Fotovoltaický jev je klíčovým principem, na kterém jsou založeny fotovoltaické panely a solární elektrárny. Jde o proces, při kterém fotovoltaické články (nejčastěji vyrobené z křemíku) přeměňují světlo přímo na elektřinu.

Tento jev byl poprvé objeven v 19. století, ale jeho praktické využití ve formě solárních panelů začalo nabývat na významu až ve 20. století. Základem pro fotovoltaický jev jsou polovodičové materiály (právě z křemíku), které mají schopnost absorbovat fotony a uvolnit elektrony, čímž vzniká elektrický proud.

Fotovoltaický jev představuje jednu z variant vnitřního fotoelektrického efektu. Tento termín je odvozen ze dvou slov: φώς, což je řecké slovo pro světlo, a volt, což je jednotka elektrického napětí.

Samotný fotovoltaický jev byl poprvé zaznamenán Williamem Gryllsem Adamsem a Richardem Evansem Dayem v roce 1876. V jejich experimentu vznikl PN přechod mezi selenem a platinou. Ačkoliv se často mylně přisuzuje objev fotovoltaického jevu Alexandru Edmondu Becquerelovi, on ve skutečnosti objevil “pouze” vnější fotoelektrický jev. U tohoto jevu světlo nevytváří napětí, ale mění proud, který je generován vnějším napětím mezi dvěma elektrodami ponořenými do roztoku.

Princip fotovoltaického jevu

Základem fotovoltaického jevu je vytvoření elektrického napětí nebo proudu v materiálu po absorpci světla. Když foton světla dopadne na fotovoltaický článek, může jeho energie vyrazit elektron z atomu křemíku, čímž vznikne volný elektron a jeho “díra” (místo, odkud elektron pochází). Tento pohyb volných elektronů a děr vytváří elektrický proud, který lze zachytit a použít k vytvoření elektrického proudu, který může být veden do elektrické sítě nebo ukládán do baterií pro pozdější použití.

Proč se využívá křemík u polovodičů?

Křemík se ukazuje jako ideální materiál pro výrobu fotovoltaických článků, nejen díky své hojnosti na Zemi a vysokému stupni technologického zpracování v mikroelektronice (různými metodami je dnes možno získat křemíkové krystaly nepředstavitelné čistoty – až 99,99998 %), ale také díky svým fyzikálním vlastnostem. Tyto vlastnosti umožňují efektivní generaci volných nosičů náboje díky malé šířce zakázaného pásu.

Grafická ukázka principu fotovoltaického jevu

Zásadní pro přeměnu světelné energie na elektrickou jsou fotony s dostatečnou energií, která umožňuje uvolňování elektronů z krystalové mřížky křemíku. Klíčovým prvkem solárního článku je pak přechod PN, který vytváří elektrickou bariéru mezi polovodiči typu N a P a zabraňuje volnému pohybu elektronů, čímž umožňuje akumulaci elektrického napětí.

Světlo dopadající na fotočlánek uvolňuje elektrony, které se nahromadí ve vrstvě polovodiče typu N a vytvářejí elektrický proud, pokud mezi horní a spodní kontakt připojíme spotřebič. Tím se světelná energie přeměňuje na elektrickou energii, která může být využita k pohonu různých zařízení.

Navzdory teoretickým možnostem přeměny až 50 % energie dopadajícího světla na elektřinu, praktická účinnost dosahuje maximálně polovičních hodnot (přestože efektivita solárních panelů, tj. schopnost přeměnit světlo na elektřinu, se postupně zlepšuje díky vývoji nových materiálů a technologií). Vlivem různých faktorů, včetně ztrát teplem při absorpci fotonů s větší energií než je potřeba pro uvolnění elektronu, je účinnost omezena. Přesto, s využitím křemíku jakožto dominantního materiálu pro výrobu fotočlánků, představuje fotovoltaika slibnou technologii pro využití obnovitelných zdrojů energie.

Jak se využívá fotovoltaický jev u solárních panelů a fotovoltaických elektráren?

Fotovoltaický jev je prakticky využíván v rámci solárních panelů, které jsou sestaveny z mnoha fotovoltaických článků (vyrobených nejčastěji z křemíku) spojených dohromady, aby se tak zvýšila produkce elektrické energie. Tyto panely jsou umístěny na střechách domů, na volných plochách nebo jako součást velkých solárních elektráren, kde přeměňují sluneční světlo na elektřinu.

Co je ještě důležité vědět o fotovoltaickém jevu?

• Pro vznik fotovoltaického efektu je nezbytné, aby energie fotonu dosahovala minimálně 1,12 eV.
• Jestliže energie fotonu tuto hodnotu nesplňuje, projde skrz křemík bez jeho absorpce.
• V případě, že foton disponuje energií právě 1,12 eV, dojde k jeho pohlcení křemíkem, což vede k vytvoření jednoho volného elektronu a jedné pozitivní díry v krystalové struktuře.
• Fotony s vyšší energií než je potřeba, vedou k tvorbě elektronu a díry, přičemž nadbytečná energie se mění na teplo, což způsobuje ohřátí polovodiče a představuje energetické ztráty, o kterých se často právě i u fotovoltaiky tak často mluví, protože tepelné ztráty snižují efektivitu přeměny energie.
• Přibližně 99 % fotočlánků používaných po celém světě je vyrobeno z křemíku.
• Teoreticky může fotočlánek přeměnit na elektřinu až 50 % energie dopadajícího světla, avšak v praxi je dosahována maximálně poloviční účinnost.
• Výkon fotovoltaického panelu o rozloze 1 m² může v podmínkách našeho klimatu dosáhnout až 150 W.