thumb|Fotovoltické články Fotovoltický článokSlovník cudzích slov (akademický) z r 2005. fotovoltický príd. ‹g + VM› fyz. fotoelektrický: f. jav; f-á premena (nesprávne fotovoltaický článok prevzaté z anglického slova photovoltaic) alebo solárny článok alebo slnečný článok je veľkoplošná polovodičová súčiastka (s podobnou vnútornou štruktúrou ako fotodióda), ktorá priamo konvertuje svetelnú energiu na energiu elektrickú pomocou fotoelektrického javu. Niekedy sa výraz solárny článok či slnečný článok vyčleňuje pre zariadenia špeciálne určené na získavanie energie zo slnečného žiarenia, zatiaľ čo termín fotovoltický článok je všeobecne používaný termín. Oblasť technológie a výskumu týkajúca sa aplikácie fotovoltických článkov sa nazýva fotovoltika.
Fotovoltické články majú mnoho aplikácií. Jednotlivé články sa používajú na napájanie malých zariadení, ako sú napríklad elektronické kalkulačky. Fotovoltické polia generujú elektrinu z obnoviteľného zdroja energie (slnka), ktorá je užitočná najmä v situáciách, kde je nemožné získavať elektrickú energiu zo siete, vo vzdialených elektrických sieťach, v satelitoch na obežnej dráhe a vo vesmírnych sondách, v rádiotelefónoch a v aplikáciach vodných čerpadiel. Fotovoltika sa napriek tomu stále viac rozmáha aj v klasických elektrizačných sústavách.
Fotovoltické články sa (podobne ako iné zdroje elektrickej energie) kvôli dosiahnutiu vyššieho nominálneho napätia a prúdu zapájajú do batérií. Kvôli premenlivému osvetleniu a tým premenlivým výstupným parametrom (výkon, prúd, napätie) je výstup fotovoltických batérií upravovaný (napr. pre pripojenie do rozvodnej elektrickej siete) pripojenou výkonovou elektronikou, ktorá často zahŕňa aj akumulátory.
Princíp Po dopade fotónu svetla príslušnej vlnovej dĺžky (korešpondujúcej so šírkou zakázaného pásma použitého polovodiča) je vďaka vnútornému fotoelektrickému javu vygenerovaný elektrón-dierový pár, ktorý je separovaný vnútorným elektrickým poľom pn-priechodu a pohybom k jednotlivým elektródam vytvárajú elektrický prúd.
Použitie Požadovaná kombinácia parametrov fotovoltických článkov, a tým aj jednotlivé konštrukčné zvláštnosti, závisia predovšetkým od oblasti ich použitia.
Zdroj energie pre kozmické zariadenia Pre túto aplikáciu sa požaduje najmä maximálna účinnosť pri minimálnej hmotnosti a rozmeroch (čo je limitujúcim faktorom kozmickej techniky), pričom náklady nehrajú rozhodujúcu úlohu. Kozmický výskum je preto hnacím motorom vývoja fotovoltických článkov. Nezanedbateľná je samozrejme aj požiadavka vysokej spoľahlivosti a extrémna mechanická a klimatická odolnosť.
Zdroj energie v nedostupných oblastiach Keďže hmotnosť obvykle nie je rozhodujúca a rozmery v určitej miere tiež, účinnosť ako kritérium ustupuje a do popredia začína vystupovať cena, pričom však je stále potrebné dodržať vysokú spoľahlivosť.
Energetický zdroj V tejto aplikácii je prvoradým hľadiskom ekonomická návratnosť, t. j. predovšetkým cena fotovoltických článkov a batérií, čomu je podriadená aj ich účinnosť. Hmotnosť, rozmery sú druhoradé, nižšiu spoľahlivosť je možné riešiť opravami. Pri zapojení fotovoltického zdroja energie do rozvodnej sústavy sa obvykle neuvažuje s použitím akumulátorov a využívajú sa akumulačné a vyrovnávajúce vlastnosti siete.
Materiály použité na výrobu right|thumb|Fotovoltický článok Kremík (Si) Je to najdlhšie používaný a tiež najrozšírenejší materiál na výrobu fotovoltických článkov. Na rozdiel od iných materiálov sa netreba obávať jeho vyčerpania pretože sa nachádza takmer všade. Je to štvrtá najpoužívanejšia surovina na svete, na výrobu solárnych panelov sa však využíva približne iba 1 % z tohto množstva. Používa sa v niekoľkých podobách. right|thumb|Zárodočný kryštál veľmi čistého kremíka
Monokryštalický kremík Bol prvý materiál ktorý sa začal využívať v praxi. Jeho účinnosť premeny sa zo začiatku pohybovala okolo 6 %. Od roku 1954 do roku 1975 sa v tomto smere nedosiahlo takmer žiadneho pokroku, pretože výskum sa orientoval predovšetkým na vesmírne použitie, od roku 1975 až do roku 1980 sa túto hodnotu podarilo posunúť len o pár percent a hodnota 17 % bola považovaná za neprekonateľnú. Celkový pokrok v týchto rokoch brzdil tiež fakt, že vedci sa sústredili skôr na znižovanie cien ako na zvyšovanie účinnosti. V osemdesiatych rokoch sa stav výrazne zmenil a výsledkom bola účinnosť 35,2 % dosiahnutá v roku 1992 Pekinskou akadémiou vied. Dnes sa v bežnej výrobe dosahuje účinnosť 19%, u niektorých priemyselných výrobcov presahuje 20%. Vďaka dynamickému rozvoju fotovoltiky od začiatku 21.storočia a výstavbe veľkých fotovoltických elektrární dramaticky klesá i cena fotovoltických článkov. V roku 2010 bola priemerná trhová cena približne 1.5 USD/Wp, v roku 2020 iba 0.28 USD/Wp. Výroba z monokryštalického kremíku right|thumb|Monokryštál (kmeňové rezivo) na výrobu kremíkových doštičiek left|thumb|200px|Czochralskeho proces Rafinácia kremíku 99 percentný čistý kremík je ešte ďalej čistený pomocou metódy pohyblivej zóny. Tyč z nečistého kremíka prechádza žeravenou zónou niekoľkokrát v rovnakom smere. Táto procedúra „strháva“ nečistoty smerom k jednému koncu každým prechodom. V istom bode je už kremík považovaný za čistý, a nečistý koniec je odstránený. Výroba monokryštalického kremíku Solárne články sú vyrobené z kremíkového kmeňového reziva, polykryštalickej štruktúry, ktoré má atómovú štruktúru monokryštálu. Zvyčajne používanou metódou na výrobu kmeňového reziva je Czochralskeho metóda. Pri tomto procese je do kremíkovej zliatiny vložený zárodočný kryštál veľmi čistého kremíka. Tento kryštál sa pritom otáča a vyťahuje podľa vopred presne definovaného programu; teplota taveniny je tiež veľmi pozorne sledovaná a riadená. Celý proces sa uskutočňuje v nádobách z veľmi čistého kremeňa v inertnej atmosfére argónu. Na zárodočnom kryštáli sa potom vylučujú ďalšie vrstvy mimoriadne čistého kremíka, takže výsledný produkt môže mať až v priemere a dĺžku do
thumb|left|200px|Vyleptané kremíkové doštičky Výroba kremíkových doštičiek Z kmeňového reziva sú postupne narezané kremíkové doštičky kotúčovou pílou ktorej vnútorný priemer reže do tyče. (Diamantová píla vytvára rezy v šírke doštičky – hrubé). Do ukončenia výroby kruhovej doštičky sa stratí len okolo polovice kremíku z kmeňového reziva, v prípade že sa doštička ďalej reže na tvar pravouhlý alebo šesťuholníkový sú tieto straty vyššie. Tieto tvary sú niekedy využité v solárnych článkoch pretože spoločne k sebe dokonale priliehajú, a tak využívajú všetok dostupný priestor na povrchu solárneho článku.
Doštičky sú potom leštené na odstránenie znakov po rezaní. (Nedávno bolo objavené, že neleštené doštičky absorbujú svetlo oveľa efektívnejšie, z toho dôvodu sa niektorý výrobcovia rozhodli doštičky neleštiť)
Dopovanie Zvyčajný spôsob pridávania prímesí do kremíkových doštičiek s bórom a fosforom je založený na vkladaní malých čiastočiek bóru počas Czochralského procesu. Doštičky sú zatavené tesne k sebe a umiestnené do pece, ktorá je rozohriata tesne pod bod tavenia kremíka (1410 °C) za prítomnosti fosforových plynov. Fosforové atómy sa „vnoria“ do kremíka, ktorý je viac pórovitý pretože sa stáva tekutým. Teplota a čas procesu je pozorne sledovaný aby sa zabezpečil jednotné spojenie správnej hĺbky. Súčasnejší spôsob pridania prímesí do kremíku s fosforom je použiť malé urýchľovacie čiastočky na strieľanie fosforových iónov do prútu. Kontrolovaním rýchlosti iónov je možné sledovať ich hĺbku prenikania. Bohužiaľ, tento nový proces nebol všeobecne akceptovaný komerčnými výrobcami.
Ukladanie elektrických kontaktov Elektrické kontakty spájajú jednotlivé solárne články navzájom a napokon aj s obvodom prijímajúcim elektrický prúd. Kontakty musia byť veľmi tenké (aspoň vpredu), aby neblokovali slnečné svetlo dopadajúce na článok. Kovy ako paládium/striebro, nikel alebo meď sú vákuovo odparované. Keď sú kontakty na mieste, umiestnia sa tenké pásiky medzi články. Najbežnejšie používané pásiky sú z pocínovanej medi.
Antireflexný náter Pretože je čistý kremík lesklý, môže odrážať až 100% slnečného svetla. Na zmenšenie hodnoty strateného slnečného svetla sa na kremíkové doštičky používa antireflexný náter. Najbežnejšie používané sú oxid titánu a oxid kremičitý, hoci sa používajú aj iné. Materiál používaný na náter je buď ohrievaný až kým sa jeho molekuly neodparia smerom ku kremíku kde kondenzujú, alebo materiál podstúpi metódu rozprašovania. V tomto procese vysoké napätie zráža molekuly materiálu a ukladá ich do kremíku na opačnej elektróde. Ďalšou metódou je prirodzená reakcia kremíka s kyslíkom alebo dusíkatými plynmi za vzniku oxidu kremičitého alebo nitridu kremičitého. Práve tento je preferovaný výrobcami FV článkov.
Zapuzdrenie článkov Dokončené solárne články sú potom zapuzdrené. Sú zaliate do kremíkového kaučuku alebo polyvinyl acetátu. Zapuzdrené solárne články sú umiestnené do hliníkového rámu ktorý má mylarový alebo tedlarový zadný kryt a sklenený alebo plastový kryt. right|thumb|Kalkulačka napájaná solárnym článkom z amorfného kremíku
Polykryštalický kremík Stále viacej využívaný ako vstupný materiál vďaka svojej nižšej výrobnej cene (odpadá proces ťaženia monokryštálu), i keď dosahovaná účinnosť je nižšia než je tomu v prípade monokryštalického kremíka. Laboratórne solárne články dosahujú účinnosť 18,5%, v podmienkach hromadnej výroby však nepresahujú 14%. Doštičky polokryštalického kremíka sú štvorcového tvaru a sú rezané z odlievaného kremíkového ingotu. V priebehu tuhnutia taveniny dochádza k tvorbe rôzne veľkých a orientovaných kryštálov. Polykryštalická štruktúra materiálu dodáva týmto článkom charakteristický vzhľad.
Multikryštalický kremík Je to vlastne odroda polykryštalického kremíka. Je podstatne lacnejší ako monokryštalický a dosahuje v praxi celkom dobrej účinnosti od 12 do 14 %. Aby nevznikali straty pri prechode elektrónov rozhraním medzi kryštálmi vznikajú snahy vyrábať multikryštalický kremík s čo najväčšími kryštálmi, účinnosť tohto materiálu je taktiež možné zvýšiť chemickou úpravou vodíkom.
Hydrogenizovaný amorfný kremík Ide o materiál, ktorý nemá kryštalickú štruktúru ani príliš veľkú čistotu, je chemicky upravený vodíkom čo zlepšuje jeho vlastnosti. Tento druh kremíku sa využíva v tenkovrstvých solárnych článkoch, jeho výhodou je že je to lacný materiál a že sa ho výrobe môže použiť podstatne menšie množstvo, pretože značná časť energie slnečného žiarenia sa absorbuje už vo vrstve tenšej ako 1 µm. Hydrogenizovaný amorfný kremík sa tiež veľmi ľahko kombinuje z inými materiálmi ako napríklad uhlík, dusík, cín, germánium a tým sa vytvárajú zliatiny z rôznymi šírkami zakázaného pásma energií. Materiál sa zvykne nanášať na lacné podklady ako sklo, plast, oceľ. Jeho účinnosť je bohužiaľ dosť nízka – v praxi okolo 4 – 8 %.Superefficient, Cost-Effective Solar Cell Breaks Conversion Records – článok v Scientific American, 8. december 2006 To ho predurčuje na použitie v zariadeniach s malou spotrebou energie ako sú kalkulačky a hodinky. Je dobré si uvedomiť že práve pri takýchto zariadeniach by však použitie drahých materiálov predražilo výrobky natoľko, že by sa ich výroba vôbec nevyplatila.
Rozdielne formy kremíku
náhľad|Test solárnych článkov čiernym svetlom na vesmírnej sonde Dawn
Arzenid galitý (GaAs) Arzenid galitý obsadil druhé miesto vo využití pre výrobu fotovoltických článkov. Výskum a vývoj tohto materiálu prebiehajú už dlhé roky, znevýhodňuje ho však vyššia cena a aj niektoré ďalšie vlastnosti medzi ktorými dominuje predovšetkým značne väčšia krehkosť. V priemere dosahuje účinnosti okolo 18 %.