Zdroj: www.energy.gov
Keď svetlo svieti na fotovoltaický (FV) článok - nazývaný tiež solárny článok - môže sa odraziť, absorbovať alebo prejsť priamo cez článok. FV článok je zložený z polovodičového materiálu; „semi“ znamená, že môže viesť elektrickú energiu lepšie ako izolátor, ale nie tak dobre ako dobrý vodič ako kov. Vo FV článkoch sa používa niekoľko rôznych polovodičových materiálov.
Keď je polovodič vystavený svetlu, absorbuje energiu svetla a prenáša ju na negatívne nabité častice v materiáli nazývanom elektróny. Táto extra energia umožňuje elektrónom prúdiť materiálom ako elektrický prúd. Tento prúd je extrahovaný vodivými kovovými kontaktmi-mriežkovými vedeniami na solárnych článkoch-a potom môže byť použitý na napájanie vášho domu a zvyšku elektrickej siete.
Účinnosť FV článku je jednoducho množstvo elektrickej energie vychádzajúcej z článku v porovnaní s energiou zo svetla, ktoré naň svieti, čo naznačuje, ako účinný je článok pri premene energie z jednej formy na druhú. Množstvo elektriny vyrobenej z FV článkov závisí od charakteristík (ako je intenzita a vlnové dĺžky) svetla, ktoré je k dispozícii, a od viacerých výkonnostných vlastností článku.
Dôležitou vlastnosťou FV polovodičov je priepasť, ktorá udáva, aké vlnové dĺžky svetla môže materiál absorbovať a premeniť na elektrickú energiu. Ak sa medzera pásma polovodiča zhoduje s vlnovými dĺžkami svetla svietiaceho na FV článok, potom tento článok dokáže efektívne využiť všetku dostupnú energiu.
Nižšie sa dozviete viac o najčastejšie používaných polovodičových materiáloch pre FV články.
SILIKÓN
Siliconis je zďaleka najbežnejším polovodičovým materiálom používaným v solárnych článkoch, čo predstavuje približne 95% dnes predaných modulov. Je to tiež druhý najrozšírenejší materiál na Zemi (po kyslíku) a najbežnejší polovodič používaný v počítačových čipoch. Kryštalické kremíkové články sú vyrobené z atómov kremíka spojených navzájom za vzniku kryštálovej mriežky. Táto mriežka poskytuje organizovanú štruktúru, ktorá zefektívňuje premenu svetla na elektrickú energiu.
Solárne články vyrobené z kremíka v súčasnosti poskytujú kombináciu vysokej účinnosti, nízkych nákladov a dlhej životnosti. Očakáva sa, že moduly vydržia 25 a viac rokov, pričom aj po tomto čase budú stále produkovať viac ako 80% svojej pôvodnej energie.
THIN-FILMOVÁ FOTOVOLTAIKA
Tenkovrstvový solárny článok sa vyrába nanesením jednej alebo viacerých tenkých vrstiev FV materiálu na nosný materiál, ako je sklo, plast alebo kov. V súčasnosti sú na trhu dva hlavné typy tenkovrstvových FV polovodičov: telurid kadmia (CdTe) a meď indelgália diselenid (CIGS). Oba materiály je možné nanášať priamo na prednú alebo zadnú stranu povrchu modulu.
CdTe je po kremíku druhým najbežnejším PV materiálom a články CdTe je možné vyrábať pomocou nízkonákladových výrobných postupov. Aj keď to z nich robí nákladovo efektívnu alternatívu, ich účinnosť stále nie je' nie je taká vysoká ako kremík. Bunky CIGS majú optimálne vlastnosti pre PV materiál a vysokú účinnosť v laboratóriu, ale zložitosť kombinácie štyroch prvkov robí prechod z laboratória do výroby náročnejším. CdTe aj CIGS vyžadujú väčšiu ochranu ako kremík, aby umožnili dlhodobú prevádzku vonku.
PEROVSKITOVÁ FOTOVOLTAIKA
Perovskitesolárne bunky sú typom tenkovrstvových buniek a sú pomenované podľa svojej charakteristickej kryštálovej štruktúry. Perovskitové bunky sú vyrobené z vrstiev materiálov, ktoré sú vytlačené, potiahnuté alebo vákuovo nanesené na podkladovú nosnú vrstvu, známu akosubstrát.Obvykle sa ľahko montujú a môžu dosahovať účinnosť podobnú kryštalickému kremíku. V laboratóriu sa účinnosť perovskitových solárnych článkov zlepšila rýchlejšie ako ktorýkoľvek iný FV materiál, z 3% v roku 2009 na viac ako 25% v roku 2020. Aby boli perovskitové FV články komerčne životaschopné, musia byť dostatočne stabilné, aby prežili 20 rokov vonku, takže výskumníci pracujú na ich zvýšení odolnosti a vývoji rozsiahlych a lacných výrobných techník.
ORGANICKÁ FOTOVOLTAIKA
Organické PV alebo OPV bunky sa skladajú z (organických) zlúčenín bohatých na uhlík a môžu byť prispôsobené tak, aby zlepšovali špecifickú funkciu PV článku, ako je napríklad medzera, priehľadnosť alebo farba. Bunky OPV sú v súčasnosti len asi o polovicu účinnejšie ako články z kryštalického kremíka a majú kratšiu životnosť, ale výroba vo veľkých objemoch by mohla byť lacnejšia. Môžu byť tiež použité na rôzne podporné materiály, ako napríklad pružný plast, vďaka čomu je OPV schopný slúžiť širokému spektru použití.
KVANTOVÉ BODY
Solárne články s kvantovými bodkami vedú elektrinu cez malé častice rôznych polovodičových materiálov široké len niekoľko nanometrov, nazývané kvantové bodky. Kvantové bodky poskytujú nový spôsob spracovania polovodičových materiálov, je však ťažké vytvoriť medzi nimi elektrické spojenie, takže v súčasnosti nie sú veľmi účinné. Ľahko sa z nich však vyrábajú solárne články. Môžu byť nanesené na substrát pomocou metódy spin-coat, spreja alebo roll-to-roll tlačiarní, ako sú tlačené noviny.
Kvantové body sa dodávajú v rôznych veľkostiach a ich šírka pásma je prispôsobiteľná, čo im umožňuje zbierať svetlo, ktoré je ťažké zachytiť, a spárovať ich s inými polovodičmi, ako sú perovskity, na optimalizáciu výkonu viacúčelového solárneho článku (viac o nižšie uvedených).
MULTIJUNKČNÁ FOTOVOLTAIKA
Ďalšou stratégiou na zvýšenie účinnosti FV článkov je vrstvenie viacerých polovodičov na výrobu viacjunkčných solárnych článkov. Tieto články sú v podstate zväzky rôznych polovodičových materiálov, na rozdiel od jednosmerných článkov, ktoré majú iba jeden polovodič. Každá vrstva má inú priepustnosť pásma, takže každá absorbuje inú časť slnečného spektra, čím viac využíva slnečné svetlo ako jednopriechodové články. Multijunkčné solárne články môžu dosiahnuť rekordnú úroveň účinnosti, pretože svetlo, ktoré nie je absorbované prvou polovodičovou vrstvou, je zachytené vrstvou pod ním.
Zatiaľ čo všetky solárne články s viac ako jednou medzerou pásma sú viacúčelové solárne články, solárny článok s presne dvoma pásmami sa nazýva tandemový solárny článok. Multijunkčné solárne články, ktoré kombinujú polovodiče zo stĺpcov III a V v periodickom tabuli, sa nazývajú viacjunkčné solárne články III-V.
Viacúčelové solárne články preukázali účinnosť vyššiu ako 45%, ale sú nákladné a ťažko sa vyrábajú, takže sú vyhradené na prieskum vesmíru. Armáda používa v dronoch solárne články III-V a vedci skúmajú ich ďalšie využitie, kde je kľúčová vysoká účinnosť.
KONCENTRAČNÁ FOTOVOLTAIKA
Koncentračný PV, známy tiež ako CPV, zameriava slnečné svetlo na solárny článok pomocou zrkadla alebo šošovky. Zameraním slnečného svetla na malú plochu je potrebných menej FV materiálu. FV materiály sa stávajú účinnejšími, pretože svetlo je koncentrovanejšie, takže najvyššie celkové účinnosti sa dosahujú s článkami a modulmi CPV. Vyžadujú sa však drahšie materiály, výrobné techniky a schopnosť sledovať pohyb slnka, takže preukázať potrebnú cenovú výhodu oproti dnešným veľkoobjemovým silikónovým modulom' je stále náročné.
