Solarni članak (zvan i fotonaponski članak) je poluvodički uređaj koji pretvara sunčevu energiju izravno u električnu pomoću fotoelektričnog efekta. Grupe članaka tvore solarne module, poznate i kao solarni paneli/solarne ploče ili fotonaponska ploča. Energija proizvedena solarnim modulima primjer je solarne energije.
Članci se označavaju kao fotonaponski članci kada izvor svjetlosti nije nužno sunčeva svjetlost. One se primjenjuju za detekciju svjetlosti ili drugih oblika elektromagnetskog zračenja blizu vidljivog spektra, na primjer detektori infracrvenog svjetla, ili mjerenje intenziteta svjetlosti.
Povijest solarnih članaka
Pojam "fotonaponsko" ("photovoltaic") dolazi od Grčke riječi φῶς (phōs) što znači "svjetlost", i "volt", što znači električno, od imena talijanskog fizičara Volta, po kojemu je jedinica elektromotorne sile, volt, dobila ime. Pojam "fotonaponsko" ("photo-voltaic") je u engleskom jeziku u upotrebi od 1849.
Fotoelektrični efekt je 1839. otkrio francuski fizičar A. E. Becquerel, no tek je 1883. izrađena prvi solarni članak. Izradio ga je Charles Fritts, tako što je prekrio poluvodič selen izrazito tankim slojem zlata da stvori spojnice. Efikasnost uređaja bila je samo oko 1%. 1888. ruski fizičar Aleksandr Stoletov izradio je prvi fotoelektrični članak utemeljen na vanjskom fotoelektričnom efektu koji je otkrio Heinrich Hertz 1887.g. Albert Einstein je 1905. objasnio fotoelektrični efekt zbog čega je dobio i Nobelovu nagradu iz fizike 1921.g. Russell Ohl je 1946. patentirao moderni poluvodički solarni članak,"Light sensitive device" US patent #2402662, Issue date: June 1946 koji je otkriven tijekom rada na unapređenjima u izradi tranzistora.
Bell proizvodi prvi praktični članak Prvi moderni fotonaponski članak proizveden je 1954. u Bell laboratoriju.K. A. Tsokos, Physics for the IB Diploma Fifth edition, Cambridge University Press, Cambridge, 2008 Visokoučinkoviti solarni članak prvi su proizveli Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller i Gerald Pearson 1954. upotrijebivši p-n spoj difundiranog silicija. Članci su se isprva radili za igračke i ostale sitne potrebe, jer je cijena struje koju su proizvodili bila vrlo visoka – u relativnim pojmovima, članak koji je proizvodio 1 W električne snage po žarkom suncu koštao je $250, u usporedbi s $2-$3 za elektranu na ugljen.
Solarni članci spašeni su od zaborava prijedlogom da ih se ugradi u satelit Vanguard 1. Prema originalnim planovima, satelit bi se napajao samo baterijama i trajao kratko vrijeme dok se ne istroše. Dodavši članke izvana na trup, vrijeme misije se moglo produljiti bez većih preinaka na svemirskoj letjelici ili njenim sustavima napajanja. Isprve je postojao skepticizam, ali solarni članci su se u praksi pokazali velikim uspjehom, i ubrzo su ih dodali na mnoge nove satelite, posebice Bell-ov vlastiti Telstar.
U iduća dva desetljeća napredak je bio spor, jedina raširena upotreba bila je u svemirskim primjenama, gdje je njihov odnos snage prema masi bio veći od bilo koje konkurentske tehnologije. Međutim taj je uspjeh ujedno bio i razlog sporom napretku; "svemirski" korisnici bili su spremni platiti bilo koju cijenu za najbolje moguće članke, nije bilo razloga za investiranje u jeftinija rješenja ako bi to smanjilo učinkovitost. Umjesto toga, cijena članaka bila je određena uglavnom od strane industrije poluvodiča; prelazak na integrirane sklopove u 1960-ima doveo je do dostupnosti većih komada kristala po relativno nižim cijenama. Kako je njihova cijena padala, tako je padala i cijena članaka. Ipak, ti su efekti bili ograničeni pa su do 1971.g. troškovi članaka procijenjeni na $100 po vatu.John Perlin, "From Space to Earth: The Story of Solar Electricity", Harvard University Press, 2002, pg. 50
Berman-ove redukcije cijena U kasnim 1960.-ima, Elliot Berman istraživao je novu metodu za proizvodnju silicijske sirovine u vrpčanom procesu (eng. ribbon process). Naišao je na slab interes za projekt i nije mogao naći novčana sredstva za njegov razvoj. Kasnije je, igrom slučaja, predstavljen timu u Exxon-u koji je tražio projekte za narednih 30 godina. Grupa je zaključila da će električna energija biti mnogo skuplja do 2000.g., i pretpostavili su da će to povećanje cijene učiniti nove alternativne izvore energije, među kojima su najzanimljiviji solarni, atraktivnijima. Berman se 1969. priključio laboratoriju Exxon-a u Linden-u, New Jersey zvanom Solar Power Corporation (SPC).John Perlin, "From Space to Earth: The Story of Solar Electricity", Harvard University Press, 2002, pg. 53
Njegovo prvo veće nastojanje bilo je istražiti potencijalno tržište kako bi vidio koji su mogući načini uporabe novog proizvoda. Ubrzo su otkrili da postoji značajna potražnja, ako dolari po vatu padnu od tadašnjih $100/vat na otprilike $20/vat. Znajući da bi se njegov koncept vrpce razvijao godinama, tim je počeo tražiti načine za postizanje granice $20/vat uporabom postojećih materijala.
Prvi napredak bilo je uviđanje, da su postojeći članci zasnovani na standardnom postupku proizvodnje poluvodiča, iako to nije bilo optimalno. Postupak je počinjao s komadom kristala, koji se rezao na diskove zvane "wafer"-i (pločice), koji se zatim poliraju i potom, za uporabu u člancima, prevlače antirefleksijskim slojem. Berman je primijetio da grubo izrezani waferi već imaju savršeno odgovarajuću antirefleksijsku prednju površinu. Tiskanjem elektroda izravno na tu površinu, dva znatna koraka u proizvodnji članaka time su se otklonila. Tim je također istražio načine za poboljšanje ugradnje članaka u nizove, otklanjajući skupe materijale i ručno ožičenje upotrebljavane u svemirskim primjenama uz pomoć tiskane pločice na poleđini, akrilne plastike sprijeda te ljepila baziranom na siliciju između, koje zatvara članke. No najveće postignuće u postizanju niže cijene bilo je Berman-ovo shvaćanje da je postojeći silicij efektivno bio "predobar" za uporabu u solarnim člancima; sitne nesavršenosti koje bi upropastile cijeli komad kristala (ili pojedinačni wafer) za elektroniku, imale bi neznatan utjecaj u solarnoj primjeni.John Perlin, "From Space to Earth: The Story of Solar Electricity", Harvard University Press, 2002, pg. 54
Uvodeći sve ove promjene u praksu, tvrtka je otpočela kupovati "odbačen" silicij od postojećih proizvođača po vrlo niskim cijenama. Upotrebljavajući najveće dostupne wafer-e, prema tome umanjujući količinu ožičenja za danu površinu panela, i njihovim pakiranjem u panele uporabom vlastite nove metode, do 1973.g. SPC je proizvodio panele po $10 i prodavao ih po $20 – peterostruko sniženje cijene u dvije godine.
Navigacijsko tržište SPC je pristupio tvrtkama koje proizvode ploveće svjetionike kao svom prirodnom tržištu, no naišao je na zanimljivu situaciju. Vodeća kompanija u tom poslu bila je Automatic Power, proizvođač baterija. Shvativši da bi im solarni članci mogli oduzeti dio profita od baterija, Automatic je otkupio prava na stariji dizajn članaka i potisnuo ih. Vidjevši da tu nema interesa, SPC se okrenuo Tideland Signal-u, drugoj tvrtci baterijama osnovanoj od strane bivših menadžera Automatic-a. Tideland je uskoro predstavio svjetionik napajan solarnom energijom i time slomio Automatic-ovo poslovanje.
Izbor trenutka nije mogao biti pogodniji; strmoglavo povećanje broja naftnih platformi na moru i pogona za utovar stvorilo je golemo tržište među naftnim kompanijama. Kako je bogatstvo Tideland-a povećano, Automatic je počeo tražiti vlastitog dobavljača solarnih ploča. Našli su Bill Yerks-a iz Solar Power International (SPI) u Kaliforniji, koji je tražio tržište. SPI je uskoro kupljen od strane jednog od svojih najvećih klijenata, naftnog giganta :en:ARCO-a, stvorivši ARCO Solar. Tvornica ARCO Solar u Camarillu bila je prva namijenjena isključivo proizvodnji solarnih panela, i u neprekidnom je pogonu od kupnje 1977.g. do današnjeg dana.
Ovo je tržište, zajedno s naftnom krizom 1973.g., dovelo do zanimljive situacije. Naftne kompanije su sada imale puno novca zbog velikih profita tijekom krize, no bile su također svjesne da im budući uspjeh ovisi o nekom drugom obliku energije. Tijekom idućih nekoliko godina, veće naftne kompanije pokrenule su niz solarnih tvrtki, te su tijekom više desetljeća bile najveći proizvođači solarnih panela. Exxon, ARCO, Shell, Amoco (kasnije kupljen od strane BP-a), Mobil, sve su imale značajne solarne odjele tijekom 1970.-ih i 80-ih. Tehnološke tvrtke su također imale određena ulaganja, uključujući General Electric, Motorolu, IBM, Tyco i RCA.The multinational connections-who does what where", New Scientist, 18 October 1979, pg. 177
Daljnja poboljšanja Poboljšanja od vremena Bermanovog rada, snizila su troškove proizvodnje na ispod $1/vat, s veleprodajnom cijenom reda $2. Troškovi ostatka uređaja sada su postali veći od troškova samih članaka; u velikim komercijalnim poljima panela u pogonu su iznosili oko $5/vat u 2010. godini.
Kako je industrija poluvodiča išla na sve veće i veće komade kristala, starija oprema je postala dostupna po rasprodajnim cijenama. Članci su dostupnošću te opreme također rasle veličinom. ARCO Solar-ovi originalni paneli su primjenjivali članke od 2 do 4 inča u promjeru. Paneli u 1990-ima i ranim 2000.-ima su uglavnom koristili 5 inčne wafere, a od 2008. gotovo svi novi paneli primjenjuju 6 inčne članke. Još jedna velika promjena bio je prelazak na polikristalni silicij. Taj materijal ima manju učinkovitost, ali je jeftiniji za masovnu proizvodnju. Sveobuhvatno uvođenje televizora s ravnim ekranom u kasnim 1990.-ima i ranim 2000.-ima dovelo je do široke dostupnosti velikih ploča visokokvalitetnog stakla, korištenih na prednjoj strani ploča.
Druge tehnologije su također došle na tržište. First Solar je narastao u najvećeg proizvođača panela, u terminima godišnje proizvedene snage, primjenom članka od tankog filma između dva sloja stakla. To je bio prvi proizvod koji je srušio troškove proizvodnje ispod $1/vat."First Solar Passes $1 Per Watt Industry Milestone" , Business Wire, 24 February 2009 Otada je izobilje polikristalnog silicija gurnulo cijene konvencionalnih panela na istu razinu.
Primjena
Solarni članci se često električki spajaju i zatvaraju u module. Fotonaponski moduli uglavnom imaju staklenu ploču sprijeda (prema suncu), propuštajući svjetlo i u isto vrijeme štiteći poluvodič od ogrebotina i utjecaja vjetrom nošenih čestica, kiše, tuče, itd. Solarni članci su također često serijski spojene u modulima, stvarajući zbirni napon. Ako se spoje paralelno, to rezultira većom strujom. Moduli se zatim međusobno spajaju, serijski ili paralelno, ili oboje, da stvore polje sa željenim vršnim vrijednostima istosmjernog napona i struje.
Kako bi se praktično iskoristila energija dobivena od sunca, elektricitet se najčešće predaje u električnu mrežu uporabom invertora, pa je to fotonaponski sustav spojen na mrežu. U samostalnim sustavima za pohranjivanje energije koja trenutno nije potrebna koriste se baterije. Solarni paneli mogu biti korišteni za pogon ili punjenje prenosivih uređaja.
Teorija Rad solarnog članka odvija se u tri koraka: Fotoni iz sunčeve svjetlosti udaraju u solarni panel i poluvodički materijali poput silicija ih apsorbiraju. Elektroni (negativno nabijeni) se izbijaju iz atoma i postaju slobodni, te mogu slobodno teći materijalom kako bi stvorili struju. Zbog posebne građe solarnih članaka, elektroni se mogu gibati samo u jednom smjeru. Polje solarnih članaka pretvara energiju sunca u upotrebljivu količinu istosmjerne struje (DC).
Učinkovitost Učinkovitost solarnog članka može se rastaviti na učinkovitost refleksije, termodinamičku učinkovitost, učinkovitost odjeljivanja nosilaca naboja i učinkovitost provodljivosti. Ukupna učinkovitost je umnožak svih navedenih pojedinačnih učinkovitosti.