Přinášíme Vám souhrný materiál k fotovoltaickým systémům, které mohou zajistit dodávku elektrické energie v místech bez přípojky (chaty, usedlosti). Kdysi kosmická technologie se stala nyní přístupnou nejširšímu využití, pro názornost, 100 W systém dnes pořídíte za 20.000 Kč. To, že jmenovaný příkon k základnímu provozu stačí, dokládá předchozí příspěvek o domácí vodní elektrárně. Fotovoltaický článek Je základním prvkem systémů pro přeměnu slunečního záření na elektrickou energii. Ať již je typ článku jakýkoliv, vždy se jedná o velkoplošnou polovodičovou součástku s jedním nebo i více PN přechody. Rozměry komerčně vyráběných solárních článků nejsou větší než 200 mm a tloušťka nepřesahuje přes 400 mikrom. Jedná se tedy o velice tenké destičky. Přední strana solárního článku je uzpůsobena k pohlcování slunečního záření. Solární články jsou ve většině případů opatřeny ze přední i zadní strany kovovými kontakty pro připojení sběrných vodičů. Po vystavení přední strany solárního článku slunečnímu záření zachycené fotony generují v křemíku kladné a záporné náboje. Dosáhnou-li náboje polovodičového přechodu jsou separovány – elektrony v N+ a kladné náboje v základním P materiálu. Na kontaktech solárního článku se objeví stejnosměrné napětí o velikosti řádově stovky mV. Připojeným vnějším obvodem potom protéká stejnosměrný elektrický proud. Velikost proudu je úměrná intenzitě slunečního záření. Kladný pól je na zadní straně destičky v podobě celoplošného kontaktu a záporný pól je na přední straně tvořen kontaktní mřížkou tak, aby pokrývala co nejmenší plochu. Typickými parametry solárních článků je napětí naprázdno Uoc, proud nakrátko Isc, faktor zaplnění FF a účinnost EFF. Elektrické parametry jsou měřeny za standardních podmínek tj. intenzita záření 1000Wm-2 při AM 1,5 a teplotě 25oC. Od prvního komerčního uvedení fotovoltaického křemíkového článku v roce 1954 bylo vyvinuto veliké množství rozličných technologií výroby solárních článků využívajících vlastností různých polovodičových materiálů. Nicméně pouze několik z nich má nárok na uplatnění v hromadné výrobě. Mezi rozhodující parametry každé technologie patří nesporně cena solárního článku za jeden W. V současné době se cena solárních článků podílí přibližně ze 68 % na celkové ceně fotovoltaického modulu. Zcela samozřejmě se potom jeví úsilí o dosažení nižší výrobní ceny solárních článků na jeden Watt. Výzkumná a vývojová pracoviště po celém světě se pokouší snížení ceny dosáhnout využitím nových základních materiálů, zvýšením účinnosti, levnějšími technologickými postupy. Kromě ceny jsou důležitými vlastnostmi ještě účinnost a stabilita elektrických parametrů. Při porovnávání jednotlivých technologií je potřeba přihlédnout i k těmto vlastnostech. Materiály pro výrobu solárních článků lze kategorizovat dle způsobu jejich přípravy jako objemové krystalické materiály a tenkovrstvé deponované materiály amorfní, poly a mikrokrystalické. Krystalický křemík V současné době je to nejvíce používaný materiál pro výrobu solárních článku. S dostupností materiálu nejsou potíže, neboť oxid křemičitý je zastoupen v zemské kůře přibližně ze 30 %. Technologie zpracování křemíku je v polovodičovém průmyslu dobře zvládnutá. Výchozím materiálem je čistý křemičitý písek. Výsledkem složitého a energeticky náročného technologického postupu je polykrystalický křemík o vysoké čistotě. V praxi se však pro výrobu solárních článků využívá odpadového křemíku z polovodičového průmyslu. Vzhledem k jeho vysoké ceně, která významně zasahuje do konečné ceny systémů jsou mnohé výzkumné a vývojové práce zaměřeny na snížení ztrát v průběhu přípravy křemíku, na nalezení a zavedení energeticky úsporných postupů. Monokrystalický křemík se připravuje tažením monokrystalu z taveniny. Na konci procesu je získán monokrystalický křemíkový válec - ingot o průměru 125 až 300 mm. Válec je ořezán do tvaru hranolu. Křemíkové destičky o tloušťce 200 až 360 mm jsou získány rozřezáním kvádru speciální drátovou pilou. Bohužel, v procesu dělení ingotu na jednotlivé destičky dochází k velikým ztrátám cenného materiálu. Z předchozího výkladu je patrné, proč se křemíkový materiál podílí na ceně solárního panelu až z 50 %. - viz. Obr. 2. V laboratorních postupech je na monokrystalickém křemíku dosahováno účinnosti až 24 %. Účinnost sériově vyráběných solárních článků je typicky do 14 % a v současnost i 15 %. Při intenzitě záření 1000 Wm-2 jsou pro sériově vyráběný solární článek z monokrystalického křemíku s rozměrem 102,5 / 102,5 mm uvedeny tyto parametry následující: Uoc= 610mV, Isc=3,45A, FF= 76%, EFF= 15%. Následující graf představuje volt-ampérovou charakteristiku solárního článku s důležitými parametry Polykrystalický křemík je stále více využíván jako vstupní materiál díky své nižší výrobní ceně (odpadá proces tažení monokrystalu), přestože dosahovaná účinnost je nižší než je tomu v případě monokrystalického křemíku. Laboratorní solární články dosahují účinnosti 18 % a podmínkách hromadné výroby nepřesahuje 14 %. Destičky polykrystalického křemíku jsou čtvercového tvaru a jsou řezány z odlévaného křemíkového ingotu. V průběhu tuhnutí taveniny dochází k tvorbě různě velikých a orientovaných krystalů. Polykrystalická struktura materiálu dodává těmto článkům charakteristický vzhled. Hranou-definovaný film – EFG Z taveniny tažené pásky – téměř monokrystalický křemíkový pásek narůstající z roztaveného křemíku v kelímku, vytahovaného kapilárními silami mezi plochami grafitové štěrbiny. Firma ASE zahájila výrobu solárních článků na materiálu HEXAGON. Dlouhá křemíková šestihranná trubka je tažena s taveniny. Trubka je poté dělena na pásky a dále na články pouhým lomem. Tímto způsobem jsou eliminované ztráty materiálu řezáním. Galium Arsenid (GaAs) GaAs je slitinový polovodičový materiál typu AIIIBV, z něhož jsou vyráběny solární články s vysokou účinností. Zpravidla jsou tyto články použity pro koncentrátorové moduly a pro kosmické aplikace. Důvodem je mnohonásobně vyšší cena a vysoká kvalita článků. Účinnost článků z výzkumných laboratoří je vyšší než 25 % při intenzitě 1-Slunce. V podmínkách koncentrovaného slunečního záření dosahují GaAs články účinnosti 28 %. Pro zvýšení účinnosti na 30 % jsou vytvářeny složité struktury s několika polovodičovými přechody založené na GaAs a příbuzných materiálech typu AIIIBV. Tenkovrstvé materiály Amorfní křemík (a-Si:H) Nekrystalická forma křemíku, prvně použitá ve fotovoltaice v roce 1974. V roce 1996 se amorfní křemík podílel 15 % na celosvětové produkci. Největší uplatnění nalézá v aplikacích spotřební elektroniky a s výhodou se používají v systémech zabudovaných do budov místo prosklených ploch. Na rozdíl od krystalických materiálů nejsou vyráběny jednotlivé články, ale vytváří se celé moduly najednou. Malé experi
Fotovoltaika pro Váš dům
info
Zuzana Zimová
2. 5. 2003
clock
7 minut
Přinášíme Vám souhrný materiál k fotovoltaickým systémům, které mohou zajistit dodávku elektrické energie v místech bez přípojky (chaty, usedlosti). Kdysi kosmická technologie se stala nyní přístupnou nejširšímu využití, pro názornost, 100 W systém dnes pořídíte za 20.000 Kč. To, že jmenovaný příkon k základnímu...
user