Princip fungování fotovoltaiky

Sluneční záření

Světlo jako vlnění

Sluneční energie je elektromagnetické záření o různých vlnových délkách. Ta část tohoto záření, která spadá do oblasti citlivosti oka, se nazývá světlo.

Oblast viditelného záření má vlnové délky od 390 nm do 790 nm, což odpovídá frekvencím 7,69 až 3,80.10¹⁴ Hz.

Kratší vlnové délky pak má ultrafialové záření (UV) a delší vlnové délky infračervené záření (teplo).

Spektrální složení

Jednotlivé vlnové délky jsou ve slunečním záření zastoupeny různě. Spektrální složení ve vesmíru bývá označováno jako AM0. Vlivem atmosféry se toto složení mění a na povrchu země hovoříme o rozložení AM 1,5.

Světlo jako částice

Protože duálním projevem vlnění je jeho částicový charakter, můžeme chápat světlo také jako tok částic - fotonů o různých energiích.

Energie částic se uvádí v elektronvoltech (1eV=1,602.10^-19 J). Fialovému světlu, které má kratší vlnovou délku, a tudíž vyšší frekvenci, odpovídají proto fotony s vyšší energií (3,18 eV). Červenému světlu, na druhém konci spektra, které má delší vlnovou délku, a tudíž nižší kmitočet, odpovídají fotony s nižší energií (1,57 eV).

Pro fotony ultrafialového záření, které má kratší vlnovou délku platí, že mají větší energii. Naproti tomu fotony infračerveného záření, které má delší vlnové délky, mají fotony menší energii.

Pro energii fotonů platí:

h - Planckova konstanta
ν - frekvence
c - rychlost světla
λ - vlnová délka

Struktura hmoty

Pásová teorie

Prostředím pro přeměnu fotonů na elektrickou energii je pevná látka. Vycházíme-li z křemíku, pak jak známo, se jedná o čtyřmocný prvek, u kterého tvoří elektronový obal atomu čtyři elektrony, z nichž dva jsou v prvním a dva v druhém orbitu. A právě tyto dva elektrony vytvoří se sousedním atomy kovalentní vazby, takže vzniknou velice stabilní osmice elektronů, které tvoří tzv. valenční pás. Aby pevná látka mohla vést elektrický proud musejí se některé elektrony uvolnit, a dostat se do tzv. vodivostního pásu. K tomu musí získat energii aby překonaly tzv.zakázaný pás (Band Gap), který leží mezi valenčním a vodivostním pásem. Tu mohou získat například teplem, ale také na základě fotoelektrického jevu.

Velikost zakázaného pásu je závislá na fyzikálních vlastnostech materiálu, zejména na mřížkové konstantě.

Podle velikosti zakázaného pásu v postatě rozdělujeme hmotu na vodiče, polovodiče a izolanty. Zatímco u vodičů se valenční a vodivostní pás překrývají, za polovodič považujeme látku se zakázaným pásem do 5eV. Látky s větším zakázaným pásem považujeme za izolanty.

Krystalová mříž

Pevné látky jsou tvořeny krystalickou mříží. Je-li látka absolutně čistá, hovoříme o monokrystalické struktuře. Základní pravidelné krystalické mříže vznikají u čtyřmocných prvků jako jsou uhlík, křemík nebo germanium.

Donory a akceptory

V čistém stavu materiál nevede elektrický proud protože všechny elektrony jsou součástí pevné krystalové mříže. Přimícháním nečistot vodivost roste. Hovoříme o dopování polovodičů.

Přimícháme-li do tohoto materiálu malé množství trojmocného prvku.

Související články

• Technologie a vývoj PV modulů