Jak se vyrábějí solární panely?

Solární energie je superhvězdou všech dostupných obnovitelných zdrojů energie. V posledních několika letech se dostala do popředí zájmu jako nejlevnější dostupný zdroj energie. Na rozdíl od jiných zdrojů energie je solární energie levná, dostupná v hojném množství a hlavně je to nejlepší dostupná „zelená energie“.

O solární energii, jejím využití, výhodách a nevýhodách toho bylo napsáno již tolik, ale málokdo ví o technologii, díky níž je solární energie tak účinná, tj. o solárních panelech.

Právě vynález technologie solárních panelů vedl k revoluci této obnovitelné technologie. Lidé znají význam slunce již mnoho staletí, ale teprve před několika desetiletími jsme dokázali využít energii, kterou tato ohnivá koule nabízí. A to vše díky vynálezu solárních panelů.

Dnes vám tedy řeknu vše, co potřebujete vědět o solárních panelech. Třeba o historii solárních panelů, o tom, jak se solární panely vyrábějí, o výrobním procesu atd.

Tento ultimátní průvodce obsahuje všechny informace týkající se solárních panelů & jejich výrobního procesu. Informace jako např:

• Co jsou solární panely? (Jak to funguje?)
• Historie solárních panelů
• Materiály používané při výrobě solárních panelů
• Výrobní proces solárních panelů
• Kontrola kvality
• Budoucnost solární energie

Co jsou solární panely? (Jak to funguje?)

Zjednodušeně řečeno, solární panely fungují jednoduše tak, že umožňují interakci fotonů s elektrony přítomnými v solárních panelech a vytvářejí tok elektrické energie. Solární panely se vyrábějí pomocí fotovoltaických materiálů (Fotovoltaické materiály nejsou nic jiného než články, které přeměňují sluneční světlo na elektřinu).

Historie solárních panelů (Jak se vyvíjela výroba solárních panelů?).

Díky objevům různých vlastností světla se solární panely staly tím, čím jsou dnes. Přestože sluneční energii efektivně využíváme až v posledních šesti desetiletích, vynález solárního panelu je starý 200 let. Zde je uvedena chronologie, podle které se solární panely vyvíjely:

Rok 1839: objev fotovoltaického efektu

Francouzský vědec Edmond Becquerel poprvé objevil fotovoltaický efekt v materiálech v roce 1839. K tomuto jevu dochází, když je fotocitlivý materiál vystaven slunečnímu záření a výsledná interakce vytváří elektrické napětí.

1873 – 1876: Objevení fotovodivosti selenu

V roce 1873 objevil britský elektroinženýr fotovoltaický efekt selenu, což znamená, že selen může při působení slunečního světla vyrábět elektřinu. O tři roky později, v roce 1876, William Grylls Adams a Richard Evans Day zjistili, že selen může vyrábět elektřinu bez jakéhokoli tepla nebo mechanického pohybu. Na rozdíl od jiných konvenčních zdrojů energie, jako jsou – uhlí a paliva.

1883: Vyroben první solární panel

Newyorský vědec Charles Fritts vyrobil první solární panel tak, že fotovodivý selen pokryl tenkou vrstvou zlata. Vyrobený solární panel měl účinnost 1 %. To znamená, že solární panel dokázal přeměnit 1 % celkové sluneční energie, která na něj dopadala, na elektřinu. Moderní solární panely mají účinnost 15-20 %.

1887: Pozorování fotoelektrického jevu

Německý fyzik Heinrich Hertz poprvé pozoroval fotoelektrický jev, při kterém se pomocí světla uvolňují elektrony do vakuového prostoru a vzniká elektřina. Na rozdíl od fotovoltaického jevu, kdy elektrony vstupují do jiného materiálu a vytvářejí elektřinu. Později v roce 1905 byla Albertu Einsteinovi za vysvětlení fotoelektrického jevu udělena Nobelova cena. Moderní solární panely využívají k výrobě elektřiny koncept fotoelektrického jevu.

1953 – 1956 – vyrobeny první komerční solární články.

V roce 1953 Bellovy laboratoře zjistily, že křemík má lepší účinnost než selen, a vyrobily tak první solární panel s účinností 6 %. V roce 1956 začaly západní elektrické společnosti komerčně licencovat své fotovoltaické technologie.

1958: Solární panely se začaly používat v kosmické technice

Po letech experimentů a nesčetných snah o komerční zpřístupnění solárních panelů se konečně v roce 1958 podařilo prosadit solární energii, když se rozhodli pomocí solárních panelů napájet oběžnou dráhu ve vesmíru. To otevřelo cestu k dalšímu výzkumu a snížení výrobních nákladů na panely.

1995: Vyrobeny první zasouvací solární panely pro obytné vozy.

Solární energie se začala prosazovat i v dalších odvětvích, Thomas Faludy podal patent na první vyrobenou výsuvnou markýzu s integrovanými solárními články. Jednalo se o jeden z prvních případů, kdy byly solární panely použity v rekreačních vozidlech.

1996-2005 – Účinnost solárních panelů dosáhla nové úrovně.

Se zdokonalováním solárních technologií dosáhla účinnost solárních panelů nové úrovně. Střešní solární systémy pro obytné domy se staly populárními a výroba solárních panelů se rozšířila ve velkém měřítku.

Materiály používané při výrobě solárních panelů

Suroviny –

Křemík je základním materiálem používaným při výrobě solárních panelů. Atomové číslo křemíku je v periodické tabulce 14, jedná se o nekov s vodivými vlastnostmi. Křemík se při těžbě ze zemské kůry nevyskytuje v čisté formě. Často se kombinuje s kyslíkem ve formě obsidiánu, žuly a pískovce. Křemík, který se nachází v solárních panelech, se získává redukcí. Při něm se oxid křemičitý zpracovává s uhlíkem, čímž se odstraní kyslík ve formě oxidu uhličitého a zůstane čistý oxid křemičitý v metalurgické formě.

Dále musí mít křemík používaný v solárních panelech vysoké procento čistoty. Křemík metalurgické kvality musí projít chlorovodíkem při extrémně vysokých teplotách a projít destilací. Aby se však získal konečný produkt solární kvality, prochází silikon procesem chemické rafinace. Při tomto procesu procházejí roztaveným křemíkem plyny, které odstraňují nečistoty, jako je bór a fosfor. V čisté formě se pak křemík pro solární účely zpracovává do válců zvaných ingoty, které se následně krájí na malé vodivé kousky, jež pohlcují sluneční světlo v solárních panelech.

Wafers &; Ingots –

Z ingotů se řežou různé typy destiček:- monokrystalické, polykrystalické a křemíkové pásky.

Monokrystalické destičky jsou tenkým řezem z válcového ingotu, což znamená, že mají pouze monokrystalickou strukturu. Diamantová pila používaná k řezání těchto destiček je rozřeže do kruhového tvaru, a protože tyto kruhové tvary do sebe nezapadají, jsou přetvořeny do tvaru obdélníku. Toto přetváření způsobuje velké ztráty materiálu. Je vyvíjeno úsilí o výrobu monokrystalických destiček bez plýtvání materiálem.

Polykrystalické destičky jsou ingoty vyrobené z více krystalových struktur. Destičky se vyrábějí z roztaveného křemíku nalitého do formy. Vzniká tak méně odpadu, protože lze získat požadovanou formu bez nutnosti přetváření. Polykrystalické destičky jsou méně účinné než monokrystalické destičky.

Křemíkové pásky jsou tenké pláty polykrystalického křemíku. Jsou tak tenké, že se nemusí krájet na plátky. Ačkoli jsou tenké listy neboli tenké vrstvy flexibilní, lze je použít zajímavými způsoby a jejich výroba je levnější, nejsou tak odolné jako destičky a vyžadují větší podporu než jiné struktury solárních panelů.

Dopanty –

Křemíkové destičky jsou sice hotové, ale ještě nejsou připraveny vést energii. Aby se staly dobrými vodiči, je třeba je zpracovat pomocí dalších dopantů (konkrétně fosforu a bóru). Destičky se zahřejí na vysokou teplotu a vloží se do vody. Poté se horní vrstva vystaví působení fosforu (negativní vrstva) a spodní vrstva působení bóru (pozitivní vrstva). Tato pozitivně-negativní vrstva zajišťuje správnou funkci solárních panelů.

Antireflexní vrstva –

Křemík přirozeně odráží sluneční světlo, a proto se přijaté sluneční světlo může ztratit, aniž by nám přineslo jakýkoli užitek. Aby se tento odraz minimalizoval, jsou křemíkové panely potaženy antireflexním nitridem křemíku. Ten dodává panelům modrou barvu, kterou vidíme ve sluneční soustavě.

Výrobní proces křemíkových panelů

Čištění křemíku

• Oxid křemičitý se vloží do elektrické obloukové pece. Kyslík se dodává pomocí uhlíkového oblouku. Vzniká oxid uhličitý a roztavený křemík. Tímto procesem se získá křemík s 1% příměsí. Aby bylo možné produkt použít v solárních panelech, musí být dále čištěn.
• Křemík o čistotě 99 % se čistí technikou plovoucí zóny. Tyčinka nečistého křemíku několikrát projde zahřátou zónou ve stejném směru. Na konci procesu se všechny nečistoty shromáždí na jednom konci, který lze odříznout, a získáme tak křemík ve 100% čisté formě.

Výroba monokrystalu křemíku

• Solární články jsou vyrobeny z krystalů křemíku. Nejčastěji používaný postup pro vytvoření krystalu se nazývá Czochralského metoda.. Při tomto procesu se do roztaveného polykrystalického křemíku ponoří krystal křemíku. Při odebírání a otáčení krystalu se vytvoří válcový ingot křemíku. Vyjmutý ingot je neobvykle čistý, protože v kapalině zůstávají nečistoty.

Výroba křemíkových destiček

• Křemíkové destičky se krájejí po jedné pomocí kotoučové pily. Při výrobě kruhové destičky se ztratí polovina materiálu. Poté se kruhové destičky rozřežou na obdélníkový tvar, protože je lze dokonale napasovat jako solární články a využít tak veškerý prostor, který je v solárních panelech k dispozici. Poté se hrubé hrany a
• vyhlazeny, aby solární panely získaly lepší estetický vzhled.

Doping

• Tradiční způsob dopování spočívá ve vnesení malého množství boru během Czozhralského procesu. Destičky se pak uzavřou zády k sobě a zahřívají se při teplotě 1400 stupňů Celsia za přítomnosti plynného fosforu. Když fosfor vytvoří zápornou vrstvu a bór kladnou, je solární článek připraven vést elektrony. Vzhledem k tomu, že spojení fosforu a bóru musí být rovnoměrně rozloženo, jsou provozní teploty pečlivě kontrolovány.

Vytvoření elektrického připojení

• Elektrické kontakty spojují jednotlivé solární články s ostatními a s přijímačem vyráběného proudu. Kontakty musí být velmi tenké, aby nebránily přístupu slunečního světla k solárnímu článku. Kovy, jako je stříbro, nikl nebo měď, se vakuově odpařují přes fotorezist, nanáší se sítotiskem nebo se pouze nanášejí na odkrytou část článků, které jsou částečně pokryty voskem.

• Po umístění kontaktů se mezi články umístí tenké proužky. Nejčastěji se používají měděné pásky potažené cínem.

Nanesení antireflexní vrstvy

• Křemík odráží 35 % dopadajícího slunečního světla, a proto musí být na křemíkovou destičku nanesena vrstva. Nitrid křemíku je komerčně nejpoužívanější antireflexní povlak. Plyn obsahující dusík reaguje s křemíkem za vzniku nitridu křemíku. Další metodou je nechat titan nebo křemík zahřívat, dokud materiál nezačne vřít a nekondenzuje, aby se dostal k molekule křemíku.

Zapouzdření solárního článku

• Solární panely jsou pak zataveny do silikonové pryže. Zapečetěná pryž je pak umístěna do hliníkového rámu s tedlarovou zadní fólií a skleněným nebo plastovým krytem.

Kontrola kvality solárních panelů

Kontrola kvality je důležitým aspektem výroby solárních panelů, protože ovlivňuje celkový výkon a účinnost solárního systému.

Získaný křemík se testuje na čistotu, odpor, orientaci. Výrobci solárních panelů také testují přítomnost kyslíku a oxidu uhličitého, protože ovlivňují jejich pevnost a odpor.

Při výrobě solárních panelů se přísně kontroluje teplota, tlak, obsah kyslíku ve vzduchu, množství a kvalita dopantů.

Solární panely se testují jak v ideálních podmínkách, tak v podmínkách, které nastanou v přirozeném prostředí, a na základě jejich výkonu se zaznamenává účinnost. Panely jsou také testovány na vibrace, teplo, vítr a krupobití.

Konečným testem je, když solární panely začnou fungovat v přirozeném prostředí, dostupné údaje se použijí k určení rozdílu mezi ideální a skutečnou očekávanou životností. Vzhledem k tomu, že solární energie představuje vysokou jednorázovou investici, hraje očekávaná životnost důležitou roli při rozhodování zákazníků.

Budoucnost solární energie

Vzhledem k současnému tempu, kterým se solární energie rozvíjí, můžeme oprávněně konstatovat, že solární energie je energií budoucnosti. Vzhledem k tomu, že fosilní paliva se rychle vyčerpávají, bude právě přijetí solární energie určovat budoucnost lidské společnosti. Vzhledem k tomu, že vláda prosazuje solární energii a vědci vynalézají nové technologie, můžeme říci, že budoucnost lidské společnosti, která bude stoprocentně závislá na sluneční energii, není daleko.