Ako se električna energija dobije direktnim pretvaranjem energije sunčevog zračenja tada govori o sunčevoj fotonaponskoj (FN) energiji. U fizici ovakvo pretvaranje energije je poznato pod nazivom fotoelektrični efekt. Uređaji u kojima se odvija fotonaponsko pretvaranje energije zovu se solarne ćelije.

Sunčeva FN energija ubraja se u obnovljive izvore energije. mini|200px|десно|мини|Fotonaponska solarna ćelija - uređaj u kojem se odvija direktno pretvaranje energije sunčevog zračenja u električnu energiju

Princip rada Prema kvantnoj fizici svetlost ima dvojni karakter. Svetlost je i čestica i talas. Čestice svetlosti nazivaju se fotoni. Fotoni su čestice bez mase i kreću se brzinom svetlosti. Energija fotona zavisi o njegovoj talasnoj dužini odnosno o frekvenciji. Energiju fotona možemo izračunati Ajnštajnovim zakonom koji glasi:

gde je: - Energija fotona - Plankova konstanta, iznosi × - Frekvencija fotona

U metalima i uopšte u materiji, elektroni mogu postojati kao valentni ili slobodni. Valentni elektroni vezani su uz atom, dok se slobodni elektroni mogu slobodno kretati. 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 elektron potrebnu energiju dobiva od sudara sa fotonom. Deo energije fotona troši se da bi se elektron oslobodio od uticaja atoma za koji je vezan, a preostali deo 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 uticaja atoma naziva se rad izlaza i zavisi o vrsti materijala u kojem se dogodio fotoelektrični efekt. Jednačina koja opisuje ovaj proces glasi:

gde je:

- Energija fotona

- Rad izlaza

- Kinetička energija emitiranog elektrona

Iz gornje jednačine 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 Hajnrih Rudolf Herc 1887. godine, a prvi ga objasnio Albert Ajnštajn 1905, za šta je 1921. godine dobio Nobelovu nagradu.

mini|400px|десно|мини|Fotoelektrična konverzija u PN spoju

Da bi dobili električnu energiju fotoelektričnim efektom trebamo imati usmereno kretanje fotoelektrona, odnosno struju. Sve naelektrisane čestice, a tako i fotoelektroni kreću se usmjereno pod uticajem električnog polja. Električno polje koje je ugrađeno u sam materijal nalazi se u poluprovodnicima i to u osiromašenom području PN spoja (diode). Za poluprovodnike treba naglasiti da uz slobodne elektrone u njima 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 rekombiniraju, prije nego što ih razdvoji električno polje. Parovi koji nastanu uz osiromašeno područje ili u njemu bivaju privučeni, i to šupljine prema P strani poluprovodnika, te elektroni prema N strani poluprovodnika. Zbog toga se fotoelektroni i šupljine u poluprovodniku, nagomilavaju na suprotnim krajevima i na taj način stvaraju elektromotornu silu. Ako na takav sistem spojimo potrošač, poteći će struja i dobiti ćemo električnu energiju.

Na ovakav način sunčane ćelije proizvode napon oko 0.5-0.7 -{V}- uz gustinu struje od oko nekoliko desetaka -{mA/cm}-2 zavisno od snage sunčevog zračenja, ali i o spektru zračenja.

Korisnost fotonaponske solarne ćelije definiše se kao odnos električne snage koju daje FN solarna ćelija i snage sunčevog zračenja. Matematički se to može formulirati relacijom:

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

Korisnost FN solarnih ćelija kreće se od svega nekoliko postotaka do četrdesetak posto. Ostala energija koja se ne pretvori u električnu uglavnom se pretvara u toplotnu i na taj način greje ćeliju. Uopšte porast temperature solarne ćelije utiče na smanjene korisnosti FN ćelije.

Karakteristike pojedinih ćelija

PV ćelije iz silicijuma se izvode u više morfoloških oblika, kao monokristalne, polikristalne i amorfne. Monokristalne -{Si}- ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 -{W/m²}- sunčevog zračenja u 140 -{W}- električne energije s površinom ćelija od 1 -{m²}-. Za proizvodnju monokristalnih -{Si}- ćelija potreban je apsolutno čisti poluprovodnički materijal. Monokristalni štapići se izvade iz rastopljenog silicijuma i režu na tanke pločice. Takav način izrade omogućuje relativno visoki stupanj iskoristivosti. Polikristalne -{Si}- ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 -{W/m2}- sunčevog zračenja u 130 -{W}- električne energije s površinom ćelija od -{1 m²}-. Proizvodnja ovih ćelija je ekonomski efikasnija u odnosu na monokristalne. Tekući silicijum se uliva u blokove koji se zatim režu u ploče. Tokom skrućivanja materijala stvaraju se kristalne strukture različitih veličina na čijim granicama se pojavljuju greške, zbog čega solarna ćelija ima manju iskoristivost. Amorfne -{Si}- ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 -{W/m2}- sunčevog zračenja u 50 -{W}- električne energije s površinom ćelija od 1 -{m²}-. Ukoliko se tanki film silicijuma stavi na staklo ili neku drugu podlogu to se naziva amorfna ili tankoslojna ćelija. Debljina sloja iznosi manje od 1 -{µm}-, stoga su troškovi proizvodnje manji u skladu sa niskom cenom materijala. Međutim iskoristivost amorfnih ćelija je puno niža u uporedbi s drugim tipovima ćelija. Prvenstveno se koristi u opremi gde je potrebna mala snaga (satovi, džepna računala) ili kao element fasade. Galijum arsenidne (-{GaAs}-) ćelije: galijum arsenid je poluprovodnik napravljen iz mešavine galijuma i arsena. Pogodan je za upotrebu u višeslojnim i visoko učinkovitim ćelijama. Širina zabranjene vrpce (band gap) je pogodna za jednoslojne solarne ćelije. Ima visoku apsorpciju pa je potrebna debljina od samo nekoliko mikrona da bi apsorbovao sunčeve zrake. Relativno je neosetljiv na toplotu u upoređenju sa -{Si}- ćelijama. Zbog visoke cene koristi se u svemirskim programima i u sastavima s koncentrisanim zračenjem gde se štedi na ćelijama. Projekti koncentrisanog zračenja su još u fazi istraživanja. Galijum indijum fosfidna/galijum arsenid -{(GaInP)/GaAs}- dvoslojna ćelija ima iskoristivost od 30% i koristi se u komercijalne svrhe za svemirske aplikacije. Ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 -{W/m²}- sunčevog zračenja u 300 -{W}- električne energije sa površinom ćelija od 1 -{m²}-. Kadmijum telurove (-{CdTe}-) ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 -{W/m²}- sunčevog zračenja u 160 -{W}- električne energije sa površinom ćelija od 1 -{m²}- u laboratorijskim uslovima. Kadmijum telurid je jedinjenje elementa: metala kadmijuma i polumetala telura. Pogodan za upotrebu u tankim PV modulima zbog fizičkih svojstava i jeftinih tehnologija izrade. Uprkos navedenim prednostima, zbog kadmijumove otrovnosti i sumnje na kancerogenost nije u širokoj upotrebi.

Povezivanje ćelija u veće celine

Povezivanje ćelija 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 (-) pol ćelija u nizu.

Planiranje i prilagođavanje sastava

Jedan kvadratni metar fotonaponskih solarnih panela može proizvesti do 150 -{W}- bez održavanja snage do trideset godina. Oni će čak i raditi na difuzno svetlo kad su oblačni dani, ali sa manje izlazne snage. Napon proizveden fotonsponskim panelom ostaje približno isti bez obzira na vreme, ali jačina (A) i snaga (W) će varirati. Najvažniju varijablu koju treba imati na umu pri planiranju fotonaponskih solarnih instalacija je izlazna snaga, koje će uglavnom zavisiti o četiri faktora: maksimalna snaga vašeg panela intenzitet svetlosti broj sati izloženosti suncu i ugao izlaganja suncu

Rad pri intenzivnom dnevnom svetlu Maksimalna snaga Pmax panela izražava se u -{Wp}-, znači koliko vati (W) će panel proizvoditi u optimalnim uslovima, tj. u podne na direktnu sunčevu svetlost po hladnom vremenu. Maksimalni intenzitet sunca je 1,000 -{W/m²}-. Sledeći faktori utiču na količinu sunca, a time i na produktivnost fotonaponskih panela: Vremenski uslovi (oblaci, magla i sl.) Kako je sunce visoko na nebu Broj sunčanih dana

Prvi faktor se često pomalo olako shvata, 50 W panela 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 svetla (500 -{W / m²}-). Difuzno svetlo koje prolazi kroz tanke oblake moglo bi davati oko 300 -{W / m²}-. U vrlo lošim vremenskim uslovima s debelim, tamnim oblacima, intenzitet svetlosti mogao bi pasti na 100 -{W / m²}- i proizvesti samo 5 W po satu.

Drugi faktor, visina sunca iznad horizonta varira od godišnjeg doba. Kada je sunce vrlo visoko u nebo (leto), njegovi zraci putuju kroz atmosferu brže na kraće udaljenosti, nego kad je nisko na nebu (zimi). Sunčevi zraci su raspršene sve više i tim više postaju difuzni prilikom prolaska kroz maglu ili zagađenja. Mesto koje dobiva puno sunca u 9. mjesecu moglo bi biti zasenjeno od novembra do januara zbog prepreka (drveće, dimnjaci, krovova i sl.).

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

Optimalno okretanje panela prema Suncu Uvijek je najbolje da se paneli usmere prema jugu sa idealnim uglom nagiba zavisno od geografskog položaja i doba godine. Sunčevi zraci trebaju padati strmo na panel. Idealna situacija u Evropi je da imamo krov okrenut prema jugu s uglom između 40 i 60 stupnjeva, ili, još bolje, ravni krov ili površinu na kojem možemo panele podesiti po volji. Može se odstupati od ovih vrednosti ako je to neophodno ili iz estetskih razloga, da bi ih uklopili u postojeće arhitektonske strukture. Budućnost fotonaponskih sistema zavisiće će u velikoj meri o skladnoj integraciji panela u gradnji zgrada.

Ostali parametri

Od ostalih parametara koji još nisu spomenuti, sa energetskog stanovišta, bitno je vreme povratka uložene energije. Kao i svaki uređaj, tako i FN solarne ćelije, da bi se proizvele, zahtevaju određeni ulog energije. Vreme povratka uložene energije je vreme koje FN ćelija mora raditi da bi proizvela električnu energiju koja je bila potrebna za njenu proizvodnju. To vreme iznosi od jedne do nekoliko godina, dok je rok trajanja od 10 do 30 godina, zavisno o tehnologiji.

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

Razvoj tržišta

Kada govorimo o tržištu FN energije mislimo na instalirane kapacitete solarnih ćelija u nekoj regiji ili svetu. Unazad desetak godina, tržište FN tehnologije raste praktično eksponencijalno. Države u kojima je proizvedeno najviše FN solarnih ćelija su Japan, Nemačka, zatim SAD, te Tajvan i Kina.

lang=sr|mini|мини|500px|центар|Tržište fotonaponskih solarnih ćelija unazad nekoliko godina eksponencijalno raste