1. Úvod

 Čoraz viac sa dostávajú do popredia obnoviteľné zdroje energie v súvislosti so šetrením životného prostredia a zároveň so znižovaním nákladov na výrobu energie. V našom príspevku chceme poukázať na možnosti uplatnenia slnečnej energie, ktorá je dostupná na každom mieste bez náročných zásahov do životného prostredia. V jadre Slnka prebiehajú termonukleárne reakcie. Slnko dokáže vyžiariť za necelú hodinu také množstvo energie, ktoré je ľudstvo schopné spotrebovať za jeden rok. Hustota dopadajúcej slnečnej energie na hranicu zemskej atmosféry má hodnotu 1 371 W/m2. Určitá časť tohto slnečného žiarenia je odrazená späť do vesmíru alebo pohltená samotnou atmosférou. Pri ideálnych podmienkach v atmosfére, kedy je prakticky nezamračené počasie, prejde na zemský povrch približne 75 % slnečného žiarenia, inak povedané 1 000 W/m2. V našom príspevku poukazujeme na možnosti výroby elektrickej energie fotovoltaickými systémami nainštalovanými na budovách.

 

2. Slnečné žiarenie

 

Slnečné žiarenie je elektromagnetické žiarenie a rozsah spektrálneho slnečného žiarenia je od 28 nm až po 3000 nm. Vlnové dĺžky nižšie ako je 380 nm, sú pre ľudské oko neviditeľné a patria k UV žiareniu. UV žiarenie predstavuje približne iba 2 % zo slnečného spektra a z energetického hľadiska sú takmer zanedbateľné. Viditeľné svetlo má vlnové dĺžky od 380 nm po 780 nm. Viditeľné svetlo predstavuje 49 % slnečného spektra a väčšina slnečnej energie ním prichádza na zemský povrch. Zvyšná časť spektra tvorí infračervené žiarenie, ktoré sa pohybuje v rozmedzí vlnových dĺžok medzi 780 nm až po 3000 nm.

  

Obr. 2: Celkové ročne globálne slnečné žiarenie 

 

3. Faktory ovplyvňujúce slnečné žiarenie

 

Pri prechode slnečného žiarenia sa zemská atmosféra stáva prvou prekážkou, ktorú je potrebné prekonať pri ceste na zemský povrch. Množstvo slnečnej energie, ktorá prejde zemskou atmosférou, do značnej miery ovplyvňuje viacero faktorov.

 

Výška a poloha Slnka - Množstvo dopadajúceho slnečného žiarenia úzko súvisí s polohou a samotným pohybom slnka nad miestom merania. Vo všeobecnosti platí, že najviac slnečného žiarenia prejde cez zemskú atmosféru okolo obeda, pretože slnko sa nachádza najvyššie na oblohe a tým pádom je cesta slnečného lúča cez atmosféru najkratšia. Dochádza k najmenšiemu rozptylu a pohlteniu slnečného žiarenia v atmosfére. Na zohľadnenie efektívneho množstva vzduchu, ktorý leží v ceste slnečného lúča, sa používa tzv. „Air Mass“ faktor. 

 

Znečistenie ovzdušia - Tento faktor ovplyvňuje okrem prírodných podmienok aj samotný človek a jeho konanie. Vplyvom znečistenia ovzdušia vo veľkých aglomeráciách alebo lesnými požiarmi sa do ovzdušia dostávajú čiastočky tuhých látok a aerosólov, ktoré v dôsledku rozptylu a absorpcie znižujú intenzitu slnečného žiarenia.

 

Obr. 1: Slnečné žiarenie

 

Oblačnosť - Miera oblačnosti v meranej lokalite zohráva podstatnú úlohu pri intenzite dopadajúceho slnečného žiarenia na zemský povrch. Žiarenie dopadajúce na mraky je buď pohltené alebo rozptýlené, čím sa znižuje intenzita žiarenia. Z tohto dôvodu je evidentné, že najlepšie podmienky sa nachádzajú na miestach s nízkou oblačnosťou. Na Slovensku je pri priaznivých slnečných podmienkach približná hodnota intenzity globálneho slnečného žiarenia 1000 W/m2. 

 

4. Možnosti využitia slnečnej energie

 

Slnečné žiarenie sa môže využívať viacerými spôsobmi. Jednou z možností je pasívna slnečná architektúra, kedy sa slnečné žiarenie využíva čo najefektívnejšie pomocou samotného architektonického návrhu budovy. Ďalšou z možností využitia slnečného žiarenia sú slnečné kolektory, ktoré premieňajú slnečnú energiu

na energiu tepelnú a v neposlednom rade je tu premena slnečnej energie na energiu elektrickú vďaka fotovoltaickým článkom.

 

Obr. 3: Slnečná architektúra - Presklenná fasáda

 

5. História fotovoltaiky

 

Fotovoltaika (FV) je výraz odvodený z gréckeho slova “photos” (svetlo) a názvu jednotky napätia - volt podľa talianskeho fyzika Alessandra Volta. Vývoj slnečných článkov má za sebou relatívne dlhú históriu siahajúcu až do roku 1839, kedy mladý francúzsky fyzik Alexander Edmund Becquerel objavil fotovoltaický jav pri experimentovaní s kovovými elektródami ponorenými v elektrolyte. Prvý fotovoltaický článok, v tuhej fáze bez nutnej potreby elektrolytu, vyvinuli Adams a Day v roku 1887. V roku 1883 americký elektrikár Charles Edgar Fritts skonštruoval selénový solárny článok. Článok mal účinnosť premeny svetla na elektrinu 1 až 2 % (takéto selénové články sa používajú ešte aj dnes v senzoroch rôznych kamier). V roku 1904 fyzikálne popísal Albert Einstein a v roku 1921 mu bola za „prácu pre rozvoj teoretickej fyziky, obzvlášť objav zákona fotoelektrického efektu“ udelená Nobelova cena. V roku 1930 nemecký fyzik Walter Schottky teoreticky objasnil princíp fotovoltaikého javu. Russell S. Ohl si nechal v roku 1946 patentovať kremíkový fotovoltaický článok v USA. S objavením tranzistoru v roku 1947, kde hlavným prvkom bolo použitie kremíka, sa položili skutočné základy pre vývoj solárnych článkov na premenu slnečnej energie na energiu elektrickú. V roku 1950 bol Czochralskim vyvinutý spôsob výroby vysoko čistého - polovodičového kremíka. V roku 1954 Bell Telephone Laboratories vďaka Czochralského metódy vyrobili kryštalický kremíkový fotovoltaický článok s účinnosťou 4 %, ktorá neskôr vzrástla na 11 %.

 

Obr. 4: Solárny kolektor

 

O sedem rokov neskôr od objavenia tranzitoru, skúsenosti a vedomosti o kremíku získané pri výrobe tranzistorov položili pevné základy pre vývoj solárnych článkov, ktoré ako prvé sa začali využívať pre kozmické účely. V tomto období bola cena fotovoltaických článkov príliš vysoká ale v kozmickom programe cena nehrala žiadnu zásadnú úlohu, keďže fotovoltaické články boli jediným spôsobom ako získať elektrickú energiu vo vesmíre. V roku 1958 bol v americkom vesmírnom satelite Vanguard inštalovaný malý rádiový vysielač s výkonom 1 Watt napájaný kremíkovým solárnym článkom. Od tohto obdobia vesmírny program zohráva veľkú úlohu vo výskume a samotnom vývoji fotovoltaických článkov.

 

V sedemdesiatych rokoch minulého storočia sa začali uplatňovať solárne fotovoltaické články aj v bežných prevádzkach, vďaka poklesu cien jednotlivých solárnych zariadení. V období prvej veľkej ropnej krízy (1973-74) a bezprostredne po nej sa viacero krajín začalo zaoberať otázkou, ako sa zbaviť závislosti na rope. Následne sa do vývoja a výroby fotovoltaických článkov začali investovať nemalé finančné prostriedky, čo malo za následok inštalovanie viac ako 3100 systémov na výrobu elektriny len v USA. Viaceré z týchto systémov pracujú dodnes.

 

6. Princíp výroby elektrickej energie pomocou fotovoltaických článkov

 

Princíp spočíva v tom, že fotón dopadajúci na polovodičovú štruktúru s PN prechodom excituje elektrón a vytvorí tak dva nositele elektrického prúdu: voľný elektrón a dieru. Solárne články sa skladajú z dvoch kremíkových vrstiev. Horná vrstva kremíka je polovodič typu N (vodivosť sprostredkujú elektróny), dolná vrstva kremíka je polovodič typu P (vodivosť sprostredkujú tzv. diery). Keď do blízkosti PN prechodu prenikne fotón, dôjde k fotoefektu a uvoľnené elektróny začnú prechádzať do hornej vrstvy. Elektróny v spodnej vrstve začnú preskakovať z jedného atómu na druhý, aby zaplnili prázdne miesta. Voľné elektróny v hornej vrstve sa odvádzajú z článku do elektrického obvodu, do ktorého je solárny článok vsadený. Takto vzniká v obvode elektrický prúd počas doby, kedy na solárny článok dopadá svetlo. Elektrická energia sa týmto spôsobom vyrába nehlučne, bez akýchkoľvek pohyblivých súčastí a bez vedľajších produktov. Fotovoltaický systém pracuje automaticky, bez obsluhy a veľkých nárokov na údržbu.

 

 

Obr. 5: Schéma PN prechodu

 

7. Generačný vývoj fotovoltaických článkov

 

Prvá generácia - Táto generácia sa vyznačuje použitím monokryštalického kremíka na výrobu fotovoltaických článkov. Fotovoltaické články vyrobené na báze kremíka sú v súčasnej dobe najviac používanými a predávanými na trhu, vďaka ich dobrej účinnosti premeny energie (až do 24%) a stabilného výkonu. Ich veľkou nevýhodou je použitie veľmi čistého, a tým pádom drahého kremíka. 

 

Druhá generácia - Použitie drahého kremíka vo fotovoltaických článkoch prvej generácie bolo impulzom pre zníženie výrobných nákladov použitím tenkovrstvových článkov. Články druhej generácie sa vyznačujú použitím až 1000krát tenšej aktívnej absorpčnej polovodičovej vrstvy (thin-film). Najbežnejšie články sa vyrábajú z mikrokryštalického, polykryštalického a amorfného kremíka. Hlavnou nevýhodou druhej generácie fotovoltaických článkov je ich nízka účinnosť (pod 10%) a menšia stabilita výkonu, kedy účinnosť klesá s časom používania. V súčasnej dobe sa používajú flexibilné materiály, ktoré umožňujú širšie použitie fotovoltaických článkov od fotovoltaických fólií až po autonómne nabíjacie zariadenia. 

 

Tretia generácia - Fotovoltaické články sa vyznačujú tým, že k separácii nábojov a na maximalizáciu počtu absorbovaných fotónov sa používajú iné metódy a materiály ako polovodiče. Sú to napríklad fotoelektrochemické (fotogalvanické) články, polymérne články, nanoštruktúry vo forme uhlíkových nanotrubičiek alebo nanotyčiniek. Zatiaľ jediným komerčne fungujúcim článkom tretej generácie sú viacvrstvové solárne články (dvojvrstvové alebo trojvrstvové), ktoré využívajú p-i-n prechod na absorbovanie určitej časti spektrálneho slnečného žiarenia a maximálnej možnej miere sa využije energetická využiteľnosť fotónu. Vo všeobecnosti majú tieto články problém s nízkou účinnosťou a stabilitou

výkonu.

 

8. Materiály fotovoltaických článkov

 

Najčastejšie použitie polovodičových materiálov je v diódach, tranzistoroch a tak ďalej. Polovodiče sa stali neoddeliteľnou súčasťou slnečného priemyslu. O ich vhodnosti na výrobu fotovoltaických článkov rozhoduje predovšetkým šírka zakázaného pásma energií, ktorá by sa mala pohybovať v rozmedzí od 1,1 eV do 1,7 eV. Ďalšími dôležitými vlastnosťami sú vysoká pohyblivosť a dlhá životnosť minoritných nosičov náboja. 

 

Kremík - Najbežnejšie a najdlhšie používaný materiál na výrobu fotovoltaických článkov. Kremík patrí medzi najčastejšie sa vyskytujúce prírodne materiály na zemi. Napriek tomu sa na výrobu fotovoltaických článkov využíva iba jedno percento z dostupného množstva kremíka. Na samotnú výrobu článkov sa kremík používa vo viacerých podobách: 

 

Monokryštalický kremík - Najstarší používaný materiál na výrobu fotovoltaických článkov, využívaných v praxi. Na začiatku články dosahovali iba 6% účinnosť. Na dlhšiu dobu sa pokrok vo výskume pozastavil, dôvodom čoho bol vesmírny program. Kremík je aj v súčasnosti drahým materiálom, preto sa vedci snažili o využitie lacnejších materiálov a výskumu zvyšovania účinností sa venovala slabá pozornosť. V dnešnej dobe sa pokrok urýchlil aj v tejto sfére, čoho výsledkom bolo zvýšenie účinnosti na 18 percent v bežnej prevádzke. Samotné kremíkové monokryštalické články sa vyrábajú z ingotov polykryštalického kremíka vyrábaných pomocou Czochralského metódy. Ingoty sa následne narežú na tenké plátky o hrúbke 0,35 až 0,1 mm. Na povrch sa pridá vrstva fosforu, ktorá zabezpečí polovodičový p-n prechod. 

 

Polykryštalický kremík - V dnešnej dobe sa tento materiál najčastejšie používa na výrobu fotovoltaických článkov. Samotná výroba je jednoduchšia ako pri monokryštalických článkoch, ale je tu nižšia celková účinnosť a nižší vyrobený prúd. Nižšia účinnosť je v dôsledku vyššieho odporu pri stykoch kryštálových zŕn. Výroba je založená buď na odlievaní článkov do foriem alebo rezaním ingotov. 

 

Multikryštalický kremík - Odroda polykryštalického kremíka, ktorý dosahuje vyššiu účinnosť (do 14%) a je podstatne lacnejší ako monokryštalický kremík. Z dôvodu znižovania odporu pri stykoch jednotlivých kryštálov, je tu snaha o výrobu článkov použitím čo najväčších kryštálov. 

 

Amorfný kremík - Tento materiál nemá kryštalickú štruktúru a po chemickej úprave s vodíkom, sa zlepšujú jeho vodivostné vlastnosti. Jeho výhodou je nízka cena a pri samotnej výrobe sa spotrebuje menšie množstvo tohto materiálu, vďaka vysokej pohltivosti slnečnej energie pri vrstvách tenších ako 1mm. Nevýhodou amorfného kremíka je jeho nízka účinnosť premeny energie, ktorá sa pohybuje v rozmedzí 5 až 7 %. Tenká vrstva fotovoltaického článku vyrobeného z amorfného kremíka a jeho nízka cena predurčuje tento materiál na výrobu článkov do kalkulačiek. 

 

Arsenid galitý (GaAs) - Fotovoltaické články vyrobené na báze arséna a gália majú výhodu v tom, že pri vyšších teplotách nestrácajú veľmi svoju účinnosť ako je to u kremíkových článkov. Pri koncentrácii slnečného žiarenia sa používa menšie množstvo GaAs bez zníženia jeho účinnosti. Vďaka tejto vlastnosti sa používajú pri koncentrátoroch. Medzi značné nevýhody patrí ich krehkosť, vzácnosť gália a jedovatosť arsénu.

 

Telurid kademnatý (CdTe) - Vyznačuje sa veľmi dobrou schopnosťou absorbovať slnečné žiarenie. Nie je možné ho však aplikovať na väčšie rozmery, pretože je to veľmi vzácny materiál v zemskej kôre. Uplatnenie tak získa v domácnostiach a drobnej elektrotechnike. 

 

Sulfid kademnatý (CdS) - Fotovoltaické články vyrobené zo sulfidu kademnatého sa nepovažujú za perspektívne, pretože tieto články majú nízku stabilitu. Pôvodne boli články navrhnuté pre kozmický priemysel, vďaka nízkej hmotnosti a pomerne jednoduchom získaní 10% účinnosti. Jedna z možných aplikácii sa naskytá

pri zlúčení s teluridom kademnatým.

 

Príspevok vznikol pri riešení projektu ITMS „26220120018“ - Podpora Centra excelentného integrovaného výskumu progresívnych stavebných konštrukcií, materiálov a technológií.

 

Literatúra

[1] MURTINGER, Karel, BERANOVSKÝ, Jiří, TOMEŠ, Milan: Fotovoltaika - elektřina ze slunce, ERA vydavatelství, Brno 2007, ISBN: 978-80-7366-100-7

[2] CENKA, Miroslava a kol.: Obnovitelné zdroje energie, FCC PUBLIC, Praha 2001, s. 50 - 68, ISBN: 80-901985-8-9

[3] Slovak Renewable Energy Agency. http://www.skrea.sk/index. php?id=177

[4] Internet - http://www.seps.sk/zp/ fond/2002/slnko/slnko.html

[5] Internet - http://www.czrea.org/ cs/druhy-oze/fotovoltaika#fv

[6] Internet - http://www.ezos.sk/ fotovoltaika.html

 

Ing. Marek Kušnír1, Ing. Peter Kapalo, PhD.2

1 TU v Košiciach, Stavebná fakulta, Vysokoškolská 4, tel.: 602 4354, marek.kusnir@tuke.sk

2 TU v Košiciach, Stavebná fakulta, Vysokoškolská 4, tel.: 602 4271, peter.kapalo@tuke.sk