Fotovoltický článok

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.

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.

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.

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[2]. Používa sa v niekoľkých podobách.

Zárodočný kryštál veľmi čistého kremíka

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.[3]

99 percentný čistý kremík je ešte ďalej čistený pomocou metódy pohyblivej zóny. Tyč z nečistého kremíka prechádza žeravenou zónou niekoľkokrát v rovnakom smere. Táto procedúra „strháva“ nečistoty smerom k jednému koncu každým prechodom. V istom bode je už kremík považovaný za čistý, a nečistý koniec je odstránený[1].

Solárne články sú vyrobené z kremíkového kmeňového reziva, polykryštalickej štruktúry, ktoré má atómovú štruktúru monokryštálu. Zvyčajne používanou metódou na výrobu kmeňového reziva je Czochralskeho metóda. Pri tomto procese je do kremíkovej zliatiny vložený zárodočný kryštál veľmi čistého kremíka. Tento kryštál sa pritom otáča a vyťahuje podľa vopred presne definovaného programu; teplota taveniny je tiež veľmi pozorne sledovaná a riadená. Celý proces sa uskutočňuje v nádobách z veľmi čistého kremeňa v inertnej atmosfére argónu. Na zárodočnom kryštáli sa potom vylučujú ďalšie vrstvy mimoriadne čistého kremíka, takže výsledný produkt môže mať až 400 mm v priemere a dĺžku do 2 m[1]

Vyleptané kremíkové doštičky

Z kmeňového reziva sú postupne narezané kremíkové doštičky kotúčovou pílou ktorej vnútorný priemer reže do tyče. (Diamantová píla vytvára rezy v šírke doštičky – 5 mm hrubé). Do ukončenia výroby kruhovej doštičky sa stratí len okolo polovice kremíku z kmeňového reziva, v prípade že sa doštička ďalej reže na tvar pravouhlý alebo šesťuholníkový sú tieto straty vyššie. Tieto tvary sú niekedy využité v solárnych článkoch pretože spoločne k sebe dokonale priliehajú, a tak využívajú všetok dostupný priestor na povrchu solárneho článku.

Doštičky sú potom leštené na odstránenie znakov po rezaní. (Nedávno bolo objavené, že neleštené doštičky absorbujú svetlo oveľa efektívnejšie, z toho dôvodu sa niektorý výrobcovia rozhodli doštičky neleštiť)[1]

Zvyčajný spôsob pridávania prímesí do kremíkových doštičiek s bórom a fosforom je založený na vkladaní malých čiastočiek bóru počas Czochralského procesu. Doštičky sú zatavené tesne k sebe a umiestnené do pece, ktorá je rozohriata tesne pod bod tavenia kremíka (1410 °C) za prítomnosti fosforových plynov. Fosforové atómy sa „vnoria“ do kremíka, ktorý je viac pórovitý pretože sa stáva tekutým. Teplota a čas procesu je pozorne sledovaný aby sa zabezpečil jednotné spojenie správnej hĺbky.

Súčasnejší spôsob pridania prímesí do kremíku s fosforom je použiť malé urýchľovacie čiastočky na strieľanie fosforových iónov do prútu. Kontrolovaním rýchlosti iónov je možné sledovať ich hĺbku prenikania. Bohužiaľ, tento nový proces nebol všeobecne akceptovaný komerčnými výrobcami[1].

Elektrické kontakty spájajú jednotlivé solárne články navzájom a napokon aj s obvodom prijímajúcim elektrický prúd. Kontakty musia byť veľmi tenké (aspoň vpredu), aby neblokovali slnečné svetlo dopadajúce na článok. Kovy ako paládium/striebro, nikel alebo meď sú vákuovo odparované.

Keď sú kontakty na mieste, umiestnia sa tenké pásiky medzi články. Najbežnejšie používané pásiky sú z pocínovanej medi.[1]

Pretože je čistý kremík lesklý, môže odrážať až 100% slnečného svetla. Na zmenšenie hodnoty strateného slnečného svetla sa na kremíkové doštičky používa antireflexný náter. Najbežnejšie používané sú oxid titánu a oxid kremičitý, hoci sa používajú aj iné. Materiál používaný na náter je buď ohrievaný až kým sa jeho molekuly neodparia smerom ku kremíku kde kondenzujú, alebo materiál podstúpi metódu rozprašovania. V tomto procese vysoké napätie zráža molekuly materiálu a ukladá ich do kremíku na opačnej elektróde. Ďalšou metódou je prirodzená reakcia kremíka s kyslíkom alebo dusíkatými plynmi za vzniku oxidu kremičitého alebo nitridu kremičitého. Práve tento je preferovaný výrobcami FV článkov[1].

Dokončené solárne články sú potom zapuzdrené. Sú zaliate do kremíkového kaučuku alebo polyvinyl acetátu. Zapuzdrené solárne články sú umiestnené do hliníkového rámu ktorý má mylarový alebo tedlarový zadný kryt a sklenený alebo plastový kryt.

Kalkulačka napájaná solárnym článkom z amorfného kremíku

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%.[4] 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.

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.

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 %.[4] 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 natolko že by sa ich výroba vôbec nevyplatila.

• 
  Kremíkový prášok
• 
  Granulovaný kremík
• 
  Polykryštalický kremík
• 
  Monokryštalický kremík
• 
  Nanokryštalický kremík
• 
  Kremíkový ingot/Kmeňové rezivo

Test solárnych článkov čiernym svetlom na vesmírnej sonde Dawn

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 gália 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%[5].

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).

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 %.

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 €.

V rámci projektu ZELENÁ DOMÁCNOSTIAM je možné čerpať dotácie na fotovoltaiku a fotovoltické panely (a na slnečných kolektorov na ohrievanie vody).[7] Napriek dotáciám 1400 až 1750 Eur[8] do novembra 2020 len 429 zákazníkov na celom Slovensku využilo služby fotovoltaiky ZSE.[9]