Princip fotovoltaického článku

Fotovoltaický (sluneční, solární) článek je v podstatě polovodičová dioda. Jeho základem je tenká křemíková destička s vodivostí typu P. Na ní se při výrobě vytvoří tenká vrstva polovodiče typu N, obě vrstvy jsou odděleny tzv. přechodem P-N. Osvětlením článku vznikne v polovodiči vnitřní fotoelektrický jev a v polovodiči se z krystalové mřížky začnou uvolňovat záporné elektrony. Na přechodu P-N se vytvoří elektrické napětí, které dosahuje u křemíkových článků velikosti zhruba 0,5V. Energie dopadajícího světla se v článku mění na elektrickou energii. Připojíme-li k článku pomocí vodičů spotřebič (například miniaturní elektromotorek), začnou se  kladné a záporné náboje vyrovnávat a obvodem začne procházet elektrický proud. Je-li třeba větší napětí nebo proud, zapojují se jednotlivé články sériově či paralelně a sestavují se z nich fotovoltaické panely.

Polovodiče typu N a P
Mnohem větší využití než čisté polovodiče však mají polovodiče, v jejichž krystalové mřížce je při výrobě umístěno nepatrné množství vhodných příměsí. Výběrem příměsi můžeme dosáhnout toho, aby v polovodiči byl elektrický proud veden buď volnými elektrony (elektronová vodivost, vodivost typu N), nebo "děrami" (děrová vodivost, vodivost typu P).

Vodivost typu N (negativní):
V krystalu křemíku jsou některé atomy nahrazeny pětimocnými atomy, např. fosforu nebo arzenu. Jejich čtyři valenční elektrony se účastní vazeb, ale páté se již v chemických vazbách nemohou uplatnit. Jsou velmi slabě vázané a již při nízkých teplotách se z vazeb uvolní. Tyto volné elektrony způsobují po připojení zdroje elektronovou vodivost polovodiče typu N.

Vodivost typu P (pozitivní):
Zabudují-li se do krystalové mřížky křemíku atomy trojmocného prvku se třemi valenčními elektrony, např. india, chybí pro obsazení všech chemických vazeb elektrony. V místě nenasycené vazby vznikne "díra" s kladným nábojem. Tuto "díru" může zaplnit elektron z některé jiné vazby a "díra" se v krystalu přesune na jeho místo. Po připojení zdroje vznikne děrová vodivost polovodiče typu P.

Přechod PN - polovodičová dioda

Základem většiny polovodičových součástek (diod, tranzistorů, svítivých diod, mikroprocesorů, fotočlánků aj.) je tzv. přechod PN. Jedná se o oblast styku dvou polovodičů s opačným typem vodivosti. Typickou vlastností přechodu PN je jeho usměrňovací účinek. V jednom směru jím proud může procházet, zatímco v opačném směru nikoli. Mohou nastat tři případy:

• Přechod PN není připojen ke zdroji napětí - v oblasti přechodu PN přejde část volných elektronů z oblasti N do oblasti P a tam rekombinují s "děrami". V tomto prostoru se vytvoří oblast bez volných nábojů o šířce několika tisícin milimetru.

• Přechod PN v závěrném směru - připojíme-li k polovodiči P záporný pól a k polovodiči N kladný pól zdroje, vzdalují se působením elektrických sil volné náboje od přechodu PN. Oblast bez volných nábojů se rozšíří, její odpor vzroste a elektrický proud přechodem PN nemůže procházet. Nevodivé oblasti bez volných nábojů říkáme hradlová vrstva.

• Přechod PN v propustném směru: - připojíme-li k polovodiči P kladný pól a k polovodiči N záporný pól zdroje, přecházejí působením elektrických sil volné elektrony přes přechod PN ke kladnému pólu a "díry" jsou přitahovány k zápornému pólu. Hradlová vrstva prakticky zanikne a její odpor se výrazně zmenší. Takto zapojeným přechodem PN proud prochází.

Více informací z oblasti naleznete zde ...