Vznik elektrickej energie zo slnečného žiarenia

Metodiku ,ktorá umožňuje priamu premenu slnečného žiarenia na energiu elektrickú pomocou fotoelektrického javu nazývame fotovoltaika. Tento efekt je známi už od roku 1839 , kedy bol popísaný francúzskym fyzikom A. E. Becqerelom , otcom Henriho B., objaviteľa rádioaktivity. Princíp tohoto javu však nedokázal vysvetliť. Až Albertovi Einsteinovi sa podarilo v r.1905 jav vyložiť, za čo dostal roku 1922 Nobelovu cenu za fyziku. Rozoznávame dva fotoefekty : vnútorný a vonkajší .Žiarenie má dvojitý charakter, tj . charakter vlnenia a súčasne charakter častíc. Tokom častíc s určitou vlnovou dĺžkou sa prenáša energia daná vzorcom :

E=h.f=(h.c)/lambda

Pričom :

  • E= energia(joule)
  • f= frekvencia(Hz)
  • h= Planckova konštanta( )
  • c= rýchlosť svetla vo vákuu
  • lambda= vlnová dĺžka(m)

lambda=1240/E

Takto môžeme z vlnovej dĺžky žiarenia, vypočítať energiu jeho kvánt a naopak.

Vonkajší fotoelektrický jav má veľký fyzikálny význam ,pre výrobu elektrickej energie však nie je vhodný. Používa sa na registráciu svetelných tokov, hlavne slabých, pomocou fotoniek, alebo fotonásobičov. Účinnosť premeny žiarenia na energiu elektrónov je v tomto prípade veľmi malá, pohybuje sa v oblasti stotín percenta. Pri tomto type javu sa z povrchu látky uvoľňujú elektróny, medzi tieto látky patria napr. alkalické kovy.

Pre priamu výrobu el. energie zo slnečného žiarenia sa hodí len vnútorný fotoefekt ,hlavne fotoefekt na hradlovej vrstve. Pri fotoefekte na hradlovej vrstve elektróny prebudené žiarením neopúšťajú látku, ale fungujú ako voľné nosiče náboja, ktoré vytvárajú elektrický prúd. Pre tento typ sa používajú, polovodiče s prímesami. Najčastejšie sa používa kremík (Si) hlavne kvôli tomu, že je 2. najčastejšie sa vyskytujúci prvok na Zemi so zastúpením 26% , a že vykazuje výhodné fyzikálne a technologické vlastnosti .

Polovodiče a hradlový fotoefekt

Využitie fotoelektrického javu sa realizuje pomocou slnečných článkov, tj . polovodičových elementov, ktoré používajú ako materiál väčšinou kremík. Polovodiče sú látky ,ktoré nie sú ani čisté vodiče ,ani čisté nevodiče .Kladú prúdu určitý odpor . Najčastejšie sa používa kremík, ako základný materiál nie len v slnečných článkoch ,ale i ako základ celej modernej mikroelektroniky. Jeho svetová produkcia je asi 600 000 ton ročne , na výrobu polovodičov sa použije len 1% celkovej produkcie. Kremík používaný v mikroelektronike musí byť supračistý so stupňom čistoty desať na mínus ôsmu, pre výrobu solárnych článkov stačí stupeň od desať na mínus druhú až po mínus piatu .

Pri nízkych teplotách sa polovodiče správajú ako nevodiče, ale s rastúcou teplotou sa zvyšujú kmity atómov v kryštály. Niektoré väzby medzi atómmi môžu byť prerušené .Tam , kde sa uvolnil volný elektrón, vzniká zároveň diera, ktorá sa chová ako volný nosič prúdu. Čistý kremík tak získava pri vyššej teplote elektrickú vodivosť ,ktorú označujeme ako ,,vlastnú vodivosť“. Pri zvyšovaní teploty prirodzene táto vodivosť rastie, pretože sa zvyšuje počet prerušených väzieb. Vlastná vodivosť polovodičov môže byť vyvolaná aj ožiarením, pričom dochádza k vnútornému fotoelektrickému javu.

Pritom vznikajú volné nosiče oboch druhov, ktoré zvyšujú vodivosť materiálu. Keď pripojíme k takémuto materiálu batériu, dôjde k transportu náboja a obvodom preteká prúd. Žiarenie teda podporuje vznik tohoto prúdu, ktorý je v podstate zaisťovaný batériou. Priama premena slnečnej energie na elektrický prúd tu vlastne nenastáva. Aby pôsobením žiarenia mohli vznikať volné náboje, musí energia dopadajúcich kvánt stačiť na to aby prekonala energetický rozdiel E medzi valenčným pásmom a vodivostným pásmom polovodiča. Existuje tu teda určitá hraničná vlnová dĺžka a s tým spojená farba svetla, ktorá určuje, či v danom prípade môže efekt nastať alebo nie. Nasledujúca tabuľka ukazuje príslušné hodnoty pre niektoré polovodiče.

Jednoduche zapojenie

Vysoko čistý kremík je materiál s pomerne veľkým merným odporom ,a preto nie je vhodný pre výrobu polovodičových elementov. Je treba materiál znečistiť (dotovať) určitým cudzím atómom, aby získal požadované elektrické vlastnosti. Dotácia sa realizuje určitými prvkami a mení sa podľa toho aké vlastnosti má mať výsledný produkt. Pri izbovej teplote má Si vlastnú vodivosť asi desať na trinástu/cm^(3) nosičov náboja, vplyvom dotácie sa ich koncentrácia môže zmeniť na - od desať na pätnástu až na devetnástu/cm^(3) pri množstve asi jeden atóm prímesi na 1 000000 atómov Si. Dotované polovodiče nazývame prímesové polovodiče. Pri tomto type je vplyv teploty na vodivosť nízky, až pri určitej teplote sa začínajú uvoľňovať valenčné elektróny a vplývajú na odpor zariadenia, tým je daná najvyššia, prípustná, pracovná teplota(pre kremík je to 150^(o)C).Polovodiče typu N majú nadbytok elektrónov, nazývame ich aj donory, naopak typ P má nadbytok dier, nazýva sa akceptor.

Ako kremík typu P, tak i typu N vykazuje sám o sebe ohmický odpor. Situácia sa však podstatne zmení keď sa tieto dva materiály P a N dotýkajú. Vznikne medzi nimi hraničná vrstva s dôležitými vlastnosťami. Volné nosiče v oboch oblastiach môžu materiálom voľne difundovať. Hraničná oblasť bude mať nedostatok volných nosičov prúdu a bude mať väčší merný odpor, túto vrstvu tiež nazývame hradlová vrstva. Pôsobením svetla v oblasti hradlovej vrstvy prechodu P-N vzniká na základe hradlového fotoefektu fotoelektrické napätie, ktoré pri uzavretí elektrického obvodu vyvolá fotoprúd. Energia svetla sa tak priamo mení na elektrickú energiu.

PN prechod

Výroba supračistého kremíku

Základom výroby je metalurgický kremík s čistotou asi 98% vyrábaný redukciou oxidu z piesku a uhlia v oblúkových peciach. Pri tomto procese sa použije najväčšia časť energie potrebnej na výrobu slnečných článkov. Pritom sa kremík láme na zrniečka s priemerom asi 0,5mm a privádza sa k exotermickej reakcii s chlorovodíkom, pri ktorej vzniká trichlorsilan (SiHCl3),kvapalina, ktorá pri teplote 31^(o)C vrie a opúšťa reakčný priestor vo forme pár. Mnohonásobnou destiláciou sa čistí do vysokého stupňa čistoty a vedie sa spolu s vodíkom do reaktoru, kde sa vylučuje ako horúci čistý kremík .Dodáva sa vo forme tyčí s dĺžkou vyše 1m a hrúbkou do 20cm.Tie sa režú na platničky s hrúbkou 0,5mm a rozmermi 10x10cm.Ďalším krokom pri výrobe je povrchová úprava kremíkových doštičiek pomocou leptania, ktorá sníma z povrchu vrstvu asi 10 až 20?m a tým odstraňuje povrchové defekty, ktoré sa pri rezaní vždy tvoria.

.. :: Posledná aktualizácia prebehla: 17.8.2005 :: .. .. :: Peter Vaňko Copyright 2oo5 :: ..