Einstein, křemík a sluneční paprsky: Tajemství solárních panelů

Solární panely se skládají z jednotlivých fotovoltaických článků, které jsou tvořeny polovodičovými destičkami z křemíku. A na tomto místě si musíme říct to nejdůležitější, čím se liší polovodiče od vodičů. Vodiče, například kovy, už za normálních podmínek obsahují volně pohyblivé nositele elektrického náboje (u kovů jsou to volné elektrony). Naproti tomu v polovodičích se takové částice uvolňují až při dodání energie – třeba při zahřátí nebo při ozáření světlem, jako je tomu v případě destiček ve fotovoltaických panelech. 

Ještě je třeba vědět, že jen málokde v praxi se používají polovodiče tvořené čistým křemíkem. Mnohem větší uplatnění mají polovodiče nepatrně obohacené jiným prvkem. Jsou dvojího typu. V polovodiči typu N se při dodání energie uvolní převážně elektrony, tedy částice se záporným (negativním) nábojem. V polovodiči typu P převažují kladně (pozitivně) nabité „díry“ – což jsou místa, kde elektron chybí. Uvolněné elektrony se mohou v polovodiči pohybovat, ale díry vlastně také. Jakmile totiž volný elektron zaplní nějakou díru, zůstane po něm někde jinde jiná díra. 

Fotovoltaický článek se skládá ze dvou polovodičových destiček – jedné typu N a druhé typu P. V jedné destičce se tedy při osvícení objeví nadbytek elektronů (čili záporný náboj), ve druhé nadbytek děr (kladný náboj). Mezi destičkami tak vznikne elektrické napětí a fotočlánek se stane elektrickým zdrojem, podobně jako třeba chemický článek nebo dynamo či alternátor. 

Uvolňování volných nositelů náboje uvnitř či na povrchu osvětlené látky se nazývá fotoelektrický jev. Byl znám už před Albertem Einsteinem, ale až on jej fyzikálně vysvětlil a právě za to pak dostal Nobelovu cenu. Einsteinova nobelovka tedy nebyla oceněním za jeho speciální ani obecnou teorii relativity, což prý pro něho samotného bylo trochu zklamáním. 

A ještě k využití solárních panelů. Všichni je dobře známe ze střech a fasád domů či z tzv. solárních farem, kritizovaných někdy za zbytečné zabírání zemědělsky využitelné půdy. Víme tedy, že solární panely slouží k získávání elektrické energie potřebné v domácnostech, ve firmách atd. a že představují alternativu třeba k tepelným či jaderným elektrárnám (podobně jako elektrárny vodní a větrné). Méně se ví, že solární panely jsou naprosto klíčové a prakticky nenahraditelné pro fungování družic a sond ve vesmíru. 

A jaký je výkon jednoho solárního panelu? 

To závisí na mnoha faktorech – na jeho ploše a orientaci vůči slunečním paprskům, na provozní teplotě, oblačnosti a na mnoha dalších okolnostech. Jednotkou výkonu jsou obecně ve fyzice watty; ale pro vyjádření výkonnosti solárního panelu se používá speciální jednotka watt-peak (Wp), která udává maximální výkon panelu při intenzitě slunečního záření 1 000 W/m2. Výkon jednoho solárního panelu pro domácnost se obvykle pohybuje mezi 150–250 Wp. Zjednodušeně lze říci, že fotovoltaická elektrárna o 4–7 panelech dává přibližně 1 kWp (1 000 Wp) a ročně vyrobí zhruba 1 000 kWh energie. Záleží ale samozřejmě na konkrétních podmínkách; naše úvaha předpokládá ideální podmínky v České republice. 

A jak si představit těch 1 000 kWh? Současná průměrná cena 1 kWh se pohybuje mezi 3 a 4 korunami, takže za 1 000 kWh bychom zaplatili tři až čtyři tisíce ročně. V nízkoenergetické domácnosti to odpovídá roční spotřebě energie v přepočtu na jednu osobu. Jsou ale domácnosti různého typu, s různým životním stylem atd. Znáte aspoň přibližně roční spotřebu energie u vás doma? Vystačili byste si s energií ze slunce? 

Zdroje informací: 

https://www.malgen.cz/jak-funguje-fotovoltaika/ 

https://www.cez.cz/edee/content/microsites/solarni/f8.htm