27.03.2005 22:46:42
Solární - fotovoltaické - články
Princip přeměny světla na
elektrickou energii
Historie solárního článku se začala datovat rokem 1839, kdy francouzský experimentální fyzik Edmund Becquerel při pokusech s 2 kovovými elektrodami umístěnými v elektrovodivém roztoku zjistil, že při osvícení zařízení vzrostlo na elektrodách napětí: fotovoltaický efekt byl na světě. V roce 1877 byl objeven fotovoltaický efekt na selenu (William Grylls Adams a Richard Evans Day) a vyroben první článek.
Důležitým krokem v historii byl objev způsobu růstu monokrystalu křemíku polským vědcem Czochralským v roce 1918. Přestože byl fotovoltaický efekt postupně objeven i u jiných prvků (sulfid kadmia, oxid mědi), křemík se ukázal jako nejvýhodnější. Za vynálezce křemíkového solárního článku bývá označován američan Russel S. Ohl (1941). Patent na “převaděč solární energie” dostali však 5. března 1954 Gerald L. Pearson, Daryl M. Chapin a Calvin S. Fuller, kteří o měsíc později předvedli křemíkové solární články s účinností 4,5 % a později 6 %.
Další vývoj solárních článků urychlilo rozhodnutí použít je jako zdroj energie pro družice Země. Účinnost článků postupně stoupá, v roce 1958 dosáhla 9 %.
Solární článek se skládá ze dvou vrstev krystalického křemíku. Vrchní vrstva křemíkového plátku je sycena obvykle fosforem (polovodič typu N) a spodní strana je potištěna mřížkou stříbra (Ag) s příměsí hliníku (Al). Hliník v průběhu výrobního procesu pronikne do křemíkového plátku a vytvoří vrstvu P (polovodič typu P). Ve vrstvě N je přebytek elektronů a ve vrstvě P je jich nedostatek (díry). Tento rozdíl je způsoben právě sycením plátku křemíkového krystalu dotujícími látkami. Mezi těmito vrstvami se vytvoří NP přechod, který zabraňuje přenosu volných - přebytečných elektronů z vrstvy N přímo do vrstvy P - takzvaná elektrická bariéra.
Dopadem světla na vrchní vrstvu křemíku typu N, se vlivem předávání energie světla atomům krystalické mřížky uvolňují elektrony, které díky elektrické bariéře tvořené přechodem NP nemohou přecházet do vrstvy s vodivostí P a hromadí se v horní vrstvě s vodivostí N. Nahromadění volných elektronů v horní vrstvě vytváří elektrický potenciál - napětí - asi 0.6 V na jeden solární článek.
Po připojení elektrického obvodu na kontaktní plošky, začnou elektrony procházet vodičem ze svrchní vrstvy, kde jich přebytek, do vrstvy spodní, kde jich je méně. Vlastností NP přechodu je, že volné elektrony mohou snadněji přecházet z vrstvy P do vrstvy N, než obráceně z vrstvy N do vrstvy P. Proto také elektrony z vrstvy P zaplňují místa uvolněných elektronů z vrstvy N a tak se celý obvod uzavírá. Zdrojem energie, je sluneční světlo.
Materiály pro solární články
Křemík - dnes nejvíce používaný materiál pro výrobu solárních článků. V podstatě se dělí na dva druhy - polykrystalický křemík - vhodný pro menší výkony, hlavní výhodou je poměrně dobrá účinnost i při nižších hladinách osvětlení. Monokrastalický křemík - vhodný pro větší výkony, při dostatečném osvětlení vyšší mají články účinnost než při použití polykrystalického křemíku. Článek z monokrystalického křemíku o ploše 100cm2 je schopen dodávat proud 3-4 ampéry.
Arsenid galia (GaAs) - Hlavní výhodou je vyšší účinnost - 20%, větší odolnost proti kosmickému (tvrdému) záření a schopnost pracovat bez snížení efektivity i při teplotách nad 100 stupňů Celsia. Mezi nevýhody patří mnohem vyšší cena a větší hustota GaAs oproti krystalickému křemíku. Nyní se vyvíjejí kombinace obou článků, protže oba meteriály mají odlišnou spektrální citlivost - křemíkové články využívají hlavně oblast viditelného světla směrem k modré barvě a články GaAs oblast spektra směrem k červené barvě - vhodnou kobinací obou typů lze dosáhnou účinnosti 30% a ve spojení s koncentrátory se očekává dosažení ještě vyšší účinnosti.
Sulfid kademnatý (CdS) - články tvořené přechodem Cu2S a CdS - dosahují účinnosti 10%. jejich výhodou je malá hmotnost, díky čemu se používaly při kosmických aplikacích. nevýhodou je malá stabilita těchto článků a dnes se již nepoužívají. Pokročilejší variantou tohoto historicky nejstaršího typu článků jsou kombinace sulfidu kademnatého s teluridem kademnatým (systém CdS - CdTe) - články vyhovují jen pro napájení zařízení s malým příkonem a v energetice nemají tyto články využití.
