Fotovoltaický článek: Porovnání verzí

Aktuální verze z 30. 11. 2025, 16:40

Rozbalit box

Obsah boxu

Fotovoltaický článek, často označovaný také jako solární článek, je základní stavební prvek fotovoltaiky, který slouží k přímé přeměně světelné energie, nejčastěji slunečního záření, na elektrickou energii. Tento proces je založen na fotovoltaickém jevu v polovodičových materiálech. Jednotlivé články se obvykle spojují do větších celků nazývaných fotovoltaické panely (nebo moduly), které jsou schopny generovat významnější množství elektrické energie pro praktické využití.

⏳ Historie

1839: Francouzský fyzik Alexandre-Edmond Becquerel jako první pozoroval fotovoltaický jev, když zjistil, že při osvícení elektrody v elektrolytickém roztoku vzniká elektrické napětí.
1876: William Grylls Adams a jeho student Richard Evans Day pozorovali stejný jev u pevného materiálu – selenu.
1883: Americký vynálezce Charles Fritts sestrojil první fotovoltaický článek na světě. Použil selen potažený tenkou vrstvou zlata. Jeho článek dosahoval účinnosti přeměny energie pouze kolem 1 %.
1905: Albert Einstein publikoval práci vysvětlující teoretický princip fotoelektrického jevu, za což později obdržel Nobelovu cenu. Jeho teorie položila základy pro pochopení mechanismu, jakým světlo uvolňuje elektrony v materiálu.
1954: V Bellových laboratořích vědci Daryl Chapin, Calvin Fuller a Gerald Pearson vyvinuli první prakticky použitelný křemíkový fotovoltaický článek s účinností okolo 6 %. Tento objev odstartoval moderní éru fotovoltaiky.
1958: Fotovoltaické články byly poprvé využity ve vesmírném programu k napájení americké družice Vanguard I.
70. léta 20. století: V důsledku ropné krize začal růst zájem o pozemské využití fotovoltaiky. Články se začaly používat pro napájení odlehlých míst, jako jsou ropné plošiny nebo majáky.
21. století: Díky technologickému pokroku, masové výrobě (především v Číně) a vládním podporám dochází k masivnímu rozšíření fotovoltaiky po celém světě a k výraznému poklesu cen.

⚛️ Princip a funkce

Jádrem fotovoltaického článku je velkoplošná polovodičová dioda, nejčastěji vyrobená z křemíku. Struktura se skládá ze dvou vrstev křemíku s odlišným typem vodivosti:

Vrstva typu N (negativní): Křemík je legován (dopován) atomy s pěti valenčními elektrony (např. fosfor), což vytváří přebytek volných elektronů.
Vrstva typu P (pozitivní): Křemík je legován atomy se třemi valenčními elektrony (např. bor), což vytváří nedostatek elektronů, tzv. "díry".

Na rozhraní těchto dvou vrstev vzniká tzv. P-N přechod, což je klíčová oblast pro funkci článku. V této oblasti se vytváří vnitřní elektrické pole.

Proces přeměny světla na elektřinu probíhá v několika krocích: 1. Absorpce fotonů: Když na článek dopadne sluneční světlo, fotony (částice světla) předají svou energii atomům křemíku. 2. Generace párů elektron-díra: Pokud má foton dostatečnou energii, dokáže vyrazit elektron z jeho vazby v krystalové mřížce. Tím vzniká volný elektron a na jeho původním místě "díra". 3. Separace náboje: Vnitřní elektrické pole v oblasti P-N přechodu nedovolí elektronu a díře opětovně rekombinovat. Elektrony jsou polem "strženy" do vrstvy typu N a díry do vrstvy typu P. 4. Vznik elektrického napětí: Tímto oddělením nábojů vzniká mezi horní a dolní stranou článku elektrické napětí, podobně jako u baterie. U křemíkových článků se toto napětí pohybuje kolem 0,5 V. 5. Generování proudu: Pokud se k článku připojí vnější obvod (spotřebič), volné elektrony začnou proudit z N vrstvy přes spotřebič do P vrstvy, kde rekombinují s dírami. Tímto tokem elektronů vzniká elektrický proud.

🔬 Typy fotovoltaických článků

Fotovoltaické články se dělí do několika generací podle použitého materiálu a technologie výroby.

I. generace – Křemíkové články

Tato generace je nejrozšířenější a tvoří přes 85 % trhu. Je založena na křemíkových deskách (wafer).

Monokrystalické články: Vyrábějí se z jednoho dokonale uspořádaného krystalu křemíku. Mají charakteristickou tmavou barvu a "oříznuté" rohy. Dosahují nejvyšší účinnosti (v komerční sféře 18–23 %) a mají dlouhou životnost, ale jejich výroba je energeticky nejnáročnější a nejdražší.
Polykrystalické články: Jsou tvořeny z více menších krystalů křemíku, což jim dává typickou modrou, "mapovitou" strukturu. Jejich výroba je levnější, ale mají o něco nižší účinnost (15–20 %).

II. generace – Tenkovrstvé články

Tyto články se nevyrábějí z pevných desek, ale nanášením velmi tenké vrstvy polovodičového materiálu (tloušťka v řádu mikrometrů) na podklad, jako je sklo nebo plast.

Amorfní křemík (a-Si): Křemík v nekrystalické podobě. Má nízkou účinnost (kolem 7 %), ale je levný na výrobu a flexibilní. Často se používá v malých zařízeních, jako jsou kalkulačky.
Kadmium-tellurid (CdTe): Má nízké výrobní náklady, ale obsahuje toxické kadmium.
CIGS (měď-indium-gallium-selenid): Dosahuje vyšší účinnosti než jiné tenkovrstvé technologie, ale jeho výroba je složitější.

III. generace a nově vznikající technologie

Tato kategorie zahrnuje inovativní technologie, které se zaměřují na výrazné zvýšení účinnosti nebo snížení nákladů. Mnohé z nich jsou stále ve fázi výzkumu nebo rané komercializace.

Perovskitové solární články: Využívají materiály se specifickou krystalovou strukturou (perovskit). Mají obrovský potenciál díky skokovému nárůstu účinnosti (v laboratoři přes 30 %) a nízkým výrobním nákladům. Jejich hlavními nevýhodami jsou zatím nižší stabilita a přítomnost olova.
Tandemové (vícevrstvé) články: Skládají se z několika vrstev různých polovodičových materiálů. Každá vrstva efektivně pohlcuje jinou část slunečního spektra, čímž se dramaticky zvyšuje celková účinnost. Kombinace perovskitu a křemíku dosáhla v roce 2024 laboratorní účinnosti 34,6 %.
Organické fotovoltaické články (OPV): Využívají organické polymery. Jsou lehké, flexibilní a potenciálně velmi levné, ale mají nízkou účinnost a kratší životnost.
Kvantové tečky: Využívají nanokrystaly, které umožňují "ladit" absorpci světla. Tato technologie je zatím převážně ve fázi výzkumu.

💡 Účinnost a výkon

Účinnost fotovoltaického článku je klíčový parametr, který udává, jaké procento dopadající sluneční energie je přeměněno na energii elektrickou. Teoretický maximální limit pro jednovrstvý křemíkový článek, známý jako Shockley-Queisserův limit, je přibližně 33 %.

Aktuální (k roku 2025) hodnoty účinnosti:

Komerční monokrystalické panely: 21–23 %
Komerční polykrystalické panely: 18–20 %
Rekordní laboratorní účinnost (křemík): Kolem 27 %
Rekordní laboratorní účinnost (tandemový článek křemík-perovskit): 34,6 % (LONGi, 2024)
Rekordní účinnost komerčního panelu (HJT): 25,44 % (Trinasolar, 2025)

Výkon článku je ovlivňován několika faktory, včetně intenzity slunečního záření, teploty (s rostoucí teplotou účinnost klesá) a čistoty povrchu.

🌍 Aplikace a využití

Fotovoltaické články jsou základem pro širokou škálu aplikací:

Velké fotovoltaické elektrárny: Parky o výkonu stovek megawattů dodávající elektřinu do veřejné sítě.
Střešní instalace: Na rodinných a bytových domech či komerčních budovách pro snížení nákladů na elektřinu a zvýšení energetické soběstačnosti.
Ostrovní systémy: V odlehlých oblastech bez přístupu k elektrické síti (horské chaty, odlehlé farmy).
Kosmonautika: Téměř výhradní zdroj energie pro umělé družice a kosmické sondy.
Spotřební elektronika: Napájení malých zařízení jako jsou kalkulačky, hodinky, zahradní světla nebo powerbanky.
Doprava: Integrace do elektromobilů, lodí nebo letadel pro prodloužení dojezdu, napájení palubních systémů a dopravního značení.
Integrovaná fotovoltaika (BIPV): Články jsou přímo součástí stavebních prvků, jako jsou střešní tašky, fasádní panely nebo okna.

🌱 Environmentální aspekty

Fotovoltaika je považována za čistý a obnovitelný zdroj energie, protože během provozu neprodukuje žádné skleníkové plyny ani jiné znečišťující látky. Celková uhlíková stopa je ve srovnání s fosilními palivy výrazně nižší.

Výzvy a dopady spojené s výrobou a likvidací:

Energetická náročnost výroby: Výroba, zejména čištění křemíku, je energeticky náročná. Energetická návratnost (doba, za kterou panel vyrobí tolik energie, kolik bylo potřeba na jeho výrobu) se však neustále zkracuje a dnes se pohybuje mezi 1–4 lety.
Těžba surovin: Výroba vyžaduje těžbu křemíku a dalších materiálů (stříbro, hliník), což má dopad na krajinu.
Nebezpečné látky: Některé typy tenkovrstvých článků obsahují toxické těžké kovy jako kadmium nebo olovo.
Recyklace: Životnost panelů je 25–30 let. Po skončení životnosti je nutné je ekologicky zlikvidovat. Současné metody umožňují recyklovat až 95 % materiálů, především sklo a hliníkový rám. Výzvou zůstává efektivní a ekonomicky udržitelná recyklace samotných křemíkových článků a vzácných kovů v nich obsažených. V EU je zpětný odběr a recyklace panelů legislativně upravena.

🚀 Budoucnost a trendy

Vývoj fotovoltaických článků směřuje k dosažení vyšší účinnosti, nižších nákladů a delší životnosti. Mezi klíčové trendy pro nadcházející roky patří:

Nástup tandemových technologií: Kombinace křemíku a perovskitu se jeví jako nejslibnější cesta k překonání hranice 30% účinnosti v komerčních produktech.
Flexibilní a průhledné články: Vývoj ohebných a transparentních článků otevře nové možnosti pro integraci do budov (okna, fasády), textilií nebo elektroniky.
Využití umělé inteligence (AI): AI se bude stále více využívat pro optimalizaci výkonu fotovoltaických systémů, predikci výroby energie a správu energetických toků v chytrých sítích.
Udržitelnost a cirkulární ekonomika: Tlak na snižování uhlíkové stopy při výrobě a vývoj efektivnějších recyklačních procesů pro získání všech cenných materiálů zpět.
Integrace s úložišti energie: Propojení fotovoltaiky s moderními bateriovými systémy bude klíčové pro stabilizaci sítě a maximální využití vyrobené energie.

🤔 Pro laiky: Jak funguje solární článek?

Představte si fotovoltaický článek jako speciální sendvič. Tento sendvič má dvě vrstvy, které jsou vyrobeny z křemíku, což je materiál, který najdeme třeba v písku.

Horní vrstva je plná "neposedných" elektronů, které nemají moc co dělat a rády by utekly.
Spodní vrstva má naopak spoustu volných míst, kterým říkáme "díry". Elektrony by do nich rády zapadly.

Mezi těmito vrstvami je hranice, která funguje jako jednosměrná brána. Dovolí elektronům přejít jen jedním směrem – ze spodní vrstvy do horní, ale ne zpět.

Když na tento "sendvič" zasvítí slunce, jeho paprsky (fotony) narazí do atomů ve spodní vrstvě a dodají jim tolik energie, že z nich "vykopnou" elektron. Tento uvolněný elektron je okamžitě "protažen" jednosměrnou bránou do horní vrstvy.

Tím se nahoře nahromadí spousta elektronů a dole spousta volných míst. Vznikne tak elektrické napětí – podobně jako v baterce, která má plus a mínus pól. Když teď propojíme horní a spodní vrstvu drátkem (a připojíme třeba žárovku), elektrony se začnou vracet z horní vrstvy zpět do spodní, aby zaplnily volná místa. A tento proud elektronů není nic jiného než elektrický proud, který nám rozsvítí žárovku.

Zdroje

Wikipedie Solární novinky E.ON Solární novinky FVE.info [1] TZB-info Elektrickevozy.cz fotovolty.cz trideniodpadu.cz