Solární panely: váš průvodce k čisté energii

Hlavním tématem článku jsou fotovoltaické panely, jejich historie a členění podle druhu použitých technologií.

Fotovoltaický článek je nejčastěji vyroben jako velkoplošná polovodičová dioda schopná přeměňovat světlo na elektrickou energii. Využívá při tom fotovoltaický jev. Fotovoltaické články se pro praktické aplikace spojují sério-paralelně do modulů, které jsou zároveň konstrukčně navrženy tak, aby články ochránily před vnějšími vlivy.

Fotovoltaický jev

Fotovoltaický jev poprvé pozorovali William Grylls Adams a jeho žák Richard Evans Day v roce 1876. První fotovoltaický článek však byl sestrojen až v roce 1883 Charlesem Frittsem, který potáhnul polovodivý selen velmi tenkou vrstvou zlata. Jeho zařízení mělo pouze jednoprocentní účinnost. V roce 1946 si nechal patentovat konstrukci solárního článku Russel Ohl. Současná podoba solárních článků se zrodila v roce 1954 v Bell Laboratories. Při experimentech s dopovaným křemíkem byla objevena jeho vysoká citlivost na osvětlení.

Fotovoltaický článek

Výsledkem byla realizace fotovoltaického článku s účinností kolem šesti procent. Význam fotovoltaiky se projevil zvláště v kosmonautice, kde fotovoltaika představuje prakticky jediný zdroj elektrické energie pro umělé družice Země. Prvou družicí s fotovoltaickými články byla americká družice Vanguard I, vypuštěná na oběžnou dráhu 17. března 1958. První sériově vyráběné fotovoltaické panely se dostaly na trh v roce 1979.

Na začátku sedmdesátých let se fotovoltaické články dostaly z laboratoří a z kosmického prostoru i na zem, z velké části díky ropným společnostem těžícím v Mexickém zálivu. Na automatických ropných plošinách je elektrická energie potřebná pro osvětlení (maják) a pro ochranu proti korozi. Fotovoltaické články zcela vytlačily do té doby používané primární články elektrické energie.

Velký boom zaznamenaly fotovoltaické technologie od roku 2008, kdy začala rapidně klesat cena krystalického křemíku, zejména díky přesunu výroby do Číny, která byla do té doby minoritním hráčem na trhu (většina fotovoltaické produkce byla soustředěna v Japonsku, USA, Španělsku, Turecku a Německu).

Dělení solárních panelů z hlediska použitého materiálu

Křemíkové solární panely

Drtivá většina solárních panelů je vyrobena z křemíku, což je prvek hojně se vyskytující v zemské kůře. Křemík slouží jako základní materiál pro výrobu polovodičových součástek i jako základní surovina pro výrobu skla a je součástí keramických a stavebních materiálů. Solární články jsou tvořeny křemíkovými plátky tenčími než 1 mm. Na spodní straně je plošná průchozí elektroda. Horní elektroda má plošné uspořádání do tvaru dlouhých prstů zasahujících do plochy. Tak může na plochu svítit světlo. Povrch solárního článku je chráněn skleněnou vrstvou, sloužící jako antireflexní plocha. Tak je zabezpečeno, aby do polovodiče vniklo co nejvíce světla. Antireflexní vrstvy se většinou tvoří napařením oxidu titanu. Účinnost křemíkových solárních článků dosahuje 18-23 %.

Perovskitové solární panely

Dalším druhem fotovoltaických panelů jsou takzvané perovskitové panely. Perovskit je sloučenina oxidu titaničito-vápenatého v krystalické formě. Solární panely z perovskitu jsou lehké, flexibilní, mají vyšší účinnost a oproti běžným křemíkovým je lze vyrábět za nižších teplot, a tedy i levněji, a to běžným sítotiskem. Na jejich vývoji a zdokonalování se již pracuje vice než 10 let. Velkým problémem a výzvou byla až dosud chemická reaktivita a nestabilita perovskitu. Za vysoké teploty a vlhkosti, tedy v běžném prostředí, docházelo k výraznému zkracování životnosti a účinnosti. Teprve přednedávnem přispěl výzkum k výraznému omezení negativního vlivu teploty na životnost a účinnost těchto článků, a tak již nyní perovskitové články překonaly svou účinností křemíkové a svou životností a stabilitou se jim přibližují.

Organické solární panely

Posledním typem fotovoltaických panelů jsou organické solární panely. Ty se zatím nachází ve stadium výzkumu. Novou technologií by měly být geneticky zkonstruované bílkoviny, které mají k výrobě elektrické energie využívat fotosyntézu. Nové články by měly být levnější než současné křemíkové a měly by disponovat I větší účinností.

Členění křemíkových fotovoltaických panelů

Monokrystalické

První komerčně dominantní technologií byly monokrystalické křemíkové články (c-Si). Ty využívají vysoce čistý křemík vybroušený z jednoho krystalu Czochralského procesem. Nabízejí dobrou účinnost (18-23 %), ale jejich výroba je poměrně nákladná.

Polykrystalické

Polykrystalické křemíkové články (p-Si): Vznikají odléváním roztaveného křemíku do ingotů a jejich krájením na plátky. Mají nižší účinnost než monokrystalické panely (13-16 %), ale výrobní proces je méně složitý a levnější. Dlouhou dobu se jednalo o nejrozšířenější technologii výroby fotovoltaických panelů.

Tenkovrstvé (amorfní)

V tenkovrstvých článcích se místo křemíkových destiček používají tenké vrstvy polovodičů nanesené na sklo, plast nebo kov. Mezi hlavní typy patří:

• Amorfní křemík (a-Si): Nejlevnější, ale s nejnižší účinností. Používá se v kalkulačkách a malých zařízeních.
• Telurid kadmia (CdTe): Slušná účinnost při dobrých teplotách. Existují však obavy z toxicity kadmia.
• Selenid mědi a galia (CIGS): CIGS: vysoký potenciál účinnosti, ale složitost výroby omezuje širší využití.

Dělení monokrystalických solárních panelů

P-Type a N-Type

Existují dva typy monokrystalických panelů – P-Type a N-Type. Hlavní rozdíl mezi těmito dvěma typy je v počtu elektronů, který každý z nich obsahuje. Všechny standardní křemíkové solární panely se skládají z křemíkových destiček (waferů) smíchaných s různými chemickými látkami, které generují elektrickou energii. Rozdíl mezi typy P a N spočívá v chemikáliích použitých při výrobě. Konkrétně se jedná o bór, který se přidává do panelů typu P. Bór má o jeden elektron méně než křemík, a proto je solární článek kladně nabitý. Naproti tomu solární článek typu N používá fosfor, který má o jeden elektron více než křemík, a tedy díky tomu je solární článek typu N nabitý záporně.

Solární panely typu N začínají být stále populárnější, protože jejich hlavní výhodou je, že nejsou náchylné k degradaci způsobené světlem, jak bylo zjištěno u solárních panelů typu P. Solární panely typu N tak mají delší životnost, jsou však dražší než tradiční panely typu P. U obou typů panelů došlo použitím nových technologií a materiálů k dalšímu vývoji a zlepšení vlastností.

U panelů typu N se nyní při výrobě používá několik nových druhů technologií:

TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact)

Jedná se o variantu článků typu N, která se vyvinula z klasické PERC/PERT technologie a která obsahuje tenkou tunelovou oxidovou vrstvu a polykřemíkový kontakt, čímž se dále snižují ztráty a zvyšuje účinnost. Současné rekordní účinnosti článků TOPCon překračují účinnosti standardních článků PERC. Nabízejí účinnost až 22,6 %.

HJT (Heterojunction with Intrinsic Thin Layer)

Články HJT kombinují krystalický křemík s tenkovrstvými amorfními křemíkovými vrstvami, čímž vytvářejí přechod s vynikajícími pasivačními vlastnostmi.  Články HJT dosahují účinnosti až 23 % s vynikajícími teplotními parametry a minimální degradací. Jejich složitý a nákladný výrobní proces je však v současnosti prodražuje.

IBC (Integrated Back Contact)

Nejvýznamnějším rysem solárního článku IBC je, že přechod PN a kovový kontakt jsou umístěny na zadní straně solárního článku, čímž se zamezuje stínění přední kovové mřížkové elektrody, což umožňuje zvýšení účinnosti až na 23 %.

TBC (Total Back Contact)

Technologie TBC je modifikovaná forma IBC s plným kontaktem na zadní straně článku. Díky úplnému odstranění kovových linek na přední straně solárních článků tato technologie maximalizuje absorpci světla. Konstrukce úplného zadního kontaktu snižuje impedanci, čímž zvyšuje celkový výkon solárních článků, které dosahuje také 23 %.

ABC (All Back Contact)

Je nejnovější technologie vyvinutá společností AIKO, která je založena na principu IBC. Kromě estetického přínosu celo černého provedení těchto článků došlo ke zmenšení plochy článků při zachování stejného výkonu. Účinnost ABC článků dosahuje až 24 %.

V případě článků N-Type se při výrobě používají následující technologie:

AL-BSF (Alluminium Back Surface Field)

Je tradiční a v dnešní době již překonaná technologie výroby solárních článků. Články Al-BSF mají v zadní části souvislou vrstvu hliníku v kontaktu s krystalickým křemíkem, která vytváří "pole na zadní ploše", jež do určité míry brání minoritním nosičům v přístupu k zadnímu kontaktu. V důsledku toho dosahují tyto články pouze 17-19 % účinnosti.

PERC/PERT (Passivated Emitter and Rear Cell/Totally)

Tyto články představují evoluci tradičních AL-BSF článků. Přidávají pasivační vrstvu na zadní stranu článku, která odráží nezachycené světlo a zvyšuje účinnost. Jedná se o velmi vyspělou a široce rozšířenou technologii, která je cenově výhodná. Typická účinnost se pohybuje v rozmezí 20-22 %.

HPBC (Hetero Junction With Partially Back Contact)

Technologii HPBC, která reprezentuje poslední vývoj v oblasti článků typu P, vyvinula firma LONGi. Jedná se o novou generaci vysoce účinných solárních článků s exkluzivní konstrukcí bez přípojnic na přední straně. Tato jedinečná technologie má za cíl výrazně zlepšit vlastnosti absorpce světla a schopnost fotoelektrické konverze článků vyladěním jejich vnitřní struktury. Účinnost článků HPBC dosahuje až 23,2 %,

Typickými představiteli firem vyrábějících fotovoltaické panely N-Type jsou Trina Solar a Jinko Solar. Panely P-Type a poslední pokroky ve vývoji technologií jejich výroby zastupuje firma LONGi

Směr vývoje fotovoltaiky

Fotovoltaická technologie se rychle vyvíjí směrem k vyšší účinnosti, delší životnosti a nižším nákladům.

• Zaměření na zvyšování účinnosti: Výzkum posouvá hranice účinnosti článků pomocí pokročilých koncepcí, jako jsou perovskity, tandemové články (kombinace více materiálů) a pokročilé řízení světla.
• Snížení degradace: Zlepšené výrobní procesy mají za cíl minimalizovat dlouhodobou míru degradace a prodloužit životnost panelů.
• Snížení nákladů: Rozšíření výroby a vývoj nových nákladově efektivních materiálů jsou klíčem k dosažení parity sítě s fosilními palivy.