Přeměna solární energie

Fyzikální základ

Polovodičová dioda s PN přechodem je známý polovodičový prvek. Jeho voltampérová charakteristika ve tmě je (obr. 1)

equation 1
kde I je proud protékající diodou, Io je závěrný proud diody, U je napětí, k je Boltzmannova konstanta, T je teplota a a je součinitel ideálnosti diody, e je základ přirozeného logaritmu e = 2,71 (obr. 1) [1].
Figure 1
Obr. 1 Závislost proudu na napětí polovodičové diody s PN přechodem za tmy.

Při osvětlení se dioda změní na zdroj elektromotorického napětí (a odpovídajícího zdroje proudu) εphoto~Iphoto, které vzniká vlivem ozáření diody, takže voltampérová charakteristika (I-U) se změní na tvar

equation 2
a odpovídající I-U charakteristiky při ozáření pro tři světelné intenzity L jsou na obr. 2. Převod solární energie na elektrickou je složitý fyzikální děj. Účinnost převodu solární energie na elektrickou, nebo i poměr elektrického výkonu Pel = Im Um odvozeného z článku (Im a Um jsou proud a napětí fotovoltaického článku pro maximální výkon do vnější zátěže) a Prad je výkon dopadajícího slunečního záření, definovaný
equation 3
Figure 2
Obr. 2 Příklad I-U charakteristiky reálného fotovoltaického článku s intenzitou záření – 0.4 L, 0.7 L a 1.0 L. Isc je proud nakrátko, Uoc je napětí naprázdno, Um a Im je proud a napětí odpovídající maximálnímu elektrickému výkonu článku Pm

Účinnost převodu může být vyjádřená pomocí parciálních (částečných) účinností

equation 4
kde ηr = Pabs/Prad = 0,70 je poměr výkonu odraženého záření k výkonu dopadajícímu (s průměrnou odrazivostí křemíku R = 0,30 [1]), ηe = 1-T/Ts je účinnost Carnotova tepelného cyklu, kde T = 300 K a Ts = 6000 K jsou teploty okolí a teplota Slunce, ηe = 1- T/Ts = 0,95; ηp = 0,42 [2] je příspěvek k účinnosti vlivem nepřizpůsobení se křemíku spektru slunečního záření (obr. 3), Z obr. 3 je vidět a je z něho zřejmé, že optimální materiál pro sluneční přeměnu je polovodič CdTe, případně amorfní křemík a-Si) a ηel je příspěvek k účinnosti, daný kumulativními elektronickými parametry fotovoltaického článku, určený vztahem
equation 5
kde Isc je proud článkem krátce ovlivnitelný hlavně optimalizací transportních vlastností, pohyblivostí, dále tvarem článku a strukturou aktivní vrstvy, Uoc je napětí naprázdno ovlivnitelné výběrem materiálu a FF je tzv. faktor plnění fotovoltaického článku, daný kvalitou kontaktů a morfologií materiálu a je závislý na odporu aktivní polovodivé vrstvy (obr. 3). Účinnost současných fotovoltaických článků se pohybuje od 1-30 %.
Figure 3
Obr. 3 Závislost teoretické účinnosti fotovoltaických článků na šířce zakázaného pásu ΔW polovodiče, kde C-Si- je krystalický křemík, a-Si amorfní křemík

Platí důležitý vztah mezi proudem článku nakrátko Isc a napětím naprázdno Uoc

equation 6

a optimálním odporem zátěže

equation 7

Literatura

  1. R. Bonnefille and J. Robert, Principes generaux des convertisseurs directs d energie, Dunod, Paris, 1971.
  2. J. R. Chelikowsky and M. L Cohen.: Phys. Rev. B14, 2 556-582 (1976).
Graph

Autor studijního textu: Prof. Dr. František Schauer, Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně