Embedded Files
Základní definice fotovoltaické elektrárny
Základní definice fotovoltaické elektrárny
"Fotovoltaika je metoda přímé přeměny slunečního záření na stejnosměrný proud díky využití fotoelektrického jevu ve polovodičových diodách."
Uvedená definice je sice naprosto přesná, ale zřejmě vyvolává další otázky. Popišme si nyní princip fotoelektrického jevu, který nám na některé otázky odpoví.
Fotoelektrický jev
Fotoelektrický jev
Jak plyne z úvodního odstavce k tomuto jevu je zapotřebí přítomnost polovodiče a světelného záření. Jako polovodič se ve fotovoltaické branži a elektronice obecně používá křemík. V tomto prvku se vyskytují 4 valenční elektrony. Na obrázku níže jsou to 4 puntíky s minusem na největší kružnici.
Samotný křemík ale k fotovoltaickému jevu nestačí. Je nutné, aby existoval tzv. polovodič typu N a polovodič typu P, čímž vznikne tzv. přechod PN. Polovodič typu N a P zajistíme tzv. dopováním křemíku jiným prvkem. K tomuto účelu se používá bor pro polovodič P a fosfor pro polovodič N.
Od polovodiče P očekáváme, že se vytvoří tzv. díra. Když do křemíku přidáme prvek, který má méně valenčních elektronů než křemík (bor má 3 valenční elektrony, zatímco křemík 4), vznikne v krystalové struktuře díra (chybějící elektron). Tato díra se chová jako kladný náboj, protože v místě, kde chybí elektron, se může elektron přesunout a tuto díru „vyplnit“.
Polovodič typu N Když do křemíku přidáme prvek, který má více valenčních elektronů než křemík (fosfor má 5 valenčních elektronů), bude v krystalové mřížce jeden volný elektron navíc. Tento elektron se může volně pohybovat po materiálu, což způsobuje, že N-vrstva má přebytek záporných nosičů náboje (elektronů).
Jak to využít ve fotovoltaickém panelu si ukážeme na obrázku níže:
Horní vrstva (N-vrstva) je křemík dopovaný fosforem, což vytváří přebytek elektronů (-), nosičů záporného náboje. Spodní vrstva (P-vrstva) je křemík dopovaný bórem, což vytváří přebytek děr (+), nosičů kladného náboje. Antireflexní vrstva je nahoře a pomáhá minimalizovat odrazy světla, čímž umožňuje lepší absorpci světelné energie.
Když na povrch dopadají fotony (částice ve slunečním zářen, naznačeno oranžovými šipkami), jejich energie vystřelí elektrony v N-vrstvě. Tím jsou tyto elektrony uvolněny a začnou se pohybovat směrem k horním kontaktům,(k připojenému obvodu), což vytváří elektrický proud I(A).
Elektrony pak přecházejí přes zátěž (např. žárovku na obrázku) zpět do P-vrstvy, kde se rekombinují s děrami, čímž se uzavírá elektrický obvod.
Zjednodušený popis fotoelektrického jevu.
Zjednodušený popis fotoelektrického jevu.
Pokud takto vysvětlíte fotoelektrický jev, zřejmě budete úspěšní u zkoušky na Matfyzu, ale je otázkou jak hodně je to přenositelné do běžného života. Pojďme to zjednodušit.
Představte si, že na kulečníkovém stole máme koule (elektrony) a prázdná místa, kde žádná koule není (díry). Díra neznamená kapsu (tam kam se koule trefuje)! Když hráč do jedné koule strčí, ta se začne pohybovat po stole a může zaplnit jedno z těch prázdných míst (díru). Jakmile koule zaplní prázdné místo, další koule se může zase posunout a zaplnit novou díru – tím se vytváří pohyb.
Podobně, když volné elektrony v N-vrstvě (kule) začnou "putovat" směrem k P-vrstvě, vyplňují díry (prázdná místa). Tento pohyb je základ pro vznik elektrického proudu, a právě to se děje v přechodu PN.
Foton = bílá kulečníková koule
Foton (světelná částice) přináší energii, podobně jako bílá koule v kulečníku, která svým nárazem uděluje pohyb dalším koulím.
Když foton dopadne na polovodičový materiál, konkrétně na přechod PN ve fotovoltaickém článku, může svou energií "zasáhnout" elektron v krystalové struktuře křemíku a vystřelí ho ze své pozice.
Foton (bílá koule) má určité množství energie, které odpovídá jeho vlnové délce nebo frekvenci (v kulečníku to odpovídá síle úderu bílou koulí).
Když foton (bílá koule) zasáhne elektron v křemíku (jiná koule), pokud má dostatečnou energii, může elektron uvolnit z jeho pozice. V kulečníku to odpovídá odrazu koule do kapsy.
Elektron, který byl vystřelen, pak vytváří díru v místě, odkud byl vyražen, a tato díra se může chovat jako pozitivní nosič náboje.
Úspěšnost zásahu = účinnost přeměny
Stejně jako v kulečníku, ne každý foton (bílá koule) je úspěšný v uvolnění elektronu. Pokud foton nemá dostatečnou energii (není správná „síla úderu“), elektron se nemusí uvolnit, což znamená, že fotonová energie se nevyužije k výrobě elektřiny. Toto je i důvod proč panely dosahují "pouze" přibližně 23% účinnosti.
Například fotony infračerveného světla mají příliš nízkou energii, aby vystřelili elektrony v křemíku, zatímco fotony ultrafialového světla mají naopak příliš vysokou energii, což může vést k přebytečnému zahřívání a ztrátám.
Pokud foton přenáší správné množství energie, jako bílá koule správně nasměrovaná do jiné koule, může elektron dostatečně „vykopnout“, aby vytvořil elektrický proud.
To je základní mechanismus, kterým solární články přeměňují světlo na elektrickou energii.
Věřím, že Vám přiblížení fyzikální podstaty fungování fotovoltaiky pomůže v rozhodování ohledně pořízení vlastní elektrárny!
Page updated
Report abuse