Fotovoltaické technologie
Fotovoltaické technologie
Fotovoltaické technologie jsou způsob výroby elektrické energie zářením slunce. Tato technologie využívá fotovoltaických článků, které přeměňují sluneční záření na elektrický proud. Díky fotovoltaickým systémům můžeme získávat čistou energii bez emisí skleníkových plynů.
Ve fotovoltaických článcích je klíčovým prvkem křemík, který má schopnost absorbovat sluneční světlo a uvolnit elektrony. Tyto elektrony jsou následně vedeny kovovými elektrodami, čímž vzniká stejnosměrný elektrický proud. Tento proud je poté vhodně upraven a skladován nebo přímo využíván pro napájení elektrických zařízení.
Fotovoltaické technologie jsou ekologicky šetrné a udržitelné. Využívají volně dostupné sluneční energie a nevytvářejí žádné emise ani odpady. Navíc, fotovoltaické systémy mají dlouhou životnost a minimalní údržbu, což je činí finančně efektivní volbou.
Hlavními výhodami fotovoltaických technologií jsou:
- Obnovitelný zdroj energie – Sluneční energie je nevyčerpatelný zdroj energie a je dostupná téměř po celém světě.
- Nulová emise skleníkových plynů – Fotovoltaické systémy neprodukují žádné emise skleníkových plynů, což má pozitivní dopad na životní prostředí.
- Energetická nezávislost – Fotovoltaické systémy umožňují získávat vlastní energii a snížit závislost na tradičních energetických zdrojích.
- Nízké provozní náklady – Po instalaci fotovoltaického systému jsou provozní náklady minimální, přičemž se investice obvykle rychle zaplatí výhodou celkové úspory nákladů na elektřinu.
Využití fotovoltaických technologií má obrovský potenciál v budoucnosti a přispívá k udržitelnému rozvoji naší planety.
ZDARMA – cenová nabídka na fotovoltaiku
Fotovoltaické technologie
Kvůli výrobní technologii lze použité solární články rozdělit na křemíkové solární články, vyráběné z Si destiček, a tenkovrstvé solární články vyráběné vakuovými technologiemi. Podle krystalické struktury jsou to amorfní, polykrystalické a
monokrystalické solární články. Solární články jsou a mnoho solárních článků představuje solární modul s typickými vlastnostmi.
Pro velké fotovoltaické systémy jsou určeny speciální fotovoltaické moduly s typickým výkonem až několik set wattů.
Vlastnosti solárního modulu závisí především na typu použitého solárního článku. Nejdůležitější úkoly do budoucna je využití méně čistého křemíku a zvýšení účinnosti.
(monokrystalické solární články) a zvyšování účinnosti a životnosti solárních článků.
(amorfní solární články).
Křemík, základní funkce
Nejdůležitějším materiálem pro výrobu solárních článků je křemík. V době je to téměř jediný materiál používaný pro hromadnou výrobu solárních článků. Vzhledem k tomu, že nejčastěji používaný polovodičový materiál má mnoho důležitých výhod. V přírodě se snadno vyskytuje ve velkém množství. Oxid křemičitý tvoří jednu třetinu zemské kůry. Není jedovatý a je šetrný k životnímu prostředí, jeho odpad nepředstavuje žádný problém. Lze jej snadno tavit, manipulovat s ním a je to poměrně snadno formovat do monokrystalické formy. Jeho elektrické vlastnosti s 125 °C umožňují použití křemíkových polovodičových součástek i při nejnáročnějších prostředích a aplikacích. V technice je čistý křemík jediným
široce používaným chemickým prvkem, který se vyrábí takto čistý.
Procento čistého křemíku v materiálu je nejméně 99,9999999 %. Podle hustoty křemíku, která je 5⋅1022 atomy/cm3, to znamená 5⋅1013 nečisté atomy/cm3. Hodnoty nečistých atomů jsou zkoumány díky mnoha specifickým fyzikálním metodám, jako je hmotnostní spektrometrie a podobná sofistikovaná měření. Čistý křemík se vyrábí z písku (SiO2). Při výrobě se postupuje podle níže popsaných postupů provádějí.
Krystalická struktura křemíku a čistý surový silikon
Výroba surového křemíku
Čistý křemík se vyrábí z křemíku redukcí ve speciálně konstruovaných zařízeních.
při teplotě 1800 °C. Vyrobený materiál obsahuje 98-99 % čistého křemíku.
Jako reduktor se používají uhlíkové elektrody. Celá reakce probíhá následovně:
SiO2 + C → Si + CO2
Takový křemík se používá jako surovina při výrobě čistého křemíku. Používá se také v postupech výroby oceli a hliníku jako doplňkový materiál. Nejvíce nejvýznamnějšími producenty surového křemíku jsou Kanada, Norsko a Brazílie. 15 až 25 kWh
elektrické energie na výrobu 1 kg křemíku. Křemík tetrachlorid (plyn) se vyrábí chlorací jemně mletého hutního křemíku.
ve speciálním reaktoru. Příměsi nebo nečistoty se odstraňují ve formě chlorové soli.
Si + 2Cl → SiCl4
Následující reakce vedou k plynnému trichlor-silanu:
SiCl2 + HCl → SiHCl3
Plyn se pak dále čistí, přičemž se odstraní zbývající tetrachlorsilan a další silany. Po čištění následuje redukce ve vodíkové atmosféře při 950 °C:
4SiHCl3 + H2 → 2Si + SiCl4 + SiCl2 +6HCl
Kromě čistého křemíku vede postup k řadě vedlejších produktů. Jejich původ je plynný a kondenzují mimo reaktor. Uvedený příklad znázorňuje jeden z možných způsobů výroby čistého křemíku. Existují i jiné způsoby výroby s různými chemickými reakcemi, ale konečný produkt je stejný – čistý křemík.
Reaktor na výrobu surového křemíku a proces krystalizace křemíku
Výroba polykrystalického křemíku
Postup extrakce čistého polykrystalického křemíku z trichlor-silanu. lze (mimo jiné) provádět ve speciálních pecích vyvinutých společností Siemens. Pece jsou zahřívány elektrickým proudem, který protéká (ve většině případů) křemíkem.
elektrodami. Elektrody o délce 2 m mají průměr 8 mm. Proud protékající elektrodami může dosahovat až 6 000 A. Stěny pece jsou navíc opatřeny elektrickým proudem chlazeny, což zabraňuje vzniku nežádoucích reakcí způsobených vedlejšími plynnými produkty. Výsledkem postupu je čistý polykrystalický křemík, který se používá jako surovina pro pro výrobu solárních článků. Polykrystalický křemík lze z křemíku získat následujícím způsobem zahřátím na teplotu 1 500 °C a následným ochlazením na teplotu 1412 °C, což je těsně nad teplotou 1 500 °C tuhnutí materiálu. Chlazení je doprovázeno vznikem ingotu polykrystalického křemíku s vláknitou strukturou o rozměrech 40x40x30 cm.
Struktura polykrystalického křemíku v části materiálu je ustálená, avšak není přizpůsobena struktuře druhé části.
Monokrystalický křemík
K výrobě monokrystalického křemíku se používají dva různé technologické postupy.
křemíku z čistého křemíku:
Využitím Czochralského metoda [1], křemík se extrahuje z taveniny v indukční peci s grafitovou vyzdívkou při teplotě 1415 °C. Křemík s definovanou orientací je umístěn na tyči. V tavenině se tyč otáčí krystal roste. Rychlost otáčení tyče je 10 až 40 otáček za minutu, zatímco délkový pohyb se pohybuje v rozmezí 1 μm a 1 mm za sekundu. Umožňuje výrobu tyčí, které mají průměr 30 cm a několikanásobně větší průměr metrů na délku. Vše probíhá v inertní atmosféře. Možné nečistoty hoří
nebo se vyloučí v tavenině.
Použití plovoucí zóna monokrystalický křemík se vyrábí z polykrystalického křemíku. Hlavní výhodou tohoto postupu je vyšší produkce čistého křemíku. Křemík Křemíkové tyče měří 1 m na délku a 10 cm v průměru.
Postup, při kterém indukční ohřívač prochází podél tyče tavící křemík, probíhá rovněž v inertní atmosféře. Monokrystalický křemík pochází z chlazení. Monokrystalické nebo polykrystalické křemíkové ingoty se poté rozřežou a z nich se vyrobí
plátky zpracovávají, dokud nemohou sloužit jako základ pro výrobu solárních článků.
Řezáním se ztrácí přibližně 50 % materiálu.
Amorfní křemík
Amorfní křemík se vyrábí ve vysokofrekvenčních pecích v částečném vakuu. Za přítomnosti vysokofrekvenčního elektrického pole se plyny jako silan, B2H6 nebo PH3 jsou vháněny do pecí, které dodávají křemík s bórem a fosforem.
Arzenid galia (GaAs)
GaAs se používá k výrobě solárních článků s vysokou účinností. Často se používá v koncentrovaných fotovoltaických systémech a vesmírných aplikacích. Jejich účinnost je až až 25 % a při koncentrovaném slunečním záření až 28 %. Speciální
typy mají účinnost přes 30 %.
Kadmium-tellurid (CdTe)
Tenkovrstvý materiál vyrobený nanášením nebo rozprašováním je slibný materiál s nízkým obsahem základ pro budoucí fotovoltaické aplikace. Tento postup nevýhodou je jedovatý materiál používaný při výrobě. Účinnost laboratorních solárních článků je až 16 %, zatímco účinnost komerčních typů je až 8 %.
Diselenid mědi a india (CuInSe)2, CIS)
Tenkovrstvý materiál s účinností až 17 %. Materiál je slibný, ale kvůli specifickým výrobním postupům není široce používán.
Krystalické křemíkové solární články
Do této skupiny patří polykrystalické i monokrystalické solární články. Základní formou pro výrobu krystalických solárních článků je křemíkový ingot (prosím viz popis výrobního postupu výše). Ingot (blok křemíku), řezaný diamantovou pilou na tenké křemíkové destičky, je základem pro solární články pro výrobu solárních článků. Plátky o tloušťce 1 mm řezané s přesností na 1/10 mm jsou umístěny do mezi dvě půdorysně rovnoběžné kovové desky, které se otáčejí do opačných směrů. Tento postup umožňuje nastavení tloušťky plátků s přesností na 1/1000 mm.
Křemík před řezáním, řezané destičky a destičky připravené k dodání
Dopované destičky se nejprve vyleptají do hloubky několika mikrometrů. Tímto postupem se odstraní nepravidelnosti krystalové struktury způsobené řezáním a zajišťuje čištění destiček. Materiál se dopuje jako tavenina při polykrystalickém křemíku nebo se přidá odpovídající plyn při extrakci čistého křemíku. Po výše uvedeném postupu následuje difúze. Fosfor, který je dodáván uvnitř v plynné formě, difunduje při teplotě 800 °C. Vrstva dopovaná Na oxidová vrstva bohatá na fosfor se tvoří na vrchní straně destiček v důsledku reakce s kyslíkem. Plátky se poté složí do tvaru krychle a vyleptají se v kyslíkové plazmě, čímž se odstraní vrstva N z okrajů.
V následující fázi se z horní části destičky odstraní vrstvy oxidů mokrým chemickým leptáním. Na zadní straně se vytvoří kontaktní povrch ze stříbra obsahujícího 1 % hliníku. Speciální postupy umožňují tisk stříbra přes masku na povrch článku.
Vylisované články se poté slinují při vysokých teplotách. Podobným postupem se tisknou kontakty na přední povrch článku. Podobným způsobem se nanáší antireflexní vrstva. Máme titanovou pastu na která při spékání tvoří oxid titaničitý TiO2 nebo křemík nitridu Si3N4.
Solární kalkulačka
Fotovoltaické technologie FAQs
1. Jak fotovoltaické technologie fungují?
Fotovoltaické technologie přeměňují sluneční záření na elektrickou energii pomocí fotovoltaických článků. Tyto články obsahují polovodičové materiály, které uvolňují elektrony při interakci se slunečními fotony. Tyto uvolněné elektrony jsou následně zachyceny a usměrněny do obvodů, kde se mohou dále využít jako elektrický proud.
2. Jaké jsou hlavní výhody fotovoltaických technologií?
Fotovoltaické technologie mají několik výhod:
- Obnovitelná a čistá forma energie
- Snížení závislosti na fosilních palivech
- Mají dlouhou životnost a nízké provozní náklady
- Schopnost výroby elektřiny i v malém měřítku
- Nemají žádné pohyblivé části, takže jsou téměř bezúdržbové
3. Jak se fotovoltaické technologie instalují?
Instalace fotovoltaických technologií zahrnuje několik kroků:
- Výběr vhodného umístění pro instalaci slunečních panelů
- Příprava povrchu a instalace nosných konstrukcí pro panely
- Montáž a připojení solárních panelů k elektrickému systému
- Zajištění vhodného propojení a ochrany systému
- Plánování a provádění pravidelné údržby systému
4. Jaký je potenciál fotovoltaických technologií v České republice?
Česká republika má vysoký potenciál pro využití fotovoltaických technologií díky dostatečnému slunečnímu záření a podpoře ze strany státu. Instalace solárních panelů na střechách budov, průmyslových objektech a pozemcích může významně přispět k snížení emisí skleníkových plynů a produkci ekologické elektřiny.
ZDARMA – cenová nabídka na fotovoltaiku
Díky, že jste dočetli až sem. Doufám, že se článek aspoň trošku líbil a přečtete si i některé další články na našem webu.
Ahoj, jsem David, odborník na solární panely a fotovoltaiku. Původem jsem z USA, ale již šest let žiji v České republice. Mám rád solární energii a jsem hrdý na to, že mohu přispět k udržitelnější budoucnosti tím, že pomáhám s vývojem a instalací solárních systémů.
