Stručné vysvetlenie: Solárny článok a jeho konštrukcia

Fotovoltické systémy a solárne články sa stali neodmysliteľnou súčasťou energetického hospodárstva. Okrem toho existuje množstvo inovácií a výskumov, ako by sa dalo efektívne využívať slnečné žiarenie. O tom, ako to celé funguje, má väčšina z nás aspoň hrubú predstavu. Málokto však vie, ako je solárny článok skonštruovaný a čo sa presne deje, ak naň dopadnú slnečné lúče. Nasledujúci článok s infografikou možno pomôže vniesť do tmy trochu svetla.

Prehľad jednotlivých tém:

1. Základné informácie o konštrukcii
2. Rôzne typy solárnych článkov

Základné informácie o konštrukcii fotovoltických článkov

Srdcom fotovoltického systému je solárny článok. Princíp činnosti je založený na tom, že určité materiály sú schopné premeniť svetlo na elektrický prúd. To sú takzvané polovodiče. Polovodiče sú materiály, ktoré sa môžu správať ako nevodiče aj ako vodiče. Ich elektrická vodivosť je rôzna. Jeden z najdôležitejších polovodičov je kremík. Väčšina solárnych článkov sa skladá z tohto materiálu. Najmä kremík sa dá získavať lacno ako súčasť kremenného piesku. Ďalšou výhodou tohto materiálu je vysoká čistota.

Solárny článok – konštrukcia

Solárny článok sa skladá v princípe z dvoch polovodičových vrstiev. Aby boli kladné a záporné nosiče náboja, ktoré sú obsiahnuté v týchto vrstvách, správne vedené a aby sa dosiahlo vyššie napätie, dochádza k úmyselnému znečisteniu. Dôležitú úlohu zohrávajú tzv. cudzie atómy. Takto totiž vznikajú v polovodiči takzvané p- a n-dotované vrstvy. Pre vytvorenie príslušného napätia musia byť tieto vrstvy rôzne nabité. Preto sa do p-vrstvy pridávajú trojmocné atómy bóru. Tým vzniká prebytok kladného náboja. Do n-vrstvy sa zas pridávajú päťmocné atómy fosforu. Tým sa stane vrstva zápornou. To však platí len pre solárne články z kremíka. Pri iných materiáloch sa pridávajú iné látky.

To znamená, že v n-vrstve solárneho článku sú častice usporiadané tak, aby sa viaceré elektróny mohli relatívne voľne pohybovať. V p-vrstve zas na niektorých miestach elektróny chýbajú. Vytvárajú sa takzvané diery. Do týchto dier môžu vkĺznuť elektróny z priamej susediacej vrstvy.

Na rozhraní medzi týmito dvomi vrstvami vzniká tretia – prechodová vrstva. Cez túto vrstvu prebieha pohyb elektrónov, ktorý zas vedie ku vzniku interného elektrického poľa.

Čo sa stane so slnečným lúčom, keď dopadne na solárny článok?

Opísaná konštrukcia solárneho článku podmieňuje jeho princíp činnosti. Ak slnečné lúče dopadnú na trojvrstvový článok, fotóny obsiahnuté v svetle vyvolajú uvoľnenie elektrónov z atómov. Tieto voľné elektróny putujú do n-vrstvy. Súčasne sa diery pohybujú v smere p-vrstvy.

Pri solárnom článku a jeho konštrukcii je dôležité to, že čím dlhšia je dráha, ktorú musia častice prejsť, tým vyššie je napätie. Pritom však musí byť vždy vytvorená rovnováha medzi dráhou a nepretržitým priťahovaním.

Častice podľa tohto putujú pozdĺž elektrického napätia k príslušnému pólu. To znamená, že na prednej a zadnej strane sa nachádza vždy kontaktná vrstva z vodivého materiálu (kovu). Tieto vrstvy vytvárajú príslušný pól. Skladajú sa hlavne z hliníka alebo striebra. Cez tieto vrstvy sa elektróny odvádzajú a začínajú prúdiť. Tým vzniká elektrický prúd.

Pritom treba zdôrazniť, že pohybu častíc sú kladené medze, predovšetkým spôsobované teplotou, pretože čím je teplejšie, tým menej sa pohybujú páry elektrón-diera. To znamená, že výkon solárnych článkov klesá, čím vyššia je ich teplota.

Čo je dobré vedieť: Odkedy je známy fotovoltický jav?

Konštrukcia solárneho článku je známa už viac ako 50 rokov a odvtedy sa ustavične zdokonaľovala. V roku 1839 objavil francúzsky fyzik Alexandre Edmond Becquerel takzvaný fotoelektrický jav, na základe ktorého bol zostrojený solárny článok. Experimentoval s batériami (ktoré obsahovali galvanickú látku), tak, že ich ožaroval svetlom. Výsledkom bolo pozorovanie, že dochádza k nárastu elektrického napätia. Vysvetlenie pre tento jav však nemal. Takmer až o 70 rokov neskôr fotoelektrický jav úplne vysvetlil a dokázal Albert Einstein kvantovou teóriou svetla, čo otvorilo dvere pre ďalší výskum v tejto oblasti. V súčasnosti bežný solárny článok z kremíka bol objavený v roku 1954.

Rôzne typy solárnych článkov – vždy iná konštrukcia?

Pre každý solárny článok platí: Konštrukcia je takmer vždy rovnaká. Napriek tomu je možné vyčleniť tri typy kremíkových článkov. Charakteristickou v tejto súvislosti je účinnosť.

Existujú tieto typy:

1. Monokryštalické solárne články:

• Vyrábajú sa z kremíkových tyčí zo štruktúrou monokryštálu
• Narezané na tenké doštičky
• Vyšší obsah kremíka a preto vysoká účinnosť (až 20 percent)
• Používajú sa predovšetkým pre rodinné domy

2. Polykryštalické solárne články:

• Výroba z kremíkových blokov (odliatych a vytuhnutých)
• Nižšia účinnosť (12 až 18 percent)
• Používajú sa najmä pre rodinné domy a väčšie aplikácie
• Podstatne lacnejšie ako monokryštalické

3. Tenkovrstvové solárne články:

• Kremík sa nanáša na nosný materiál naparovaním alebo striekaním
• Veľmi ľahké a cenovo výhodné
• Možnosť pružného použitia modulov
• Relatívne nízka účinnosť (4 až 10 percent)

Okrem toho existujú viaceré špeciálne formy, ako sú viacprechodové alebo tandemové články, ktoré aspoň v laboratórnych podmienkach vykazujú výrazne vyššiu účinnosť.

Fotovoltický článok z kremíka v skratke: