Fotovoltaika
Fotovoltaika (PV – angl. »Photovoltaics«) je mlada znanstvena veda in še mlajša gospodarska panoga, ki že dokazuje, da lahko pomembno pripomore k trajnostni oskrbi z električno energijo in pri tem ne obremenjuje okolja. Konec leta 2013 je bilo po svetu že 139 GW sončnih elektrarn.
Fotonapetostni sistemi pretvarjajo svetlobno energijo neposredno v električno energijo z izkoriščanjem fotonapetostnega pojava. Proces neposredne pretvorbe se vrši v raznovrstnih sončnih celicah, ki so povezane v fotonapetostni (PV) modul kot neločljiva celota. Učinkovitost pretvorbe svetlobne energije v električno je močno odvisna od tipa sončnih celic in pogojev delovanja. Razpon učinkovitosti pretvorbe sega od nekaj procentov pri najbolj cenenih celicah ali modulih pa do celo preko 40 % pri najbolj zahtevnih in najdražjih izvedbah.
Modularna zasnova fotonapetostnih generatorjev omogoča izdelovanje sistemov za oskrbo z električno energijo zelo različnih moči – od samo nekaj tisočink vata za zapestne ure do sistemov z nazivno močjo nekaj kW za samostojne porabnike, kot so na primer gorske koče, in celo do omrežnih fotonapetostnih sistemov, t. i. sončnih elektrarn, z nazivno močjo nekaj deset MW.
Fotovoltaika se razvija v obsežen, trajnostno naravnan in inovativen gospodarski sektor, ki tudi Sloveniji ponuja veliko priložnost za razvoj in prodor naprednih tehnologij izrabe obnovljivih virov energije.
Zgodovina
Sončne celice delijejo na osnovi fotonapetostnega pojava, ki ga je prvi opisal francoski fizik Edmond Becquerel leta 1839. Opazil je, da se napetost med elektrodama, ki sta potopljeni v elektrolit, poveča, če je srebrna plošča t.i. "mokre baterije" osvetljena. Prvo poročilo o fotonapetostnem pojavu v trdni strukturi iz selena sta objavila znanstvenika Adams in Day z Univerze v Cambridge-u leta 1877.
Prvo sončno celico z obetavnim 6-odstotnim izkoristkom so leta 1954 razvili Chapin, Fuller in Pearson v Bellovih laboratorijih na siliciju z difundiranim pn-spojem. Leta 1958 so sončne celice prvič uporabili na vesoljskem satelitu za napajanje radijskega oddajnika. Po nadaljnem optimiranju zgradbe in izboljšanju izkoristka v zgodnjih šestdesetih letih je uporaba sončnih celic za vesoljske aplikacije postala splošna. Za zemeljske aplikacije so se sončne celice zaradi previsoke cene pričele uporabljati šele v zgodnjih sedemdesetih letih, ko je bil dosežen pomemben dvig izkoristka pretvorbe silicijevih celic.
Danes fotovoltaika predstavlja eno izmed najhitreje rastočih tehnologij v svetu.
Fotonapetostni pojav
Fotovoltaika oziroma fotonapetostna pretvorba energije, je direktna pretvorba sončne energije v električno. Pretvorba sončne energije, ki jo nosijo fotoni, se dogaja v t.i. sončnih celicah. Sončne celice so v osnovi polprevodniške diode velikih površin zgrajene iz dveh različnih tipov polprevodniških plasti. Ena plast ima primesi donorjev, kar pomeni, da ima presežek elektronov. To plast imenujemo polprevodnik tipa n. Druga plast je tipa p in vsebuje primesi akceptorjev, kar pomeni, da ji primanjkujejo elektroni, oziroma ima presežek vrzeli.
Vlogo primesi (dopantov) se da najlažje razložiti pri siliciju. Silicij je štirivalenten kemijski element, v katerem se atomi medsebojno vežejo v kristal podobno kot pri diamantu. Če v strukturo vnesemo primesi fosforja, ki je petvalenten, ostane ena vez prosta in s tem en slabše vezani elektron. Pri dodajanju bora, ki je trivalenten, pa en elektron primanjkuje. Tako dobimo plasti tipa n in p, ki imata presežek oziroma primanjkljaj elektronov.
Ko ta dva tipa polprevodnika "staknemo" skupaj (slika 1), pride do difuzije nabojev preko stične površine. Te staknitve v praksi dejansko ne moremo izvesti, a nam pomaga pri lažjem razumevanju sončne celice. Elektroni iz polprevodnika tipa n pričnejo prodirati v polprevodnik p tipa, medtem ko vrzeli prodirajo iz polprevodnika tipa p v tip n. Tako ob robu spoja v polprevodniku tipa p nastane negativni prostorski naboj, v tipu n pa pozitiven. Ustvarjeni naboj povzroči električno polje, ki zavira nadaljnjo difuzijo delcev. Če nosilci ne bi imeli naboja in ne bi nastalo električno polje, bi delci prodirali tako dolgo, dokler ne bi bili enakomerno porazdeljeni po celotnem polprevodniku. Območje, kjer se poruši električna nevtralnost imenujemo prehodno (osiromašeno) področje ali področje prostorskega naboja. S priključitvijo zunanje napetosti na zgradbo z opisanim pn-spojem se zaviralno električno polje v prehodnem področju spreminja in skozi diodo lahko teče električni tok le v eni smeri.
V osvetljeni sončni celici se generirajo pari elektron-vrzel. Električno polje loči in povleče elektrone iz prehodnega področja v polprevodnik tipa n in vrzeli v polprevodnik tipa p. Elektroni in vrzeli se nato v nevtralnem delu polprevodnika s pomočjo difuzije premikajo proti kontaktoma. Ločitev elektronov in vrzeli povzroči napetostno razliko na kontaktih, ki ob priključitvi porabnika požene električni tok.
Sončne celice
Sončne celice so običajno silicijeve rezine s premerom 10-21cm, ki generirajo okoli 35mA/cm2 in 650mV enosmerne napetosti pri polni osvetlitvi. Za večino aplikacij so celice sestavljene v module z večjim številom celic, vezanih v serijo.
Trenutno so v proizvodnji štirje glavni materiali za sončne celice.
Fotonapetostni moduli
Več sončnih celic medsebojno povežemo in hremetično zapremo v modul. Leta 1997 je bilo 87% vseh modulov proizvedenih iz kristalnega silicija. Večinoma so bili je namenjeni za polnjenje 12V baterij, kar pomeni 36 v serijo vezanih celic. Danes imajo moduli, ki so namenjeni predvsem sončnim elektrarnam, poleg standardnih nominalnih napetosti (12 V, 24 V, 48 V), različne nominalne napetosti.
Fotonapetostni sistemi - sončne elektrarne
Fotonapetostnei sisteme delimo na samostojne in omrežne. Sestavljeni so iz večjega števila sončnih modulov. Samostojni sistemi so običajno namenjenu proizvajanju električne energije na predelih, kjer ni električnega omrežja (gorske koče, dežele v razvoju). Omrežni sistemi pa so nemenjeni proizvodnji električne energije, ki se direktno oddaja v električno omrežje.
Na spodnjih slikah so prikazane možnosti uporabe fotonapetostnih sistemov.