Jak se vyrábí fotovoltaická energie?

Přechod od neobnovitelných zdrojů energie k obnovitelným zdrojům energie nabývá na významu s tím, jak se projevují účinky globálního oteplování a klimatických změn.

Ze všech technologií využívajících obnovitelné zdroje energie je nejrozšířenější fotovoltaika, známá mnoha lidem jako solární, která k výrobě elektřiny potřebuje pouze sluneční paprsky. Jedná se o jednu z nejjednodušších a nejlevnějších technologií využívajících obnovitelné zdroje energie, co se týče instalace a provozu. 

Obecně funguje tento mechanismus tak, že sluneční světlo je přeměněno na elektřinu pomocí polovodičového p-n přechodu, který je základem těchto technologií. Polovodič je materiál, který má vodivost mezi vysoce vodivým kovem a izolátorem – je to jakýsi střední bod.

Jednou z klíčových vlastností polovodičových materiálů, která se vztahuje i na polovodičové přechody, je však to, že přívod energie může změnit jejich stav z izolačního na vodivý – jedná se o druh periodické vodivosti – a právě tato změna stavu je pro většinu technologií výhodná, protože umožňuje přizpůsobit vodivost konkrétním scénářům.

Zatímco mnoho polovodičů mění své elektrické vodivostní vlastnosti pod vlivem tepla (tepelné energie), polovodičový spoj ve fotovoltaické buňce mění svou vodivost, když je ozářen fotony slunečního záření.

Ačkoli dnes existuje mnoho různých typů fotovoltaických článků – například organické solární články, barvivem citlivé solární články a solární články s kvantovými tečkami –, které mají mírně odlišné pracovní mechanismy, zaměříme se na tradiční anorganické solární články, protože ty jsou komerčně nejrozšířenější.


Základní principy fungování fotovoltaických článků
Solární články (anorganické) se obvykle skládají z dopovaných křemíkových materiálů (nyní lze použít i nanomateriály) a přechody se vytvářejí tak, že se vedle sebe umístí křemík typu p a křemík typu n. Pro informaci, dopovaný materiál typu n má atomy, které obsahují v atomové mřížce jeden elektron navíc, zatímco dopované materiály typu p mají atomy, které mají o jeden elektron méně. To vede k tvorbě přebytečných elektronů u materiálů typu n a děr u materiálů typu p.

Oba nosiče náboje se podílejí na mechanismu přeměny energie. Je třeba poznamenat, že k vytvoření spojů ve fotovoltaické článce lze použít pouze určité materiály, protože materiály musí být schopné podléhat fotoelektrickému jevu, tj. vytváření napětí za přítomnosti světla.

Když se tyto dva dopované křemíkové materiály umístí vedle sebe, vytvoří polovodičový spoj. Na jedné straně tohoto spoje je velké množství děr a na druhé straně je velké množství elektronů. Mezi těmito dvěma oblastmi nosičů náboje se nachází elektricky neutrální oblast známá jako vyprázdněná zóna, která funguje jako rozhraní mezi oběma oblastmi nosičů náboje. Vyprázdněná zóna se vytvoří, když na fotovoltaickou buňku nesvítí sluneční světlo.

Vyprázdněná zóna sama o sobě vzniká interakcí a spojováním některých elektronů a děr. Oba nosiče náboje se spojují a vytvářejí neutrální částice, které oddělují ostatní nosiče náboje od sebe.

Kromě oddělení nabitých částic vytváří neutrální zóna také vnitřní elektrické pole uvnitř solárního článku, které brání úplnému spojení obou oblastí nosičů náboje. To je velmi důležité, protože pokud by tyto dvě oblasti zcela srazily, výsledkem by byl zcela elektricky neutrální materiál, který by nefungoval tak, jak má. Důvodem je to, že migrace těchto nábojů pod vlivem světelné stimulace je důvodem, proč solární články fungují a vzniká fotovoltaická energie, a elektricky neutrální materiál by nevytvářel elektrický proud.


Vznik fotovoltaické energie
Elektrický proud vzniká, když fotony světla dopadají na solární článek, protože fotony světla přenášejí energii do polovodičového přechodu, který následně přenáší energii na volné nosiče náboje na obou stranách přechodu/vyprázdněné zóny. Když nosiče náboje mají zvýšenou energii, jejich pohyblivost se natolik zvýší, že vstupují do vyprázdněné zóny.

Když nosiče náboje vstoupí do vyprázdněné zóny, její šířka se zmenší. Šířka se nakonec zmenší do bodu, kdy vnitřní elektrické pole (vzniklé z vyprázdněné zóny) již není dostatečně silné, aby působilo proti pohybu nosičů náboje. To způsobí, že se elektrony pohybují směrem k dírkám, kde se znovu spojují. Tento proces rekombinace nosičů náboje generuje konstantní elektrický proud, což je také výroba elektrické fotovoltaické energie, kterou lze uložit.

Jakmile je elektrický proud vyroben, zůstává v tomto stavu, dokud na spojení dopadá sluneční světlo. Když se nosiče náboje spojí, dočasně se zvětší tloušťka vyprázdněné zóny, ale to trvá pouze do dopadu dalšího fotonu, který dodá nosičům náboje více energie. Fotovoltaická energie tedy může být získávána nepřetržitě, pokud je k dispozici sluneční světlo. Vyprázdněná zóna se nevrátí do svého přirozeného klidového stavu/tloušťky, dokud na ni nedopadne sluneční světlo.

Když není sluneční světlo, zařízení se „resetuje“ a vyprázdněná zóna se vrátí do své původní tloušťky a nosiče náboje se opět oddělí. Tento proces se pak opakuje, když se sluneční světlo vrátí.


Zvažujete pořízení fotovoltaiky? V našem sortimentu naleznete velký výběr solárních panelů a dalších fotovoltaických komponentů od předních světových značek. 

Naši vyškolení obchodní zástupci Vám rádi pomohou s výběrem přesně na míru Vašim potřebám. Neváhejte nás kontaktovat.