Fotovoltaický článok
Z Wikipédie
Fotovoltaický článok je veľkoplošná polovodičová súčiastka (s rovnakou vnútornou štruktúrou ako fotodióda), optimalizovaná na energetické využitie premeny svetla na elektrickú energiu.
Ak je svetlo slnečné (čo je typický prípad), nazýva sa aj solárny článok alebo slnečný článok.
Fotovoltaické články sa - podobne ako iné zdroje elektrickej energie typu „článok“ - zapájajú do batérií, kvôli dosiahnutiu vyššieho nominálneho napätia aj prúdu. Kvôli premenlivému osvetleniu a tým premenlivým výstupným parametrom (výkon, prúd, napätie) je výstup fotovoltaických batérií upravovaný (napr. pre pripojenie do rozvodnej elektrickej siete) pripojenou výkonovou elektronikou, ktorá častokrát zahŕňa aj akumulátory.
Obsah |
[úprava] Princíp
Po dopade fotónu svetla príslušnej vlnovej dĺžky (korešpondujúcej so šírkou zakázaného pásma použitého polovodiča) je vďaka vnútornému fotoelektrickému javu vygenerovaný elektrón-dierový pár, ktorý je separovaný vnútorným elektrickým poľom pn-priechodu a pohybom k jednotlivým elektródam vytvárajú elektrický prúd.
[úprava] Použitie
Požadovaná kombinácia parametrov fotovoltaických článkov, a tým aj jednotlivé konštrukčné zvláštnosti, závisia predovšetkým od oblasti ich použitia.
[úprava] Zdroj energie pre kozmické zariadenia
Pre túto aplikáciu sa požaduje najmä maximálna účinnosť pri minimálnej hmotnosti a rozmeroch (čo sú limitujúcim faktorom kozmickej techniky), pričom náklady nehrajú rozhodujúcu úlohu. Kozmický výskum je preto hnacím motorom vývoja fotovoltaických článkov. Nezanedbateľná je samozrejme aj požiadavka vysokej spoľahlivosti a extrémna mechanická a klimatická odolnosť.
[úprava] Zdroj energie v nedostupných oblastiach
Keďže hmotnosť obvykle nie je rozhodujúca a rozmery v určitej miere tiež, účinnosť ako kritérium ustupuje a do popredia začína vystupovať cena, pričom však je stále potrebné dodržať vysokú spoľahlivosť.
[úprava] Energetický zdroj
V tejto aplikácii je prvoradým hľadiskom ekonomická návratnosť, t.j. predovšetkým cena fotovoltaických článkov a batérií, čomu je podriadená aj ich účinnosť. Hmotnosť, rozmery sú druhoradé, nižšiu spoľahlivosť je možné riešiť opravami. Pri zapojení fotovoltaického zdroja energie do rozvodnej sústavy sa obvykle neuvažuje s použitím akumulátorov a využívajú sa akumulačné a vyrovnávajúce vlastnosti siete.
[úprava] Účinnosť
Účinnosť premeny (potenciálne dopadajúceho) svetla na fotovoltaický článok na elektrickú energiu je najdôležitejším parametrom článku. Na celkovú účinnosť má vplyv niekoľko parametrov:
- čistota povrchu
- odrazy na povrchu
- uhol dopadu - použitie natáčania zvyšuje cenu, znižuje spoľahlivosť a je potrebné zvážiť, či energetický zisk vyrovná príkon natáčacej sústavy.
- reflektivita povrchu - kvôli veľkému rozdielu indexov lomu na rozhraní vzduch/polovodič je potrebné pre použiť prispôsobovaciu (antireflexnú) vrstvu (resp. sústavu vrstiev)
- úzka oblasť absorpcie - nosiče nábojov generované mimo oblasť priestorového náboja pn-prechodu nie sú separované, rekombinujú, a neprispievajú k výslednému prúdu. Preto je dôležité, aby pn-prechod bol umiestnený čo najbližšie povrchu a aby bol čo najširší.
- absorpčné spektrum - u polovodičov je pomerne úzke, t.j. časť dopadajúcich fotónov prejdú polovodičom a časť je absorbovaná avšak na generáciu elektrón-dierového páru sa využije len časť ich energie, zvyšok sa mení na teplo, ďalšia časť sa mení len na teplo. Pre zvýšenie účinnosti sa používa sústava vrstiev rôznych kompozitných polovodičov (s rôznou šírkou zakázaného pásma a teda) s viacerými pn prechodmi nad sebou.
- rekombinácia fotogenerovaných nosičov - pre zníženie je potrebné použiť čisté monokryštalické polovodiče
- sériový odpor (spôsobuje ohmické straty)
- polovodiča - fotogenerované nosiče prechádzajú P a N vrstvou polovodiča ku kontaktom na povrchu, preto je dôležitá vysoká vodivosť najmä substrátu
- kontaktov - priehľadné horné kontakty (okrem vyššej ceny) majú významný sériový odpor (a aj nezanedbateľnú reflektivitu), preto sa aj napriek strate časti povrchu používajú nepriehľadné hrebeňovité kontakty.
K celkovej účinnosti celej fotovoltaickej sústavy pristupujú ešte straty v prepojoch medzi článkami, účinnosť výkonovej elektroniky (meniča) prípadne účinnosť ukladania a znovuzískania energie v akumulátoroch.
[úprava] Cena
Celková cena fotovoltaického článku závisí od použitých materiálov a technológií. Články, u ktorých nie je cena prvoradá, sa pripravujú z čistých, často exotických, kompozitných polovodičov v mnohých náročných technologických krokoch. Fotovoltaické články pre energetiku naopak využívajú tie najjednoduchšie technológie a využívajú takmer výhradne kremík. Keďže čistý monokryštalický kremík používaný v polovodičovej technológii je pomerne drahý, pre fotovoltaické články sa častokrát pristupuje k využitiu lacnejšími technológiami pripravovaného polykryštalického či dokonca amorfného kremíka aj napriek zníženej účinnosti a spoľahlivosti.
