Fotovoltika

Fotovoltika (FV) je metóda priamej premeny slnečného žiarenia na elektrinu (jednosmerný prúd) s využitím fotoelektrického javu na veľkoplošných polovodičových fotodiodách. Jednotlivé diódy sa nazývajú fotovoltické články a sú zvyčajne spájané do väčších celkov – fotovoltických panelov. Samotné články sú dvojakého typu – kryštalické alebo tenkovrstvé. Kryštalické články sú vytvorené na tenkých doskách polovodičového materiálu, tenkovrstvé články sú priamo nanášané na sklo alebo inú podložku. V kryštalických technológiách prevažuje kremík, a to monokryštalický alebo polykryštalický, iné materiály ako napr. GaAs sú používané len v špeciálnych aplikáciách (solárne panely satelitov a podobne). Tenkovrstvých technológií existuje viacero, napríklad amorfný kremík a mikrokryštalický kremík, ktorých kombinácia sa nazýva tandem, ďalej telurid kadmia a CIGS zlúčeniny. Vďaka rastúcemu záujmu o obnoviteľné zdroje energie a dotáciám sa výroba fotovoltických panelov a systémov v poslednej dobe značne zdokonalila. 

Celková inštalovaná kapacita fotovoltiky na svete ku koncu roka 2020 predstavovala 716 GW, v roku 2020 sa medziročne kapacita zvýšila o 125 GW.

Princíp fungovania 

Fotóny slnečného žiarenia dopadajú na PN priechod a svojou energiou vyrážajú elektróny z valenčného pásma do pásma vodivostného (uvoľňujú ich z pevných väzieb na atómy kryštalickej mriežky). Takto vzniknuté voľné elektróny sa pomocou elektród odvedú u najjednoduchších systémov priamo k spotrebiču, prípadne do akumulátora. Pre napájanie bežných domácich elektrospotrebičov striedavým prúdom je nutné doplniť striedač, ktorý energiu prevedie na striedavé napätie s veľkosťou a frekvenciou zhodnou s distribučnou sústavou. 

V najjednoduchšom solárnom článku sú vytvorené dve vrstvy s rozdielnym typom vodivosti. V jednej z vrstiev - materiál typu N - prevažujú negatívne nabité elektróny, naproti tomu v druhej vrstve - materiál typu P - prevažujú diery (prázdne miesta), ktorá ľahko akceptujú elektróny. V mieste, kde sa tieto dve vrstvy stretávajú - PN prechod - dôjde ku spárovanie elektrónov s prázdnymi miestami, čím sa vytvorí elektrické pole, ktoré zabráni ďalším elektrónom v pohybe z N-vrstvy do P-vrstvy. 

Za normálnych okolností sú elektróny v polovodičovom materiáli pevne viazané k atómom kryštalickej mriežky, materiál je nevodivý. Napríklad každý atóm kremíka má štyri valenčné elektróny. Pridaním veľmi malého množstva prvku s väčším počtom valenčných elektrónov (donor) sa vytvorí oblasť s vodivosťou typu N, v ktorej sa vyskytujú voľné elektróny, ktoré môžu prenášať elektrický náboj. Naopak prímes prvku s menším počtom elektrónov vytvorí oblasť s vodivosťou typu P, v ktorej sa kryštalickou mriežkou pohybujú diery - miesta, kde chýba elektrón. Pri zachytení fotónu s dostatočnou energiou (zodpovedajúcou vlnovou dĺžkou) v polovodičovom materiáli vznikne jeden pár elektrón-diera. Ak je vonkajší obvod uzavretý, pohybujú sa títo nositelia náboja opačným smerom, elektróny k zápornej elektróde, diery ku kladnej. 

Solárne články vyžadujú ochranu pred vplyvmi prostredia, preto sa umiestňujú medzi ochranné vrstvy, zvyčajne sklo a plastovú fóliu, ale používajú sa aj dve sklá alebo iné kombinácie materiálov. Pretože napätie jedného článku je nízke, prepájajú sa články sériovo do väčších panelov. Jeden solárny panel poskytuje dostatok energie (do cca 300 W) pre napájanie jednoduchých zariadení ako je rozhlasový prijímač. Pre napájanie väčších spotrebičov alebo v prípade fotovoltických elektrární sú jednotlivé solárne panely prepojené do väčších systémov.

Moderné technológie 

V súčasnej dobe sa vyvíja takzvaná tretia generácia fotovoltiky. Nosnou myšlienkou tejto generácie fotovoltiky je zvýšenie účinnosti za použitia tenkovrstvých technológií (CIS, CIGS), pokiaľ možno pri použití netoxických, hojne sa vyskytujúcich materiálov. Zvýšenie účinnosti možno dosiahnuť obídením Shockley-Queisserovho limitu pre fotovoltický článok s jedným polovodičovým prechodom použitím štruktúr s väčším počtom PN prechodov. Teoreticky boli navrhnuté aj iné princípy, doteraz sa však nepodarilo ich experimentálne overiť. Shockley-Queisserov limit definuje maximálnu účinnosť fotovoltického článku s jedným PN prechodom. Ďalšou možnosťou ako zvýšiť účinnosť fotovoltického článku je modifikácia spektra žiarenia dopadajúceho na PN prechod konverziou vysokoenergetických fotónov alebo nízkoenergetických fotónov na fotóny o energiu, ktorá najlepšie zodpovedá fyzikálnym vlastnostiam PN prechodu. 

Každý z vyššie uvedených prístupov má svoje výhody a nevýhody a nachádzajú sa v rôznych stupňoch vývoja.

Vývoj

Dejiny fotovoltiky 
Fotoelektrický jav bol objavený v roku 1839 francúzskym fyzikom Alexandrom Edmondom Becquerelom. V roku 1876 objavili rovnaký efekt pre selénové kryštály William G. Adams a Richard E. Day. V roku 1905 sa Albertovi Einsteinovi podarilo fotoelektrický jav vysvetliť, za čo získal v roku 1921 Nobelovu cenu za fyziku. Po mnohých rokoch (počas ktorých bolo prijatých veľa vynálezov a objavov) sa v roku 1954 podarilo Drylovi Chapinovi, Calvinovi Fullerovi a Geraldovi Pearsonovi vyvinúť prvý článok s účinnosťou vyššou než 4 %. Fotovoltické články našli prvé praktické použitie koncom 50. rokov pri napájaní družíc. Prvá družica napájaná solárnymi panelmi sa volala Vanguard I. Táto družica bola vypustená na obežnú dráhu 17. marca 1958. Vďaka dopytu leteckého priemyslu počas 60. a 70. rokov 20. storočia došlo k významnému pokroku vo vývoji týchto technológií. 

Vďaka energetickej kríze v 70. rokoch a zvýšeného povedomia o životnom prostredí sa alternatívne zdroje energie stali ekonomicky a spoločensky zaujímavými. Došlo k úprave zákonov a vytvorenie programov na podporu fotovoltiky. Lídrami v tejto oblasti sú najmä Nemecko, USA a Japonsko.

Súčasnosť 

Celková svetová inštalovaná kapacita fotovoltických systémov vzrástla z 0,3 GW v roku 1996 na úroveň 760 GW na konci roka 2020. Najrýchlejšie rastúcimi trhmi sú Čína a USA. Najväčším svetovým výrobcom elektriny z fotovoltických panelov je Čína. Fotovoltika bola v roku 2020 po vodnej a veternej energii tretí najdôležitejší zdroj energie z obnoviteľných zdrojov, pokiaľ ide o celosvetovo inštalovaný výkon.

Výhody 

 Množstvo slnečnej energie dopadajúcej na zemský povrch by súčasnú spotrebu pokrylo 6000-krát. Na zemský povrch dopadá 89 PW, pričom svetová spotreba predstavuje 15 TW. Solárna energia má tiež najvyššiu hustotu výkonu (celosvetový priemer je 170 W/m 2) zo všetkých známych zdrojov obnoviteľnej energie. 
 Počas výroby elektrickej energie fotovoltický systém neznečisťuje životné prostredie a nevznikajú emisie skleníkových plynov. Znečistenie počas výroby a likvidácie zariadení sa dá udržať pod kontrolou za použitia už známych metód likvidácie elektroodpadu. Tiež sa pracuje na vývoji technológií na recykláciu zariadení po skončení ich životného cyklu. 
 Fotovoltické systémy vyžadujú po ich nainštalovaní minimálnu údržbu. Prevádzkové náklady sú teda extrémne nízke v porovnaní s existujúcimi technológiami. 
 Ak je fotovoltický systém pripojený na sieť, energia môže byť spotrebovaná lokálne a teda znížiť celkové straty distribučnej sústavy. 
 Ukazuje sa, že produkcia niektorých plodín a výroba elektriny môžu byť v symbióze. Tento systém produkcie sa nazýva agrovoltika.

Nevýhody 

 Solárna energia nie je k dispozícii v noci a výkon panelov sa výrazne znižuje za zlého počasia (hmla, dážď, sneh). Je potrebné inštalovať systémy na ukladanie elektriny alebo kombinovať výrobu s ďalšími zdrojmi.
 Hustota energetického toku solárnej energie je nižšia než pri energii z fosílnych palív alebo jadra, čo znamená, že na výrobu rovnakého množstva energie je u solárnej energie potrebná väčšia plocha. 
 Cena elektriny (vrátane solárnej) je deformovaná prostredníctvom obchodu s emisnými kvótami. 
 Výkupná cena solárnej energie je dotovaná všetkými odberateľmi energie (na Slovensku v roku 2019 212,7 mil. €). 
 Dotácie prakticky znemožňujú porovnanie reálnych nákladov solárnej energie voči iným zdrojom energie.

Referencie

Pozri aj 
 Fotoelektrický jav
 Fotovoltický článok
 Solárny panel
 Slnečná energia
 Slnečná konštanta
 Agrovoltika
 Elektroenergetika
 Obnoviteľný zdroj energie

Iné projekty 

 
Zdroje energie
Slnečná energia
Kvantová chémia
Elektrochémia