Fotovoltický článok

Fotovoltický článok (nesprávne "fotovoltaický článok" prevzaté z anglického slova "photovoltaic") alebo solárny článok alebo slnečný článok je veľkoplošná polovodičová súčiastka (s podobnou vnútornou štruktúrou ako fotodióda), ktorá priamo konvertuje svetelnú energiu na energiu elektrickú pomocou fotoelektrického javu. Niekedy sa výraz solárny článok či slnečný článok vyčleňuje pre zariadenia špeciálne určené na získavanie energie zo slnečného žiarenia, zatiaľ čo termín fotovoltický článok je všeobecne používaný termín. Oblasť technológie a výskumu týkajúca sa aplikácie fotovoltických článkov sa nazýva fotovoltika.
Fotovoltické články majú mnoho aplikácií. Jednotlivé články sa používajú na napájanie malých zariadení, ako sú napríklad elektronické kalkulačky. Fotovoltické polia generujú elektrinu z obnoviteľného zdroja energie (slnka), ktorá je užitočná najmä v situáciách, kde je nemožné získavať elektrickú energiu zo siete, vo vzdialených elektrických sieťach, v satelitoch na obežnej dráhe a vo vesmírnych sondách, v rádiotelefónoch a v aplikáciach vodných čerpadiel. Fotovoltika sa napriek tomu stále viac rozmáha aj v klasických elektrizačných sústavách.
Fotovoltické články sa (podobne ako iné zdroje elektrickej energie) kvôli dosiahnutiu vyššieho nominálneho napätia a prúdu zapájajú do batérií. Kvôli premenlivému osvetleniu a tým premenlivým výstupným parametrom (výkon, prúd, napätie) je výstup fotovoltických batérií upravovaný (napr. pre pripojenie do rozvodnej elektrickej siete) pripojenou výkonovou elektronikou, ktorá často zahŕňa aj akumulátory.
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.
Použitie.
Požadovaná kombinácia parametrov fotovoltických článkov, a tým aj jednotlivé konštrukčné zvláštnosti, závisia predovšetkým od oblasti ich použitia.
Zdroj energie pre kozmické zariadenia.
Pre túto aplikáciu sa požaduje najmä maximálna účinnosť pri minimálnej hmotnosti a rozmeroch (čo je limitujúcim faktorom kozmickej techniky), pričom náklady nehrajú rozhodujúcu úlohu. Kozmický výskum je preto hnacím motorom vývoja fotovoltických článkov. Nezanedbateľná je samozrejme aj požiadavka vysokej spoľahlivosti a extrémna mechanická a klimatická odolnosť.
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.
Energetický zdroj.
V tejto aplikácii je prvoradým hľadiskom ekonomická návratnosť, t. j. predovšetkým cena fotovoltických článkov a batérií, čomu je podriadená aj ich účinnosť. Hmotnosť, rozmery sú druhoradé, nižšiu spoľahlivosť je možné riešiť opravami.
Pri zapojení fotovoltického zdroja energie do rozvodnej sústavy sa obvykle neuvažuje s použitím akumulátorov a využívajú sa akumulačné a vyrovnávajúce vlastnosti siete.
Materiály použité na výrobu.
Kremík (Si).
Je to najdlhšie používaný a tiež najrozšírenejší materiál na výrobu fotovoltických článkov. Na rozdiel od iných materiálov sa netreba obávať jeho vyčerpania pretože sa nachádza takmer všade. Je to štvrtá najpoužívanejšia surovina na svete, na výrobu solárnych panelov sa však využíva približne iba 1 % z tohto množstva. Používa sa v niekoľkých podobách.
Monokryštalický kremík.
Bol prvý materiál ktorý sa začal využívať v praxi. Jeho účinnosť premeny sa zo začiatku pohybovala okolo 6 %. Od roku 1954 do roku 1975 sa v tomto smere nedosiahlo takmer žiadneho pokroku, pretože výskum sa orientoval predovšetkým na vesmírne použitie, od roku 1975 až do roku 1980 sa túto hodnotu podarilo posunúť len o pár percent a hodnota 17 % bola považovaná za neprekonateľnú. Celkový pokrok v týchto rokoch brzdil tiež fakt, že vedci sa sústredili skôr na znižovanie cien ako na zvyšovanie účinnosti. V osemdesiatych rokoch sa stav výrazne zmenil a výsledkom bola účinnosť 35,2 % dosiahnutá v roku 1992 Pekinskou akadémiou vied. Dnes sa v bežnej výrobe dosahuje účinnosť 19%, u niektorých priemyselných výrobcov presahuje 20%. Vďaka dynamickému rozvoju fotovoltiky od začiatku 21.storočia a výstavbe veľkých fotovoltických elektrární dramaticky klesá i cena fotovoltických článkov. V roku 2010 bola priemerná trhová cena približne 1.5 USD/Wp, v roku 2020 iba 0.28 USD/Wp. 
Polykryštalický kremík.
Stále viacej využívaný ako vstupný materiál vďaka svojej nižšej výrobnej cene (odpadá proces ťaženia monokryštálu), i keď dosahovaná účinnosť je nižšia než je tomu v prípade monokryštalického kremíka. Laboratórne solárne články dosahujú účinnosť 18,5%, v podmienkach hromadnej výroby však nepresahujú 14%. Doštičky polokryštalického kremíka sú štvorcového tvaru a sú rezané z odlievaného kremíkového ingotu. V priebehu tuhnutia taveniny dochádza k tvorbe rôzne veľkých a orientovaných kryštálov. Polykryštalická štruktúra materiálu dodáva týmto článkom charakteristický vzhľad.
Multikryštalický kremík.
Je to vlastne odroda polykryštalického kremíka. Je podstatne lacnejší ako monokryštalický a dosahuje v praxi celkom dobrej účinnosti od 12 do 14 %. Aby nevznikali straty pri prechode elektrónov rozhraním medzi kryštálmi vznikajú snahy vyrábať multikryštalický kremík s čo najväčšími kryštálmi, účinnosť tohto materiálu je taktiež možné zvýšiť chemickou úpravou vodíkom.
Hydrogenizovaný amorfný kremík.
Ide o materiál, ktorý nemá kryštalickú štruktúru ani príliš veľkú čistotu, je chemicky upravený vodíkom čo zlepšuje jeho vlastnosti. Tento druh kremíku sa využíva v tenkovrstvých solárnych článkoch, jeho výhodou je že je to lacný materiál a že sa ho výrobe môže použiť podstatne menšie množstvo, pretože značná časť energie slnečného žiarenia sa absorbuje už vo vrstve tenšej ako 1 µm. Hydrogenizovaný amorfný kremík sa tiež veľmi ľahko kombinuje z inými materiálmi ako napríklad uhlík, dusík, cín, germánium a tým sa vytvárajú zliatiny z rôznymi šírkami zakázaného pásma energií. Materiál sa zvykne nanášať na lacné podklady ako sklo, plast, oceľ. Jeho účinnosť je bohužiaľ dosť nízka – v praxi okolo 4 – 8 %. To ho predurčuje na použitie v zariadeniach s malou spotrebou energie ako sú kalkulačky a hodinky. Je dobré si uvedomiť že práve pri takýchto zariadeniach by však použitie drahých materiálov predražilo výrobky natoľko, že by sa ich výroba vôbec nevyplatila.
Arzenid galitý (GaAs).
Arzenid galitý obsadil druhé miesto vo využití pre výrobu fotovoltických článkov. Výskum a vývoj tohto materiálu prebiehajú už dlhé roky, znevýhodňuje ho však vyššia cena a aj niektoré ďalšie vlastnosti medzi ktorými dominuje predovšetkým značne väčšia krehkosť. V priemere dosahuje účinnosti okolo 18 %.
Arzenid galitý má ale aj svoje nezanedbateľné prednosti. Za zvýšenej teploty (napr.100 oC) vykazuje len veľmi malé zníženie účinnosti, na rozdiel od kremíka kde je pokles týchto hodnôt už pri takýchto relatívne nízkych teplotách veľmi výrazný. To znamená že jeho použitie bude veľmi výhodné pri vysokoefektívnych koncentračných článkoch. Pri takomto postupe bude potrebné oveľa menej drahého GaAs. Nie je totiž nutné inštalovať velkoplošné solárne jednotky, ale len pomocou odrazu sústrediť viac slnečného žiarenia na menšiu plochu, pritom ani pri takto zvýšenej koncentrácii nestráca GaAs svoju účinnosť. Spomínaný kremík je pri takejto koncentrácii slnečného žiarenia celkom nevyhovujúci. Ďalšia výhoda vyplýva z väčšej hustoty GaAs, tá umožňuje výrobu oveľa tenších článkov (cca o 60 %) bez zníženia ich pohltivosti. Ďalší vývoj v oblasti umožní pravdepodobne použitie tohto materiálu v kombinácii z hliníkom, takéto články sľubujú zvýšenie účinnosti nad 40.7%.
Telurid kademnatý (CdTe).
Pripravuje sa chemickou reakciou kadmia a telúru. Tieto články patria do skupiny tenkovrstvových solárnych článkov CdTe. Tento materiál je považovaný za veľmi nádejný, keďže však jeho výskum prebieha relatívne krátko, významné miesto v solárnej energetike zatiaľ neobsadil. Má veľkú šírku zakázaného pásma a taktiež veľmi dobrú schopnosť absorpcie. Bohužiaľ je v zemskej kôre málo zastúpený a tak sa s ním dá počítať predovšetkým v spotrebnej elektronike, telekomunikačných a navigačných zariadeniach. Pri týchto je dôležitá ekonomická otázka a z tohto hľadiska je CdTe veľmi vhodným materiálom, vďaka svojim vynikajúcim absorpčným vlastnostiam je totiž možné CdTe používať vo veľmi tenkých vrstvách (1,2 až 1,5 µm).
Sulfid kademnatý (CdS).
Tento materiál sa v kombinácii s Cu2S uplatnil predovšetkým v kozmických aplikáciách a to vďaka svojej nízkej hmotnosti. Účinnosti viac ako 10 % bola dosiahnutá pomerne jednoduchými a lacnými postupmi, napriek tomu sa však tento materiál nepovažuje za perspektívny, kvôli svojej nízkej stabilite. Nádejná sa však javí kombinácia s teluridom kademnatým. V USA už boli vyrobené takéto články s účinnosťou presahujúcou 10 %.
Účinnosť.
Účinnosť premeny (potenciálne dopadajúceho) svetla na fotovoltický článok na elektrickú energiu je najdôležitejším parametrom článku. Na celkovú účinnosť má vplyv niekoľko parametrov:
K celkovej účinnosti celej fotovoltickej sústavy pristupujú ešte straty v prepojoch medzi článkami, účinnosť výkonovej elektroniky (meniča) prípadne účinnosť ukladania a znovuzískania energie v akumulátoroch.
Keďže osvetlovaná časť článku plní aj funkciu kontaktu a odvádza vyprodukovaný prúd, je dôležité aby kládla čo najmenší odpor a teda aby odvádzala získanú energiu s čo najmenšími stratami. Polovodičová vrstva sa opatruje kovovou mriežkou alebo vodivou priehľadnou elektródou ktoré od nej "preberú" vyrobený elektrický náboj a "odnesú ho preč". Keďže celý tento proces sa odohráva vo svete veľmi malých rozmerov, výroba takýchto článkov vyžaduje veľkú presnosť a precíznosť.
Typická účinnosť fotovoltických článkov v závislosti na type substrátu:
Detailnejšie informácie o konkrétnych výrobných programoch sú uvedené na grafe (vpravo).
Cena.
Celková cena fotovoltického 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. Fotovoltické 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 fotovoltické články sa často pristupuje k využitiu lacnejšími technológiami pripravovaného polykryštalického či dokonca amorfného kremíka aj napriek zníženej účinnosti a spoľahlivosti.
Aj vďaka rozvíjajúcej sa solárnej energetike, trhová cena fotovoltických článkov sa dramaticky znižuje. Výrazný pokles cien zaznamenávame od roku 2010. Do roku 2030 je predpokladaný stály mierny pokles ceny a zároveň rast efektivity.
Plánovanie fotovoltického systému.
Typický FV systém tvorí rad vzájomne prepojených prvkov. Jeho jadrom sú FV panely generujúce jednosmerný elektrický prúd. Sériovo-paralelne pospájané panely upevnené na podpornej konštrukcii tvoria FV pole. Prúd sa z panelov privádza do DC/AC striedačov, ktoré ho premieňajú na striedavý. Ten sa cez rozvádzač systému rozvádza do elektrickej siete budovy. Súčasťou systému môžu byť aj akumulátory.
Pri plánovaní FV systému treba uviesť do súladu zamýšľané riešenie s miestnymi špecifickými podmienkami. K základným vstupným informáciám na návrh systému patrí:
Najdôležitejším vstupným údajom na predpoveď produkcie elektrickej energie je množstvo dostupného slnečného žiarenia.
Optimálna poloha na umiestnenie FV panelov v podmienkach Slovenska a Česka – po započítaní optických strát a negatívneho vplyvu teploty – je pri sklone 36° s južnou orientáciou. Pri sklone 20 až 50° a orientácii JJV až JJZ je však celoročný pokles energetickej produkcie oproti optimu menší ako 5 %. Nominálna konverzná účinnosť v komerčne vyrábaných FV paneloch na báze kryštalického kremíka sa pohybuje v rozpätí 13 až 25%. Pre realistický odhad ročnej produkcie elektrickej energie však treba nominálnu účinnosť korigovať o prevádzkové straty FV systému, spravidla súčiniteľom 0,8.
Na trhu je dostupných viacero plánovacích softvérov, pomocou ktorých je možné simulovať výrobu elektriny za dané obdobie, či pre jednotlivé typy počasia. Softvéry sa samozrejme líšia komplexnosťou, užívateľským rozhraním, či kvalitou vstupných dát použitých pri simulácii. Jednoduchý nástroj pre simuláciu poskytuje napr. online aplikácia "Global Solar Atlas" alebo "PVGIS" (oba voľný prístup). Komplexnejšie zhodnotenie (komerčné projekty) poskytujú dátové a softvérové riešenia slovenskej spoločnosti "Solargis", ktorej expertné nástroje využívajú developeri pri plánovaní, výstavbe a prevádzke aj tých najväčších solárnych elektrární na svete.
Budúcnosť.
Veľmi zaujímavý sa javí ďalší vývoj kremíkových technológií nazývaných PESC a PERC. Oba tieto postupy pracujú na zefektívňovaní prenosu energie z kremíka do vodivých kontaktov. Základným problémom je, že čím väčšiu plochu kontakt pokrýva, tým viac elektrónov je síce schopný pohltiť, ale zároveň zatieňuje samotný kremík a tak bráni prístupu slnečnej energie. Preto sa vedci snažia nájsť najvhodnejší pomer a vzájomné usporiadanie kontaktov a kremíka. Tieto technológie presahujú svojou účinnosťou v praxi veľmi ťažko prekonateľnú hranicu 20 %. Ďalšia technológia ktorá je takpovediac malou revolúciou v riešení tejto problematiky, je založená na úplne novom postupe. Medzi polovodič a vrstvu, v ktorej sú uložené kontakty, sa zabuduje defektná vrstva, cez ktorú je prechod elektrónov náročnejší ako prechod čistým materiálom. Priamo pod vodivými kontaktami sú však vytvorené medzery, ktoré by sme mohli prirovnať ku malým kanálikom. Elektróny si prirodzene vyberú ľahšiu cestu práve cez tieto kanáliky a tie ich dovedú priamo ku kontaktom. Dá sa povedať, že sa tým vlastne zabráni zbytočnému "blúdeniu" elektrónov na svojej ceste ku kontaktom a tiež riziku, že po ceste rekombinujú, čo znamená, že ich energia nebude využitá. Táto nová technológia zvyšuje účinnosť premeny slnečného žiarenia na úctyhodných 35 %.
Podpora fotovoltiky na Slovensku a návratnosť investície.
Nový systém podpory pre malé zdroje do 10 kWp od 1.1.2014..
Od 1. januára 2014 výrobca elektriny z malého zdroja po splnení stanovených podmienok bude mať zaručené bezplatné pripojenie do distribučnej sústavy v existujúcom odbernom mieste, pričom prevádzkovateľ príslušnej distribučnej sústavy musí zabezpečiť bezplatnú montáž meradla na zápočtové meranie odobratej a dodanej energie medzi fázami v reálnom čase a rozpínacieho zariadenia pre prípad straty napätia v distribučnej sústave. Povinnosťou výrobcu malého zdroja bude oznámiť prevádzkovateľovi distribučnej sústavy pripojenie vrátane predpísaných dokladov. Výrobca z malého zdroja zároveň dodáva prebytky elektriny do distribučnej sústavy bezplatne. Cieľom je podporiť dimenzovanie malých zdrojov tak, aby prioritne pokrývali vlastnú spotrebu.
Dotácie by sa mohli dať čerpať od 1. júla 2014.
Štátna dotácia pre malé solárne systémy by mala byť 1 500 €.
Dotácie pre Obnoviteľné zdroje energie.
V rámci projektu ZELENÁ DOMÁCNOSTIAM je možné čerpať dotácie na fotovoltiku a fotovoltické panely (a na slnečných kolektorov na ohrievanie vody). Napriek dotáciám 1400 až 1750 Eur do novembra 2020 len 429 zákazníkov na celom Slovensku využilo služby fotovoltiky ZSE.