V posledních letech obecně roste zájem o tzv. „zelenou elektřinu“, tedy elektřinu vyrobenou výhradně z obnovitelných zdrojů. Řeč je o větrných, vodních či slunečních elektrárnách, ale také se využívá geotermální energie či energie z biomasy. Každá z uvedených alternativ má svá pro a proti, přičemž velké diskuze probíhají právě kolem fotovoltaiky. Pojďme si o tomto tématu povědět více.
Nejprve trocha nutné teorie. Fotovoltaika, tedy odvětví využívající přeměny energie slunečního záření na energii elektrickou (stejnosměrný elektrický proud), je v poslední době jedno z nejrychleji rostoucích odvětví výroby obnovitelné energie vůbec. Základní princip je založen na fotovoltaickém jevu-zcela zjednodušeně se jedná o interakci mezi fotony (kvanta energie elektromagnetického vlnění) a polovodičovým materiálem. Polovodič je látka, která se za určitých okolností chová jako izolant a nevede elektrický proud, za jiných podmínek se ale stává vodičem. Jistě znáte v souvislosti s polovodiči křemík, který se stal synonymem pro čipy. S těmi se setkáváme u počítačů, ale i mobilních telefonů nebo třeba u domácích spotřebičů. Vodivost polovodičů může být vlastní (kdy se v nich nenachází žádné příměsi), ale i příměsová, kdy se do základní mřížky polovodiče vkládají atomy jiných prvků (pak rozlišujeme polovodiče typu N, kde jsou majoritními nositeli náboje elektrony, a polovodiče typu P, kde majoritními nositeli náboje jsou kladně nabité díry).
Fotovoltaický článek je ve své podstatě velkoplošná polovodičová dioda s PN přechodem (spojení polovodiče typu N a polovodiče typu P). Typickou vlastností tohoto přechodu je jeho usměrňovací účinek, kdy v jednom směru jím elektrický proud procházet může, kdežto ve směru opačném nikoli. V principu jde tedy o to, že foton, který má dostatečnou energii, může v polovodičovém materiálu způsobit uvolnění elektronu z jeho krystalové mřížky. PN přechod ovšem způsobí, že elektron uvolněný z vrstvy N se nemůže rekombinovat s kladně nabitými děrami vyskytujícími se ve vrstvě P a hromadí se tedy ve vrstvě N, ovšem elektrony z vrstvy P do vrstvy N procházet mohou. Na přechodu PN se tedy v konečném důsledku vytvoří elektrické napětí (u křemíkových článků dosahuje cca 0,5 V). Je-li k článku připojen spotřebič, obvodem začne protékat elektrický proud. V praxi se za účelem zvýšení výstupního napětí jednotlivé fotovoltaické články zapojují do větších celků, tzv. solárních panelů (Lincot D., 2017).
Existuje několik druhů fotovoltaických panelů. Mezi ty nejzákladnější patří monokrystalické křemíkové panely, polykrystalické a amorfní. Předností monokrystalických panelů je jejich účinnost v rozmezí 17-22 %, nevýhodou je jejich vyšší cena a požadavky na správnou orientaci panelů vůči slunci (orientace na jih, optimální náklon panelů). Proces výroby monokrystalického křemíku je technologicky velice náročný a nákladný. Křemíkový monokrystal se připravuje tzv. Czochralskeho metodou tažením z taveniny křemíku při teplotách kolem 1400 °C v ochranné atmosféře (Yu, X. et al., 2013). U polykrystalických panelů se uvádí účinnost 14-16 % (je zde tedy větší požadavek na prostor), jsou ovšem méně náročné na výrobu a o něco lépe pracují s rozptýleným světlem (zatažená obloha, mlha..). Stále ovšem platí, že u těchto dvou zmíněných typů se jakýkoli stín či zástavba projeví více či méně negativně na jejich výkonu. Cenově nejpříznivější, ale s nejnižší účinností (max. 11 %), jsou amorfní panely (tenké vrstvy křemíku nanešené na např. skleněném podkladu). Jejich předností je jejich nízká hmotnost a fakt, že obstojně pracují s rozptýleným světlem a dokáží tak lépe pracovat i při oblačnosti či ne zcela ideální orientaci panelů vůči slunci.
Základem fotovoltaických solárních článků nemusí být nutně křemík, ale například arsenid galia, tellurid kadmia aj. Každý panel je přitom obalen několika ochrannými vrstvami –z jedné strany to bývá nejčastěji sklo, z druhé plast. Dále to je laminační fólie, nejčastěji z EVA (ethylen-vinyl-acetát), mezi které jsou vloženy vodivě spojené fotovoltaické články, a nesmí chybět ani rám (nejčastěji hliníkový), který zvyšuje odolnost panelu vůči mechanickému namáhání.
Z hlediska ochrany životního prostředí se jedná v případě fotovoltaických elektráren o velice čistý způsob výroby elektrické energie, jelikož je bezemisní (emise vznikají převážně při výrobě panelů) a nehlučný, přičemž primární zdroj energie je prakticky nevyčerpatelný (než se Slunce stane bílým trpaslíkem, bude nám ještě pár miliard let sloužit). Má to ovšem i své nevýhody. Z hlediska využívání solární energie je nejdůležitějším faktorem intenzita slunečního záření a také počet hodin slunečního svitu v jednotlivých ročních obdobích. Dostupnost solární energie je tedy silně závislá na počasí a ročním období. To jsou faktory, které se v našich zeměpisných šířkách musí vždy zvážit. Další nevýhodou fotovoltaických panelů je jejich životnost, jelikož panely postupně degradují a ztrácejí svou účinnost. V dnešní době poskytují výrobci garanci minimálně 25 let výkonu na 80 % jmenovitého výkonu, i když celková životnost panelu bývá i o 10 let delší.
Jenže jako asi každý fyzikální jev, má i ten fotovolatický svůj limit. Jedná se o tzv. Shockleyův–Queisserův limit teoretické maximální účinnosti přeměny slunečního záření na elektřinu pro fotovoltaický článek s jedním PN přechodem, přičemž hodnota tohoto limitu závisí vždy na konkrétním druhu použitého polovodičového materiálu (šířce zakázaného pásu) a spektrálním složení záření. Například pro krystalický křemík se šířkou zakázaného pásu 1,1 eV je Shockleyův–Queisserův limit mírně nad 30 % (Rühle, S. 2016). V praxi dosahují křemíkové solární články účinnosti přeměny ještě nižší, a to hlavně kvůli energetickým ztrátám (ne všechny fotony dopadající na článek se přemění na elektrickou energii, část se vyzáří např. ve formě tepla).
Lze teoreticky tuto hranici účinnosti u fotovoltaických článků překonat? A jakým způsobem? O tom ve druhé části článku.
Literatura:
Lincot, D. (2017). The new paradigm of photovoltaics: From powering satellites to powering humanity. Comptes Rendus Physique, 18(7-8), 381-390.
Yu, X., Chen, J., Ma, X., & Yang, D. (2013). Impurity engineering of Czochralski silicon. Materials Science and Engineering: R: Reports, 74(1-2), 1-33.
Rühle, S. (2016). Tabulated values of the Shockley–Queisser limit for single junction solar cells. Solar energy, 130, 139-147.
Martina Brenčič pracuje na ČHMÚ Brno jako vědecko-výzkumný pracovník specializující se na analýzu částic z ovzduší skenovacím elektronovým mikroskopem.
