Úvodní stránka
Fotovoltaický jev
Když v roce 1839 pozoroval Edmond Becquerel vznik elektrického napětí mezi osvětlenými elektrodami, jistě neměl ani tušení o významu svého objevu. V kapitole o fotovoltaice jsme se seznámili se současnými metodami získávání elektrické energie z energie slunečního záření. V tomto článku naznačíme fyzikální děje, ke kterým v kžemíkových fotovoltaických článcích dochází. Budeme se přitom odvolávat na vlastnosti polovodičů typu N a P a také na funkci přechodu PN. Tyto informace jsou soustředěny v článku o polovodičích.
Z řady důvodů je pro výrobu fotovoltaických (neboli solárních či slunečních) článků velmi vhodným materiálem křemík (Si). Jedná se o druhý nejrozšířenější prvek na Zemi, jeho zpracování pro potřeby mikroelektroniky dosáhlo velmi vysoké úrovně. Různými metodami je dnes možno získat křemíkové krystaly nepředstavitelné čistoty - až 99,99998 %.
Výhodné vlastnosti má křemík i z fyzikálního hlediska. Fyzikové to vyjadřují poněkud záhadnou formulací, že "... malá šířka zakázaného pásu dovoluje dosáhnout velmi vysoké generace volných nosičů ...". Pokusíme se přeměnu světelné energie na elektrickou vysvětlit sice zjednodušeně, ale snad poněkud srozumitelněji.
Fotony musí mít dostatečnou energii
Fotony jsou částice záření, jejich energie závisí na vlnové délce, jak víme z článku o záření. Čím kratší je vlnová délka záření, tím větší energii mají jeho fotony. Aby se z krystalové mřížky křemíku uvolňovaly elektrony, musí mít fotony záření energii aspoň 1,12 eV. Této energii odpovídá tzv. mezní vlnová délka asi 1 105 nm - a to je infračervené záření. Fotony záření s kratší vlnovou délkou (např. fotony viditelného světla) mají dostatek energie a elektrony mohou z mřížky uvolnit. Záření s větší vlnovou délkou (např. mikrovlny) fotovoltaický jev nevyvolají.
Základem je přechod PN
 Solární článek je v zásadě velkoplošná polovodičová dioda, na jejíž přechod PN může dopadat světlo. Základem je plátek krystalického křemíku typu P (s příměsí bóru), spodní strana je potištěna vodivou stříbrnou mřížkou. Na horní ploše se difuzí fosforu vytvří asi 500 nm silná vrstvička polovodiče typu N. Na této vrstvé jsou sítotiskem vytvořeny úzké vodivé kontakty. Z článku o polovodičích víme, že ve vrstvě typu N je přebytek záporných elektronů a ve vrstvě P je jich nedostatek, který se projevuje jako kladné "díry". Mezi oběma vrstvami vznikne přechod PN, zabraňující volnému přechodu elektronů z místa jejich nadbytku do místa jejich nedostatku. Na přechodu PN se vytvoří elektrická bariéra. Základní vlastností přechodu PN je, že volné elektrony mohou snadno přecházet z vrstvy P do vrstvy N, zatímco v opačném směru nikoli.
Přechod PN odděluje náboje
Dopadá-li světlo na povrch fotočlánku, předávají fotony svou energii atomům v krystalové mřížce křemíku a uvolňují z ní elektrony. Kdyby mezi oběma vrstvami nebyla bariéra přechodu PN, přecházely by v krystalu elektrony volně z místa přebytku do místo nedostatku a fotočlánek by se nemohl stát zdrojem napětí. Elektrony by se spojovaly s "děrami", docházelo by k jejich rekombinaci. Přechod PN však způsobí, že elektrony uvolněné v horní vrstvě polovodiče N nemohou přecházet do vrstvy P na hromadí se proto ve vrstvě N. Elektrony uvolněné světlem ve vrstvě P naopak mohou přes přechod PN přecházet do vrstvy N a počet elektronů se v ní dále zvyšuje. Nahromaděním volných elektronů vznikne mezi horní a spodní vrstvou elektrické napětí o velikosti kolem 0,6 V.
Fotočlánek - zdroj napětí
Připojíme-li mezi horní a spodní kontakt fotočlánku spotřebič, například miniaturní motorek, vytvoříme uzavřený elektrický obvod. Elektrony nahromaděné v horní vrstvě procházejí přes spotřebič ke spodnímu kontaktu, obvodem začne procházet elektrický proud. Energie proudících elektronů se ve spotřebiči mění na jinou formu, například na pohybovou energii motorku. Prvotním zdrojem energie v popsaném obvodu je však Slunce, jehož záření předává část své energie elektronům krystalové mřížky polovodiče. Proud se v obvodu udržuje do té doby, dokud se uvolňují elektrony, neboli dokud na povrch fotočlánku dopadá světlo.
 Vznik a průběh fotovoltaického jevu (ukažte myší)
Teorie a realita
- Aby vznikl fotovoltaický jev, musí mít fotony energii minimálně 1,12 eV.
- Má-li foton menší energii, prochází křemíkem a není v něm absorbován.
- Má-li foton energii právě 1,12 eV, je křemíkem absorbován a v krystalu vznikne jeden volný elektron a jedna kladná "díra".
- Má-li foton větší energii, způsobí vznik elektronu a "díry" a zbytek jeho energie se přemění na teplo. Polovodič se zahřeje.a to představuje ztráty, snižující účinnost přeměny energie.
- Asi 99 % ve světě používaných fotočlánků je vyrobeno z křemíku.
- Teoreticky lze fotočlánkem přeměnit na elektřinu nanejvýš 50 % energie dopadajícího světla, prakticky se dosahuje účinnost nanejvýš poloviční.
- Výkon fotovoltaického panelu o ploše 1 m2 může být v našich klimatických podmínkách až 150 W.
|
