Tento blogový příspěvek zkoumá, zda mohou solární články sloužit jako alternativní řešení problémů s nadměrnou spotřebou zdrojů a vyčerpáním energie.
Představte si Zemi bez Slunce. Země by se stala pustou planetou, kde by nemohl existovat žádný život. Od svého vzniku Slunce nepřetržitě posílá na naši planetu obrovské množství světelné energie. Téměř veškerý život na Zemi vzkvétá z energie uložené fotosyntézou rostlin. Dokonce i ropa, nejrozšířenější zdroj energie lidstva, je výsledkem transformace dávno mrtvých organismů hluboko v zemi po celé věky. Moderní civilizace nadměrně spotřebovává a vyčerpává zdroje, které tvoří akumulovaná sluneční energie. Pokud by se všechny zdroje energie vyčerpaly, kde by lidstvo energii získalo? Nemohli bychom přímo využít světelnou energii proudící ze Slunce i v tomto okamžiku? Odpověď spočívá v solárních článcích.
Solární články jsou zařízení, která přeměňují světelnou energii Slunce na elektřinu. Mezi nimi jsou v současnosti nejrozšířenější křemíkové solární články díky své vysoké účinnosti, relativně nízkým nákladům a jednoduchosti výroby. Struktura křemíkového solárního článku je poměrně jednoduchá a skládá se pouze ze dvou typů křemíkových polovodičů spojených dohromady. Jak tedy křemíkový polovodič přeměňuje světlo na elektřinu? Tajemství spočívá v elektronech uvnitř křemíku. Ve stabilním stavu jsou elektrony vázány na atomové jádro a nemohou se volně pohybovat. Když však elektron absorbuje energii a stane se excitovaným, získá schopnost volného pohybu. Tyto elektrony pod energií se nazývají volné elektrony. Světlo nese energii. Když se světlo srazí s elektrony v materiálu, elektrony tuto energii absorbují a stanou se volnými elektrony. Tyto volné elektrony pak cestují po elektrickém obvodu a dodávají energii tam, kde je potřeba. Proto lze solární článek považovat za druh čerpadla. Sluneční světlo funguje jako čerpadlo, které zvedá elektrony a vytváří proud, který vykonává práci.
To vyvolává otázku: jelikož elektrony existují ve všech atomech, může jakýkoli materiál vyrábět elektřinu pouhým připojením elektrod a vystavením slunečnímu záření? Bohužel ne. Problém je v tom, že rozdíl v energii mezi stabilními elektrony a excitovanými elektrony se liší v závislosti na materiálu, což znamená, že se liší i světelná energie, kterou mohou absorbovat. Jinými slovy, výška čerpání se liší v závislosti na materiálu. Světlo lze rozdělit do různých typů na základě jeho energie. Mezi nimi infračervené a viditelné světlo tvoří vysoký podíl slunečního záření. Solární články proto musí účinně absorbovat infračervené a viditelné světlo. Výška čerpání v izolantech je však příliš vysoká, což brání slunci plně vynést elektrony nahoru. Naopak výška čerpání ve vodičích je příliš nízká, což způsobuje, že absorbují světlo s nižší energií místo infračerveného a viditelného světla, což je činí do značné míry neúčinnými. Křemík, který je polovodičem, má však pro čerpání elektronů energetickou potřebu, která se nachází mezi vodiči a izolanty. To mu umožňuje efektivně absorbovat infračervené i viditelné světlo. Křemík lze považovat za čerpadlo s přesně správnou výškou, dokonale sladěnou s energií slunečního záření.
Mohou být tedy solární články vyrobeny pouze z křemíku? Bohužel pouhé pumpování elektronů směrem nahoru nestačí. Stejně jako je voda pumpovaná nahoru k ničemu, pokud uniká zpět dolů před dosažením svého zamýšleného využití, elektrony, které absorbují energii a stávají se excitovanými, jsou k ničemu, pokud se nemohou dostat do obvodu. Proto je pro transport pumpovaných elektronů zapotřebí správná cesta. Právě proto se spojují dva typy křemíkových polovodičů – typ p a typ n.
Atomy křemíku mají čtyři elektrony účastnící se vazby. Dva atomy přispívají k vytvoření vazby jedním elektronem, a tak jeden atom vytvoří čtyři vazby a vytvoří krystal. Pokud jsou však některé atomy křemíku nahrazeny atomy, jako je fosfor (P), které mají pět elektronů účastnících se vazby, zbývající jeden elektron se stane volným elektronem, který se může pohybovat kamkoli. Polovodič s mnoha takovými volnými elektrony se nazývá polovodič typu n. Na druhou stranu, pokud jsou některé atomy křemíku nahrazeny atomy, jako je bor (B), které přispívají k vazbě třemi elektrony, vytvoří se díra tam, kde elektron chybí. Tato díra se může pohybovat jako částice; představa posuvné skládačky usnadňuje pochopení. Posuvná skládačka má jednu prázdnou štěrbinu. Když se dílek skládačky přesune do této štěrbiny, prostor, který zanechal, se opět vyprázdní. Podobně, když se elektron sousedící s dírou posune, aby ji zaplnil, zdá se, že se díra přesune do prostoru, který elektron obsadil. Polovodič s mnoha takovými dírami se nazývá polovodič typu p.
Polovodiče typu n i typu p jsou samy o sobě elektricky neutrální. Pokud jsou však spojeny na spoji, volné elektrony z polovodiče typu n zaplní mezery v polovodiči typu p. To způsobí, že strana polovodiče typu n nese kladný náboj (+) a strana polovodiče typu p nese záporný náboj (-). V tomto spoji, když elektrony absorbují světlo a stávají se excitovanými, se volné elektrony a díry oddělí. Záporně nabité volné elektrony se pohybují směrem k polovodiči typu n, zatímco kladně nabité díry se pohybují směrem k polovodiči typu p. Elektrony, které procházejí elektrodou polovodiče typu n, putují do vnějšího obvodu, kde vykonávají práci, a poté se vracejí přes kladnou elektrodu polovodiče typu p, aby se rekombinovaly s dírami.
Slunce bude bez výjimky poskytovat dostatek světelné energie až do dne, kdy lidstvo zanikne. Solární články, které tuto energii využívají k výrobě elektřiny, jsou skutečně vysněným zdrojem energie. Způsob výroby solárních článků je jednodušší, než by se mohlo zdát. Vše, co je potřeba, je křemík, který funguje jako čerpadlo pro přitahování elektronů, a pn přechod, který slouží jako kanál pro pohyb elektronů do obvodu. Nejen křemíkové solární články, ale všechny ostatní solární články vyžadují pouze vhodné čerpadlo a kanál. S trochou znalostí materiálového inženýrství by kdokoli mohl vytvořit nový, inovativní solární článek a přispět k záchraně lidstva.
