Jak fungují solární panely: princip fotovoltaického jevu

Fotovoltaický článek přeměňuje světelnou energii přímo na elektrický proud bez pohyblivých částí, bez spalování a bez hluku. Principem je fotoelektrický jev, jehož teoretické základy popsal Albert Einstein v roce 1905 — práce mu přinesla Nobelovu cenu za fyziku v roce 1921. Technicky použitelné křemíkové články pak sestrojili vědci v Bell Laboratories v roce 1954.

Fyzikální základ: jak světlo generuje proud

Fotovoltaický článek se skládá z tenké vrstvy polovodičového materiálu — nejčastěji křemíku — s přechozem P-N. Na straně N je křemík dotován fosforem (přebytek elektronů), na straně P borem (nedostatek elektronů, tedy přebytek „děr"). Fotony dopadající ze slunečního záření předávají svou energii atomům křemíku a uvolňují elektrony z kovalentních vazeb.

Uvolněné elektrony migrují k elektrodám vlivem elektrického pole vytvořeného na přechodu P-N. Tím vzniká stejnosměrný elektrický proud, který se odvádí kovovými kontakty na přední a zadní straně článku. Jeden křemíkový článek generuje napětí přibližně 0,5–0,6 V — pro praktické použití se články sériově řadí do modulů (panelů).

Typy fotovoltaických článků

Na trhu dominují tři technologické rodiny lišící se způsobem výroby křemíku, účinností i cenou.

Monokrystalické panely

Vyrábějí se z jediného krystalu křemíku metodou Czochralského. Výsledné plátky mají rovnoměrnou tmavou barvu a charakteristické zkosené rohy. Účinnost komerčně dostupných monokrystalických panelů se pohybuje přibližně mezi 20 a 23 %, špičkové moduly s technologií PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) nebo TOPCon přesahují 22 %. Tyto panely zaujímají dominantní podíl nových instalací v Evropě díky poměru výkonu na plochu.

Polykrystalické panely

Křemík se zde lije do forem a tuhne jako mnoho malých krystalů, což dává panelům charakteristický namodralý lesk s granulovanou strukturou. Výrobní proces je levnější, typická účinnost se pohybuje mezi 15 a 18 %. V době, kdy byl výrobní rozdíl výrazný, volila polykrystal řada instalací s dostatkem střešní plochy. Dnes se jejich podíl zmenšuje ve prospěch monokrystalových technologií.

Tenkovrstvé technologie

Amorfní křemík, telurid kadmia (CdTe) nebo CIGS (měď-indium-gallium-selenid) se nanáší v mikrometrových vrstvách na sklo, plast nebo flexibilní podložku. Účinnost bývá nižší (8–13 % u amorfního křemíku, 10–22 % u CdTe a CIGS), nicméně tenkovrstvé panely mají výhody: jsou ohebné, reagují lépe na difuzní záření a méně ztrácejí výkon při vyšší teplotě. Uplatnění nacházejí v integraci do fasád, střešní krytiny (BIPV) nebo přenosné aplikace.

Výkon panelu a podmínky měření

Jmenovitý výkon panelu se uvádí ve watt-peak (Wp) nebo kilowatt-peak (kWp) a je stanoven za standardních testovacích podmínek (STC): ozáření 1 000 W/m², teplota článku 25 °C a vzduchová hmota AM 1,5. Reálné podmínky se od STC liší — v létě může teplota panelu dosáhnout 60–70 °C, což snižuje výkon o jednotky procent oproti jmenovité hodnotě.

Pro odhad roční výroby elektrárny v České republice slouží parametr specifická roční výroba: přibližně 900–1 050 kWh na kWp instalovaného výkonu v závislosti na lokalitě a sklonu střechy. Jihomoravský kraj a Vysočina dosahují hodnot blíže horní hranici, severozápadní Čechy spíše ke spodní.

Teplotní koeficient a chování za různého počasí

Každý křemíkový panel má udávaný teplotní koeficient výkonu (P_max), typicky v rozsahu −0,30 až −0,45 %/°C. Při teplotě článku 65 °C tedy výkon klesá přibližně o 18–25 % oproti STC. Z tohoto důvodu se fotovoltaika chová v praxi lépe za chladných slunečných dnů — například v březnu při teplotě vzduchu 10 °C — než v parném červencovém odpoledni.

Difuzní záření za oblačného dne panel nezastaví. Moderní panely dokáží při 100 % oblačnosti pracovat na 10–20 % svého výkonu a za lehké oblačnosti na 50–70 %. Sníh na střeše výkon přerušuje, ale panelovým sklonem a teplem odtává rychleji než ze střešní krytiny.

Životnost a výkonnostní záruky

Výrobci uvádějí typickou životnost panelů 25–30 let. Standardem odvětví se stala lineární výkonnostní záruka: panel musí po 25 letech dosahovat nejméně 80 % (u prémiových výrobců 87–90 %) jmenovitého výkonu. Degradace probíhá nejrychleji v prvním roce (tzv. LID — light-induced degradation) a pak pomaleji, přibližně 0,5–0,7 % ročně u monokrystalových PERC modulů.

Na výběru technologie záleží zejména tehdy, je-li dostupná střešní plocha omezená — v takovém případě se efektivní výkon na metr čtvereční stává klíčovým kritériem. U větších střech s dostatkem prostoru může být cenový rozdíl rozhodujícím argumentem. Podrobnosti o samotné instalaci, povolení a připojení k síti popisuje navazující článek.