možná účinnosť teoreticky okolo 29 až 33 percent.
Dosiahlo to koniec stožiaru? Nie, pretože nové technológie tiež vytvárajú nové príležitosti. Napríklad takzvané tandemové solárne články môžu zvýšiť účinnosť pomocou jednoduchého princípu: Ak na seba naskladáte rôzne materiály pre rôzne časti svetelného spektra, zvýši sa tiež účinnosť. Týmto spôsobom sa už dosiahlo viac ako 40 percent, viac ako 80 percent je možných do budúcnosti.
Ďalej sa zdokonaľuje aj prirodzená účinnosť. Japonskí vedci začiatkom roka 2017 oznámili nový rekord v účinnosti kremíkových solárnych článkov vo výške 26,3 percenta. To nie je ďaleko od materiálneho limitu. Platí tu však toto: Vyšší stupeň účinnosti solárnu energiu zlacňuje, iba ak výrobné náklady nezvýšia rovnako.