Jak funguje fotovoltaika

(aktualizováno 17.03.2024)

Historie fotovoltaiky

Někdy se uvádí, že jako první pozoroval fotovoltaický jev Alexandre Edmond Becquerel jž v roce 1839. Ten opravdu ve věku 19 let experimentoval v laboratoři svého otce s elektrodami pokrytými tenkou vrstvou chloridu stříbrného a bromidu stříbrného. Ve skutečnosti ale tehdy Becquerel objevil vnější fotoelektrický jev, při kterém se při osvětlení pouze mění proud vzniklý působením vnějšího napětí mezi elektrodami, ale napětí působením světla nevzniká.

Adam Grylls a jeho žák Evans Day poprvé pozorovali fotovoltaický jev, jehož princip využívají všechny dnešní solární elektrárny, v roce 1976, a o několik let později světlo světa spatřil první fotovoltaický článek. Ten sestrojil Charles Fritts. Zařízení bylo vyrobeno z polovodivého selenu potaženého tenkou vrstvou zlata a účinnost tohoto článku bylo kolem jednoho procenta.

Solární články jak je známe dnes se zrodily v Bellových laboratořích ve Spojených Státech v roce 1954. Tehdy byla objevena vysoká citlivost křemíku na světlo a právě křemík se tak stal nepostradatelným materiálem ve světě fotovoltaiky.

V šedesátých letech se fotovoltaika využívala převážně v kosmonautice. Solární panely byly jediným zdrojem elektrické energie pro satelity na oběžné dráze.

Za současné masové rozšíření fotovoltaiky vděčíme především prudkému poklesu ceny krystalického křemíku v roce 2008 a přesunu výroby solárních panelů do Číny.

Jak funguje fotovoltaický panel

Základem fotovoltaického panelu je fotovoltaický článek, vyrobený z polovodičového materiálu, nejčastěji z krystalu křemíku. Jedinečné vlastnosti křemínku umožňují efektivně zachytit sluneční energii a přeměnit ji na elektřinu.

Polovodičový materiál ve fotovoltaickém článku má dvě vrstvy: typ N (negativní) a typ P (pozitivní). Tyto vrstvy jsou spojeny v oblasti nazývané P-N přechod. Když na fotovoltaický článek dopadne sluneční světlo, fotony nesoucí energii absorbuje polovodič. Tímto procesem se uvolní elektrony, které se pohybují směrem k typu N a zanechávají za sebou „díru“ nebo „volné místo“, které se pohybuje směrem k typu P.

Díky této pohyblivosti elektronů a „děr“ vzniká elektrický proud. Fotovoltaický článek generuje stejnosměrný elektrický proud (DC) o hodnotě okolo 0,5V. Fotovoltaické články propojujeme sériově nebo paralelně pro dosažení požadovaných výstupních napětí a proudů. Takto zapojené články tvoří  fotovoltaický panel.

V domácnostech a formách se běžně používá střídavý proud, proto musíme stejnosměrný proud, vyrobený fotovoltaickým panelem ještě přeměnit na střídavý. K tomu slouží invertor. Jedná se o kompaktní a spolehlivé zařízení, tvořené polovodičovými součástkami. Současné invertory pracují s EURO účinností okolo 97%.

Typy fotovoltaických panelů

• Monokrystalické panely – Jsou vyrobené z jednoho krystalu křemíku a jsou to jedny z nejefektivnějších typů fotovoltaických panelů dostupných na současném trhu. Jejich účinnost se pohybuje v rozmezí od 15% do 20%. Monokrystaly jsou poměrně kompaktní, což je výhoda hlavně v případě omezeného prostoru, třeba na střechách domů.
• Polykrystalické panely – Polykrystaly jsou vyrobené z více krystalů křemíku a mají různorodější strukturu než monokrystalické panely. Jejich účinnost je o něco nižší, pohybuje se od 13% do 18%. Výhodou je nižší cena a sáhnou tak po nich hlavně ti, kdo hledají co nejlevnější řešení FVE.
• Bifaciální panely – Tento typ fotovoltaických panelů, má schopnost získávat sluneční energii nejen z přední, ale i ze  zadní strany. To umožňuje těmto panelům využít například i světlo odražené od země, sněhové pokrývky nebo od okolních objektů. Díky tomu dosahují bifaciální panely vyššího výkonu než tradiční fotovoltaické panely. Vysoká výkonnost těchto panelů je vykoupená jejich vyšší cenou.
• Amorfní solární panely – Patří k těm nejlevnějším. Na jejich výrobu je použita velmi tenká vrstva amorfního křemíku na skle či plastu. Množství použitého křemíku je přibližně 1% ve srovnání s běžným solárním panelem. Dají se ohýbat, takže je můžete použít na zakřivené povrchy. Tyto panely mají nižší účinnost ve srovnání s monokrystaly či polykrystaly.
• Perovskitové fotovoltaické panely – Jsou jednou z nejžhavějších novinek ve světě fotovoltaiky. Rychle získávají popularitu kvůli své vysoké účinnosti. Ta se pohybuje i přes 20% a v laboratorních podmínkách se podařilo dosáhnout dokonce až neuvěřitelných 28%. K jejich výrobě se používá materiál perovskit – oxid vápenato-titaničitý. Kromě vysoké účinnosti je výhodou perovskitových panelů také jejich vyšší pružnost a nízká cena.

Měření výkonu fotovoltaického článku

Výkon fotovoltaického článku měříme v laboratořích pod standardními testovacími podmínkami (STC). Tyto podmínky zahrnují intenzitu slunečního záření 1000 wattů na metr čtvereční, teplotu 25 °C a spektrální složení slunečního světla AM 1,5 (Air Mass 1,5). Tato standardizovaná měření umožňují porovnávání výkonu různých fotovoltaických článků. V reálném provozu se podmínky liší podle intenzity osvitu a venkovní teploty.

Teplotní koeficient výkonu

Pro vyjádření toho, jak teplota ovlivňuje výkon fotovoltaického článku, se používá termín „teplotní koeficient výkonu“ (temperature coefficient of power). Tento koeficient udává, o kolik procent klesne výkon fotovoltaického článku za každý stupeň nad 25 °C teploty.

Typické hodnoty teplotního koeficientu výkonu pro křemíkové fotovoltaické články se pohybují kolem -0,3 % na °C. To znamená, že pokud je teplota o 1 °C nad 25 °C, výkon fotovoltaického článku klesne o 0,3 %. Teplotní koeficient výkonu je specifický pro každý typ článku a závisí na jeho konstrukci.

Nepřímá přeměna pomocí slunečních sběračů

Fotovoltaické panely nejsou jediným způsobem, jak získat elektrickou energii ze slunečního světla. Další možností je využití sběračů pro nepřímou přeměnu sluneční energie. Jak takové zařízení funguje?

Sluneční světlo se pomocí sběrače soustřeďuje do jednoho bodu – ohniska. V tomto ohnisku umístěný termočlánek transformuje teplo na elektrickou energii pomocí Seebeckova jevu. Elektrony přenášejí energii od teplejšího místa ke chladnějšímu, což je základem tohoto jevu. Když se jeden konec termočlánku ohřeje a druhý zůstane chladný, elektrony se začnou pohybovat směrem od tepla ke chladu, což vytváří elektrický proud. Účinnost termoelektrického článku závisí na použitých materiálech a na rozdílu teplot mezi jeho teplým a studeným koncem.