Ako električnu energiju dobivamo direktnom pretvorbom energije sunčeva zračenja, tada govorimo o sunčevoj fotonaponskoj (FN) energiji. U fizici je ovakva pretvorba energije poznata pod nazivom fotonaponski efekt. Uređaji u kojima se odvija fotonaponska pretvorba energije, zovu se solarni članci (eng. photovoltaics - PV).

Sunčeva FN energija ubraja se u obnovljive izvore energije. mini|200px|desno|Fotonaponska solarni članak - uređaj u kojem se odvija izravna pretvorba energije sunčevog zračenja u električnu energiju

Princip rada Prema kvantnoj fizici svjetlost ima dvojni karakter; svjetlost je i čestica, i val. Čestice svjetlosti nazivaju se fotoni i to su čestice bez mase koje se gibaju brzinom svjetlosti. Energija fotona ovisi o njegovoj valnoj duljini, odnosno o frekvenciji. Energiju fotona možemo izračunati Einsteinovim relacijom koja glasi:

gdje je: - Energija fotona - Planckova konstanta () - Frekvencija fotona

U metalima, i općenito u materiji, elektroni mogu postojati kao valentni ili slobodni. Valentni elektroni vezani su uz atom, dok se slobodni elektroni mogu slobodno gibati. Da bi od valentnog elektrona nastao slobodni, on mora dobiti energiju koja je veća ili jednaka energiji vezanja. Energija vezanja predstavlja energiju kojom je elektron vezan za atom u nekoj od atomskih veza. U slučaju fotoelektričnog efekta za oslobađanje od veze prema atomu elektron potrebnu energiju dobiva od sudara s fotonom. Dio energije fotona troši se da bi se elektron oslobodio od utjecaja atoma za koji je vezan, a preostali dio energije pretvara se u kinetičku energiju, sada već slobodnog elektrona. Slobodni elektroni dobiveni fotoelektričnim efektom nazivaju se još i fotoelektroni. Energija koja je potrebna da se valentni elektron oslobodi utjecaja atoma, naziva se rad izlaza i ovisi o vrsti materijala u kojem se dogodio fotoelektrični efekt. Jednadžba koja opisuje ovaj proces glasi:

gdje je:

- Energija fotona - Rad izlaza - Kinetička energija emitiranog elektrona

Iz gornje jednadžbe vidljivo je da se elektron neće moći osloboditi ako je energija fotona manja od rada izlaza.

Proces konverzije je zasnovan na fotoelektričnom efektu kojeg je otkrio Heinrich Rudolf Hertz 1887. g., a prvi ga objasnio Albert Einstein 1905. za što je 1921. g. dobio Nobelovu nagradu.

mini|400px|desno|Fotoelektrična konverzija u PN spoju

Da bismo fotoelektričnim efektom dobili električnu energiju, trebamo imati usmjereno gibanje fotoelektrona, odnosno struju. Sve nabijene čestice, a tako i fotoelektroni, gibaju se usmjereno pod utjecajem električnog polja. Električno polje koje je ugrađeno u sam materijal, nalazi se u poluvodičima i to u osiromašenom području PN spoja (diode). Kod poluvodiča, uz slobodne elektrone, postoje i šupljine kao nosioci naboja, koje su svojevrstan nusprodukt pri nastanku slobodnih elektrona. Šupljina nastaje svaki put kada od valentnog elektrona nastane slobodni elektron i taj proces naziva se generacija, dok se obrnuti proces, kada slobodni elektron popuni prazno mjesto - šupljinu, zove rekombinacija. Ako parovi elektron-šupljina nastanu daleko od osiromašenog područja, moguće je da se rekombiniraju, prije nego što ih razdvoji električno polje. Parovi koji nastanu uz osiromašeno područje ili u njega bivaju privučeni, i to šupljine prema P strani poluvodiča, a elektroni prema N strani poluvodiča. Zbog toga se fotoelektroni i šupljine u poluvodičima nagomilavaju na suprotnim krajevima i na taj način stvaraju elektromotornu silu. Ako na takav sustav spojimo trošilo, poteći će struja i dobit ćemo električnu energiju.

Na ovakav način sunčani članci proizvode napon oko 0.5-0.7 V uz gustoću struje od oko nekoliko desetaka mA/cm2 ovisno o snazi sunčevog zračenja, ali i o spektru zračenja.

Korisnost fotonaponske solarne članke definira se kao omjer električne snage koju daje FN solarni članak i snage sunčevog zračenja. Matematički se to može formulirati relacijom:

gdje je: Pel - Izlazna električna snaga Psol - Snaga zračenja (najčešće Sunčevog) U - Efektivna vrijednost izlaznog napona I - Efektivna vrijednost izlazne struje E - Specifična snaga zračenja (npr. u W/m2) A - Površina

Korisnost FN solarnih članka kreće se od svega nekoliko postotaka do četrdesetak posto. Ostala energija koja se ne pretvori u električnu uglavnom se pretvara u toplinsku i na taj način grije članak. Općenito porast teperature solarnog članka utječe na smanjene korisnosti FN članka.

Karakteristike pojedinih članaka FN članci iz silicija se izvode u više morfoloških oblika: kao monokristalni, polikristalni i amorfni. Monokristalni Si članci: ovaj tip članka može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 140 W električne energije s površinom članka od 1 m2. Za proizvodnju monokristalnih Si članaka potreban je apsolutno čisti poluvodički materijal. Monokristalni štapići se izvade iz rastaljenog silicija i režu na tanke pločice. Takav način izrade omogućuje relativno visoki stupanj iskoristivosti.

Polikristalni Si članci: ovaj tip članka može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 130 W električne energije s površinom članaka od 1 m2. Proizvodnja ovih članka je ekonomski efikasnija u odnosu na monokristalne. Tekući silicij se ulijeva u blokove koji se zatim režu u ploče. Tijekom skrućivanja materijala stvaraju se kristalne strukture različitih veličina na čijim granicama se pojavljuju greške, zbog čega solarni članka ima manju iskoristivost.

Amorfni Si članci: ovaj tip članka može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 50 W električne energije s površinom članaka od 1 m2. Ako se tanki film silicija stavi na staklo ili neku drugu podlogu to se naziva amorfni ili tankoslojni članak. Debljina sloja iznosi manje od 1 µm, stoga su troškovi proizvodnje manji u skladu s niskom cijenom materijala. Međutim iskoristivost amorfnih članaka je puno niža u usporedbi s drugim tipovima članaka. Prvenstveno se koristi u opremi gdje je potrebna mala snaga (satovi, džepna računala) ili kao element fasade. Osim od silicija, koji je najčešći u primjeni, fotonaponski članci izrađuju se i od nekig drugih materijala: Galij arsenidni (GaAs) članci: galij arsenid je poluvodič napravljen iz mješavine galija i arsena. Pogodan je za upotrebu u višeslojnim i visoko učinkovitim člancima. Širina zabranjene vrpce (band gap) je pogodna za jednoslojne solarne članke. Ima visoku apsorpciju pa je potrebna debljina od samo nekoliko mikrona da bi apsorbirao sunčeve zrake. Relativno je neosjetljiv na toplinu u usporedbi sa Si člancima te na zračenja. Zbog visoke cijene koristi se u svemirskim programima i u sustavima s koncentriranim zračenjem gdje se štedi na člancima. Projekti koncentriranog zračenja su još u fazi istraživanja. Galij indijum fosfidna/galij arsenid (GaInP)/GaAs dvoslojni članak ima iskoristivost od 30 % i koristi se u komercijalne svrhe za svemirske aplikacije. Ovaj tip članka može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 300 W električne energije s površinom članaka od 1 m2.

Kadmij telurisjki (CdTe) članci: ovaj tip članka može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 160 W električne energije s površinom članaka od 1 m2 u laboratorijskim uvjetima. Kadmij teleurid je spoj elementa: metala kadmija i polumetala telurija. Pogodan za upotrebu u tankim PV modulima zbog fizikalnih svojstava i jeftinih tehnologija izrade. Usprkos navedenim prednostima zbog kadmijeve otrovnosti i sumnje na kancerogenost nije u širokoj upotrebi.

Povezivanje članaka u veće cjeline Povezivanje članaka može biti izvedeno na dva načina: Paralelno– paralelnim spajanjem dolazi do povećanja jačine struje s povećanjem površine, izvodi se tako da se svi (+) polovi spoje na isti vodič, analogno i za (-) vodiče. Serijski – serijskim spajanjem dolazi do povećanja napona s povećanjem površine, izvodi se tako da se naizmjenično spajaju (+) i (-) polovi članaka u nizu.

Planiranje i prilagodba sustava Jedan kvadratni metar fotonaponskih solarnih panela može proizvesti do 150 W bez održavanja snage do trideset godina. Oni će čak raditi i na difuzno svjetlo kad su oblačni dani, ali manjom izlaznom snagom. Napon proizveden fotonaponskim panelom ostaje približno isti bez obzira na vrijeme, ali jačina (A) i snaga (W) će varirati. Najvažniju varijablu koju treba imati na umu pri planiranju fotonaponskih solarnih instalacija je izlazna snaga, koja će uglavnom ovisiti o četiri faktora: maksimalna (vršna) snaga panela (prikazana kao peak-watt tj. Wp) intenzitet svjetlosti broj sati izloženosti suncu kut izlaganja suncu

Rad pri intenzivnom dnevnom svjetlu Maksimalna snaga Pmax panela izražava se u Wp, znači koliki broj vati (W) će panel proizvoditi u idealnim uvjetima, tj. u podne na direktnu sunčevu svjetlost po hladnom vremenu. Maksimalni intenzitet sunčevog zračenja je 1,000 W/m2. Sljedeći faktori utječu na količinu sunčevog zračenja čime utječu na učinkovitost fotonaponskih panela: vremenski uvjeti (oblaci, magla i sl.), kako je sunce visoko na nebu, broj sunčanih dana i dr.

Prvi faktor - makismalna (vršna) snaga panela - npr. 50 W panel bi trebao proizvesti 50 W za svaki sat od sunca 1,000 W / m2. Paneli će proizvesti oko pola tog iznosa (25 vata svaki sat) kada su izloženi do 1/2 svjetla (500 W / m2). Difuzno svjetlo koje prolazi kroz tanke oblake moglo bi davati oko 300 W / m2. U vrlo lošim vremenskim uvjetima s debelim, tamnim oblacima, intenzitet svjetlosti mogao bi pasti na svega 100 W / m2 i proizvesti samo 5 W.

Drugi faktor - intenzitet svjetlosti - pozicija sunca iznad horizonta, a time i kut pod kojim sunčeve zrake dolaze na Zemlju, varira s godišnjim dobom. Kada je sunce vrlo visoko na nebu (ljeto), njegove zrake putuju kroz atmosferu brže na kraće udaljenosti, nego kad je nisko na nebu (zimi). Sunčeve zrake su raspršene sve više i tim više postaju difuzne prilikom prolaska kroz maglu ili zagađenja. Mjesto koje dobiva puno sunca u rujnu moglo bi biti zasjenjeno od studenog do siječnja zbog prepreka (drveće, dimnjaci, krovova i sl.).

Treći faktor - broj sati izloženosti suncu - stvara najveći problem za one koji ne žive u blizini ekvatora, odnosno razlika u broju sunčanih sati između godišnjih doba.

Četvrti faktor - kut izlaganja suncu - uvijek je najbolje da se paneli usmjere prema jugu s idealnim kutom nagiba ovisno o geografskom položaju i dobu godine. Sunčeve zrake trebaju padati okomito na panel. Idealna situacija u Europi je da imamo krov okrenut prema jugu s kutom između 40 i 60 stupnjeva, ili još bolje, ravni krov ili površinu na kojem možemo panele podesiti po volji.

Ostali parametri Od ostalih parametara koji još nisu spomenuti, s energetskog stanovišta, bitno je vrijeme povrata uložene energije. Kao i svaki uređaj, tako i FN solarni članci, da bi se proizvele, zahtijevaju određeni ulog energije. Vrijeme povrata uložene energije je vrijeme koje FN članak mora raditi da bi proizveo električnu energiju koja je bila potrebna za njegovu proizvodnju. To vrijeme iznosi od jedne do nekoliko godina, dok je rok trajanja od 10 do 30 godina, ovisno o tehnologiji.

Razvoj fotonaponske tehnologije i tržišta Pod razvojem fotonaponske tehnologije podrazumjeva se razvoj tržišta sunčeve FN energije i razvoj same tehnologije.

Razvoj tržišta Kada govorimo o tržištu FN energije mislimo na instalirane kapacitete solarnih članaka u nekoj regiji ili svijetu. Unazad desetak godina, tržište FN tehnologije raste praktički eksponencijalno. Države u kojima je proizvedeno najviše FN solarnih članaka su Japan, Njemačka, zatim SAD, te Taiwan i Kina.

lang=hr|mini|500px|središte|Proizvodnja sunčanih članaka u svijetu

U 2007. godini svjetska proizvodnja FN solarnih članaka iznosila je oko 3800 MW, dok je porast proizvodnje u odnosu na 2006. godinu iznosio 50%. Ovakav drastičan porast može se objasniti državnim poticajima za obnovljive izvore energije, sve većom brigom za okoliš unazad nekoliko godina (Kyoto protokol), te rastom cijena nafte.