Přeměna solární energie
Fyzikální základ
Polovodičová dioda s PN přechodem je známý polovodičový prvek. Jeho voltampérová charakteristika ve tmě je (obr. 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].
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
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
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
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
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 %.
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
a optimálním odporem zátěže
Literatura
- R. Bonnefille and J. Robert, Principes generaux des convertisseurs directs d energie, Dunod, Paris, 1971.
- J. R. Chelikowsky and M. L Cohen.: Phys. Rev. B14, 2 556-582 (1976).
Autor studijního textu: Prof. Dr. František Schauer, Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně
