Solární energetika aneb na návštěvě v křemíkovém nebi

Každý ví, že sluníčko svítí a hřeje, rostlinkám dá vyrůst, lidem kouzlí úsměvy na tvářích… to je ale něžností, fuj, dost s tím… Slunce je jaderný reaktor. Vlivem gravitační síly se v něm slučují atomy vodíku za vzniku atomů hélia a radioaktivního záření, které se šíří do okolí a které láskyplně nazýváme slunečním svitem.

Energii ze Slunce umíme naštěstí zachytit a přeměnit v energii elektrickou, která je pro naše civilizační potřeby nezbytně nutná. Získat takovou energii můžeme díky skutečnosti, že při dopadu elektromagnetického záření na povrch některých látek se uvnitř těchto látek uvolňují elektrony, nositelé elektrického proudu. Tento jev byl nazván fotoelektrickým jevem a byl zpozorován a popsán již v 80. letech 19. století. Pořádně vysvětlit se jej podařilo až Albertu Einsteinovi v roce 1905 za pomoci kvantové teorie.

No a jak už to u důležitých objevů bývá, jsou obvykle přetaveny do praktické podoby, v našem konkrétním případě do solárních článků, zařízení pro zachytávání slunečního svitu. Jako základní materiál pro jejich výrobu byl demokraticky zvolen křemík, díky své dostupnosti a polovodivým vlastnostem - to znamená, že při dodání určitého množství energie (teplem, světlem) vede křemík elektrický proud, jinak ne. Je uspořádán do krystalických mřížek a každý jednotlivý atom se drží „čtyřmi pažemi“, tzv. valenčními elektrony. Jsou to ty nebohé elektrony, pohybující se v nejsvrchnější vrstvě atomového obalu, které mají důležitý úkol – zachytit nějakého jiného pracanta z jiného atomu a vytvořit s ním chemickou vazbu.

Solární článek je ve své podstatě sérií polovodičových diod. Základem diody jsou dvě tenké vrstvičky křemíku – jednou s vodivostí typu N a podruhé s vodivostí typu P. Obě vrstvy jsou odděleny tzv. přechodem„P-N“. Toto podivuhodné šifrování je dobře známo elektrotechnikům a domácím kutilům. Jde o to, že křemík se nepoužívá čistý, ale s příměsí, aby byl počet valenčních elektronů jiný než čtyři a součástka byla efektivnější.  

Vodivostí N se myslí stav, kdy jsou v krystalu křemíku některé atomy nahrazeny atomy s pěti valenčními elektrony, např. fosforem či arsenem. Čtyři jejich elektrony se účastní vazeb, ale páté se už v chemických vazbách neuplatní a jsou tak trochu navíc. Naopak vodivost typu P je umožněna tehdy, zabudují-li se do krystalové mřížky křemíku atomy prvku s pouhými třemi valenčními elektrony, např. india. Elektrony pak pro obsazení všech chemických vazeb chybí a v místě nenasycené vazby vznikne "díra" s kladným nábojem, kterou může zaplnit elektron z některé jiné vazby.

Máme tedy polovinu diody, v níž je nadbytek elektronů, a druhou polovinu s nedostatkem elektronů. Osvětlením článku pak vznikne v polovodiči vnitřní fotoelektrický jev - světelná energie začne vyrážet z krystalové mřížky (N) elektrony, které putují přes přechod P-N na druhou stranu barikády, kde obsazují prázdná místa, tzv. „díry“ (P), které se díky tomu „pohybují“. Na přechodu P-N se vytvoří elektrické napětí, které dá za vznik elektrickému proudu a ten dá zas smysl našim životům. No a pak už ke spokojenosti zbývá jen začít čerpat dotace…

Víte, že

> AlbertEinstein získal Nobelovu cenu nikoliv za svou nejslavnější práci, Teorii relativity, ale právě za objasnění fotoelektrického jevu?

> první solární článek byl sestrojen v roce 1883 americkým vynálezcem Charlesem Frittsem, který potáhnul polovodivý selen velmi tenkou vrstvou zlata? Jeho zařízení mělo tehdy účinnost pouhé jedno procento.

> dnešní solární články jsou přece jen o něco výkonnější? Ještě před 10 lety se účinnost pohybovala kolem 11 %, v současné době jsou dostupné panely s účinností 15 až 20 %. Vývojové laboratoře v USA již prý disponují zařízením s účinností téměř 40 %. Uvidíme, co přinese budoucnost.

Autor: Ing. Martin Pém, martin.pem@synthesia.eu