Fyzikální podstata fotovoltaické přeměny energie
Obsah kapitoly
Fotoelektrický jev v roce 1887 poprvé popsal Heinrich Hertz. Při dopadu světla předává fotonenergii povrchu látky. Je-li vlnová délka λ světla dostatečně malá, pak frekvence ν a tedy i energie, kterou záření po dopadu předá elektronu, může dosáhnout dostatečné hodnoty pro uvolnění tohoto elektronu z vazby v obalu atomu. Hodnota této energie potřebné k uvolnění elektronu se označuje jako ionizační energie.
Velikost ionizační energie, kterou potřebují elektrony k uvolnění z látky, se také někdy nazývá fotoelektrická bariéra. Předáním dostatečné energie elektronům je možné tuto bariéru překonat. Minimální frekvence, při níž dopadající fotony předávají elektronům energii potřebnou k překonání této bariéry, se označuje jako prahová frekvence.
Rozlišujeme dva druhy fotoefektu, vnější a vnitřní . Při vnějším fotoelektrickém jevu jsou elektrony uvolňovány z vodivostního pásu kovu a samotný krystal kovu opouštějí. V polovodičích může docházet pod vlivem elektromagnetického záření k přeskokům elektronů mezi energetickými hladinami. Tyto elektrony pak zvyšují jejich vodivost. Zde hovoříme o vnitřním fotoelektrickém jevu.
Animace č. 1 Princip fotoelektronického jevu
K fotovoltaické přeměně energie elektromagnetického záření na energii elektrickou dochází v polovodičových fotovoltaických článcích. Nejběžnější jsou FV články na bázi krystalického křemíku, proto je fyzikální přeměna vysvětlena právě na nich, neboť u článků na jiné bázi je situace analogická. Podle typu nosiče náboje dělíme polovodiče na vlastní nebo příměsové. Příměsové polovodiče mohou být dopované typu N (majoritní nosiče náboje jsou elektrony) nebo typu P (majoritní nosiče náboje jsou díry, které se chovají jako částice s kladným nábojem).
Pokud uvažujeme čtyřmocný křemík, tento má krystalickou strukturu diamantu. Pak každý atom Si je obklopen čtyřmi nejbližšími elektrony. Tyto čtyři elektrony (valenční) vytvářejí s těmito sousedy kovalentní vazby. Energie volného elektronu, který nepodléhá působení žádných sil, může nabývat různých hodnot.
Naproti tomu energie elektronu v krystalu křemíku nabývá pouze určitých hodnot v důsledku pohybu v poli periodického potenciálu.
Důležitou roli hrají tyto pásy: valenční pás (za velmi nízkých teplot poslední obsazený pás), poslední zakázaný pás a vodivostní pás (za velmi nízkých teplot první neobsazený). Valenční pás sestává z energetických stavů valenčních elektronů. Protože těchto stavů je stejný počet jako valenčních elektronů v celém krystalu, budou za velmi nízkých teplot všechny obsazené. Po valenčním pásu následuje pás zakázaných energií, tzn., že žádný elektron nemůže mít energii odpovídající stavu v tomto pásů. Dále následuje pás vodivostní, jehož stavy za velmi nízkých teplot nejsou obsazené.
Obr. 3: Pásová struktura pevné látky
Obr. 4: Srovnání pásové struktury a)vodiče, b) nevodiče, c) polovodiče
V nejnižším energetickém stavu valenční elektrony úplně obsazují všechny hladiny ve valenčním pásu, nemohou zprostředkovat vedení elektrického proudu. Dodáním energie např. tepelné (fonon) nebo světelné (foton) některé elektrony přejdou do vodivostního pásu. Valenční i vodivostní pásy se stanou pásy částečně obsazenými.
V energetickém schématu se to projeví tak, že tyto elektrony uvolní energetické hladiny ve valenčním pásu a obsadí hladiny s vyšší energií ve vodivostním pásu. Stanou se tak elektrony, které mohou zprostředkovat vedení elektrického proudu.
Obr. 5: Srovnání energetických hladin elektronů v izolovaném atomu a v krystalické látce
U některých atomů křemíku tak vznikla prázdná místa. Buď zde mohou opět uvíznout volné elektrony, což se v energetickém schématu projeví jako zpětné přestupy elektronů z vodivostního pásu na příslušné hladiny ve valenčním pásu, nebo sem mohou přeskakovat elektrony od sousedních atomů.
Tím se ale prázdná místa posunou k sousedním atomům a dalšími podrobnými přeskoky se mohou dále posunovat. V elektrickém poli se volné i přeskakující valenční elektrony posunují proti směru intenzity elektrického pole, neboť mají záporný elektrický náboj. To znamená, že prázdná místa se posunují ve směru pole. Prázdné místo se tedy chová jako částice s kladným nábojem a jinou hmotností, než jakou má volný elektron. Tato částice se označuje „díra“.
Ve vlastním polovodiči uvolnění jednoho elektronu z valenčního pásu znamená vznik jedné díry, počet volných elektronů a děr je tedy stejný. Krystal navenek zůstává elektricky neutrální. Je-li generace páru elektron-díra vyvolaná dopadajícím fotonem, energie fotonu musí být větší nebo rovna šířce zakázaného pásu.
Jsou-li v krystalu křemíku nahrazeny některé atomy Si atomy prvku V. skupiny Mendělejevovy periodické tabulky prvků (např. As, P, Sb), které mají pět valenčních elektronů, budou čtyři z nich vázány kovalentní vazbou s nejbližšími atomy Si. Pátý elektron bude jen slabě vázán k atomu příměsi.
Takto dopovaný polovodič se nazývá polovodič typu N. Dodáním energie se tento elektron „utrhne“ a stane se uvnitř krystalu volně pohyblivým. Tyto pětimocné atomy se nazývají donory, protože dodávají volné elektrony. Přítomnost takovéto příměsi se projeví v energetickém schématu vznikem lokálních energetických hladin, které leží v zakázaném pásu v blízkosti dolní hladiny vodivostního pásu.
Obr. 6: Příměsová vodivost. Pokud atomy příměsi mají větší počet valenčních elektronů než atomy křemíku, hovoříme o vodivosti typu N
Nahrazením některých atomů Si v krystalu křemíku atomy III. skupiny periodické tabulky prvků (např. B, Al, Ga) tyto příměsi obsahují pouze tři valenční elektrony. Jedna vazba těchto atomů nebude zaplněna a bude se chovat jako díra. V důsledku tepelné energie může do nezaplněné vazby přeskočit valenční elektron od sousedního atomu Si a díra se může pohybovat krystalem, jak již bylo popsáno.
Takto dopovaný polovodič se nazývá polovodič typu P a příměsi, které tvoří záchytná centra pro elektrony, jsou akceptory.
V energetickém schématu se to projeví analogicky pro polovodič typu N. Dodáním relativně malé energie se na této hladině mohou zachytit elektrony přeskokem z valenčního pásu, kde po nich zůstane díra. Takový atom akceptoru má potom o elektron víc a navenek je záporně nabitý. Tvoří pevně vázaný záporný náboj. Díra, která je tímto generována ve valenčním pásu, je uvnitř krystalu volně pohyblivá. Znamená to, že v polovodiči typu P je koncentrace děr vyšší než koncentrace volných elektronů.
Obr. 7: Pokud atomy příměsi mají menší počet valenčních elektronů než atomy křemíku, hovoříme o vodivosti typu P
PN přechod vzniká tehdy, jestliže část krystalu je dopována jako polovodič typu P a sousední část je dopována jako polovodič typu N.
Jak bylo řečeno, část volných elektronů přejde u oblasti typu N do oblasti typu P a část děr opačně. Pevně vázané náboje, ionizované náboje ionizovaných příměsí vytvoří oblasti prostorového náboje. Mezi nimi vznikne elektrické pole, které brání dalšímu toku volných nosičů.
Takto popsaný přechod PN může být jednoduchou polovodičovou diodou. Systém se nachází v rovnovážném stavu ve stavu dynamické rovnováhy (nikoli statické) tzn., že v celém objemu polovodiče při teplotě T > 0K neustále dochází ke generaci i rekombinaci elektronů a děr. Přes přechod PN tedy tečou elektrické proudy oběma směry. Bez přiložení vnějšího napětí jsou proudy v obou směrech vyrovnány a navenek se neprojeví. V případě přiložení vnějšího napětí a uzavření elektrického obvodu je porušena rovnováha.
Obr. 8: Epn je intenzita elektrického pole, která vzniká jako důsledek difúze volných elektronů z polovodiče typu Ndo polovodiče typu Pa děr v opačném směru.
Zpět na začátek2.1 Elektrické vlastnosti fotovoltaických článků
Pro praktické využití jakéhokoli zdroje energie jsou důležité tři veličiny: napětí, proud a vnitřní odpor.
U fotovoltaických článků (FVČ) je napětí naprázdno dáno především použitým polovodičem. Proud nakrátko (při nulovém napětí) je dán intenzitou dopadajícího záření, fotovoltaický článek se při konstantní intenzitě slunečního záření chová jako zdroj konstantního proudu, jehož intenzita je limitována počtem fotonů dopadajících za jednotku času.
Zpravidla se článek charakterizuje voltampérovou charakteristikou, tj. závislost proudu na napětí. U fotovoltaických článků tedy záleží na intenzitě ozáření.
Proud tekoucí článkem pochopitelně závisí na účinnosti – článek s větší účinností při dané intenzitě záření může dávat větší proud. Důležitý je také vnitřní odpor článku (na vnitřním odporu dochází k nežádoucímu úbytku napětí). Kromě toho se uplatňují i další vnější vlivy, především teplota (vyšší teplota znamená nižší napětí).
V praxi nás zajímá především výkon článku, tedy součin napětí a proudu. Z tvaru voltampérové charakteristiky vyplývá, že při daných podmínkách (osvětlení, teplota) existuje právě jedna hodnota napětí a proudu, při níž nabývá výkon článku maximální hodnoty.
Pokud je to možné, snažíme se provozovat fotovoltaické články v tomto optimálním pracovním bodu.
Obr. 9: VA charakteristiky FVČ pro různé intenzity slunečního záření
Obr. 10: Výkonové charakteristiky FVČ pro různé intenzity slunečního záření
Zpět na začátek