Z celkového výkonu vyzařovaného Sluncem dopadá na naši Zemi pouhá dvoumiliardtina. Sluneční záření se po dopadu na Zemi mění na teplo a chemickou energii. Problém při využívání sluneční energie nastává ve střídání dnů a nocí, ročních dob, a také zeměpisná šířka hraje svou roli (na Saharu dopadne 2500 kWh na m2 za rok, zatímco na Floridě je to jen 1800 kWh na m2 za rok a v okolí Berlína pouze 1000 kWh na m2 za rok). Jen několik míst má více než 300 slunečních dnů v roce. V České republice je intenzita slunečního záření odhadována na 950 – 1 340 kW na metr čtvereční za rok. Intenzita solárního záření se pochopitelně mění i v průběhu ročního období. V České republice je nejvyšší mezi dubnem a zářím.
Solární neboli sluneční energie patří k obnovitelným zdrojům energie. Solární energii lze přímo využít k ohřevu vody nebo přitápění pomocí solárních kolektorů pro ohřev vody nebo k výrobě elektřiny pomocí fotovoltaických panelů. Fotovoltaický jev objevil v roce 1839 teprve 19.letý Alexandr Edmond Becquerel v laboratoři svého otce. Pozoroval elektrické děje v elektrolytickém článku, které vyvolalo dopadající světlo. Jev brzy našel uplatnění v expozimetrech používaných při fotografování. Účinnost těchto článků byla velmi nízká, nepřekračovala 1 %. První skutečně použitelný sluneční článek připravili v roce 1954 v Bellových laboratořích Daryl Chapin, Calvin Fuller a Gerald Pearson. Měl sloužit jako spolehlivý zdroj napájení pro telefonní linky. Použili arsénem dopovanou tenkou destičku křemíku, ve které vytvořili fosforem PN přechod. Článek měl pouhé 2 cm2 a s účinností 6 % dával maximální výkon asi 10 mW. Tento původní článek stále existuje a dokonce funguje, i když s účinností jen 1,5 %. Skutečný rozvoj fotovoltaiky však nastal až s nástupem kosmického výzkumu na konci padesátých let minulého století, kde byly solární články použity jako zdroj elektrické energie pro první družice. Do konce tisíciletí se účinnost fotovoltaické přeměny křemíku zvýšila na 25 %.
Solární článek.
Zdroj: Techmania Science Center. Under Creative Commons.
Přímá přeměna slunečního záření na elektřinu využívá fotovoltaického jevu, který nastává v některých polovodičích (např. křemíku, germaniu aj.). Nejpoužívanější je krystalický křemík buď jako jeden krystal (monokrystal), nebo jako mnoho malých krystalů (polykrystal). Monokrystal je účinnější, ale jeho získávání je pracné a nákladné. V zemské kůře je křemík zastoupen z 30 %, což zaručuje dostatek materiálu. K výrobě solárních článků se používá i galium arsenid. Jedná se o slitinový polovodičový materiál GaAs s vysokou účinností. Využívá se zejména v kosmických aplikacích, protože je mnohonásobně dražší, ale také i účinnější. V roce 2009 přišla skupina prof. Tsutomu Miyasaky s prvními pokusy s organicko-anorganickými perovskitovými slunečními články, jejichž účinnost se pohybuje kolem 20 %, při tloušťce cca 250 nm a výrobě při běžných teplotách. Tyto materiály však mají dva zásadní nedostatky: vzdušná vlhkost postupně způsobuje chemický rozklad perovskitové struktury a navíc obsahují olovo. Proto je v současnosti hlavním námětem výzkumu kombinace perovskitové a křemíkové struktury. Pro každý materiál existuje horní hranice účinnosti, např. pro křemík je to 29,4 %.
Tenké destičky nařezané z krystalu se pokryjí z jedné strany pětimocným prvkem (např. fosforem) a z druhé strany trojmocným prvkem (např. arzenem). Takto pokrytá destička se nazývá sluneční článek. Jestliže sluneční článek absorbuje foton slunečního záření, tak se v polovodiči uvolní jeden elektron, po němž zůstane díra (chová se jako kladně nabitá).
Schéma polovodičového fotovoltaického článku.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Vnějším okruhem spojujícím obě strany destičky pak teče proud. Jeden cm2 dává asi 12 mW. Jeden m2 může na zemi v letní poledne dát až 150 W. V kosmickém prostoru je to až 250 W. Sluneční články se zapojují za sebou, abychom dosáhli potřebného napětí (na jednom článku je 0,5 V) a vedle sebe, abychom dosáhli potřebný proud. Spojením mnoha článků za sebou a vedle sebe vznikne sluneční panel.
Od roku 1954, kdy byl na trh uveden první křemíkový článek, vzniklo několik technologií výroby, využívající vlastnosti polovodičových materiálů. Klíčové kritérium, pro uvedení dané technologie do výroby je cena solárního článku na jeden watt. Výzkum a vývoj solárních článků se snaží snižovat cenu pomocí využití nových materiálů, zlepšení účinnosti, popřípadě zavedením levnějších technologických postupů.
Maximální účinnosti dosahují solární články a solární panely pouze v případě, svítí-li slunce kolmo na ně. Aby tato podmínka mohla být dodržena, musí být solární panely vůči slunci natočeny pod určitým úhlem. Tím, že budeme solárním panelem otáčet podle pohybu Slunce, zvýšíme jeho účinnost. Běžně se nejvíce využívá levný solární článek na bázi amorfního křemíku s účinností asi 5 %, který napájí např. kalkulačku.
Jednou z největších fotovoltaických elektráren nejen u nás, ale i v celé střední, jižní a východní Evropě je fotovolatická elektrárna Vepřek u Mělníka. Rozkládá se na ploše 82,5 ha a v provozu má téměř 200 000 solárních panelů. Její maximální výkon je 35 MW. Největší fotovoltaická elektrárna byla dána do provozu v roce 2015 v kalifornském Topaz Solar Farm. Elektrárna se nachází na ploše 25 km2 a její výkon je 550 MW. V roce 2017 byla v čínském městě Huainan uvedena do provozu solární elektrárna s maximálním výkonem 40 MW. Na elektrárně není až tak zajímavý její výkon, ale její umístění. Byla totiž postavena na umělém jezeře. Umístění elektrárny na vodní ploše má řadu výhod: není zastavěná orná půda, chrání se zásoby vody tím, že se sníží množství vody odpařované do ovzduší. Navíc v okolí vodních ploch bývá nižší teplota, která pomáhá k vyšší účinnosti elektrárny.
Na předměstí Amsterodamu byla zprovozněna speciální cyklostezka. Úsek o délce 70 m je tvořen solárními panely. I tak za půl roku vyprodukovala 3 000 kWh elektrické energie, což je spotřeba jedné domácnosti. Panely bez problémů snesly nápor 150 tisíc cyklistů.
Solární stezka v Amsterodamu. Zdroj: http://www.solaroad.nl.Sluneční záření může poskytovat energii i pro automobily. Panely slunečních článků jsou umístěny na střeše automobilu. Nevýhodou je potřeba velké plochy střechy. Získaný proud je slabý a auto jede, jen když svítí slunce. Daleko výhodnější je nabíjení automobilových akumulátorů pomocí slunečních článků.
Solární automobil od Toyoty. Zdroj: www.techplanet.cz.Největší solární lodí je plavidlo Tûranor PlanetSolar. 27. září 2010 opustil Tûranor přístav v Monaku a zpět se do něj navrátil po 584 dnech, 4. května 2012. Plavidlo stálo cca 12,5 mil. eur a může plout rychlostí až 12 uzlů (cca 22 km/h). Na lodi je instalováno 825 solárních panelů, z nichž některé jsou umístěny na křídlech, která generují až 93,5 kW. V noci je plavidlo poháněno lithiovými bateriemi, se kterými vystačí i tři dny bez slunečního svitu. V červnu 2013 byla loď přeměněna na vědeckou platformu jako součást expedice PlanetSolar Deepwater, jejímž úkolem byla analýza procesů v oceánu, atmosférickém rozhraní Golfského proudu.
Tûranor PlanetSolar v Hamburku. Zdroj: commons.wikimedia.org. Autor: Karl-Heinz Hochhaus. Under Creative Commons.Dalším dopravním prostředkem, který by do budoucna mohl využívat solární energii je letadlo. Projekt Solar Impulse s prototypem letadla HB-SIA má délku 21,85 metru, rozpětí křídel 63,4 metru a výšku 6,4 metru. Je pokryt celkem 200 m² fotovoltaických článků a energii na noční nebo bezsluneční let si uchovává v sadě lithuim-polymerových akumulátorů. První přízemní let v délce zhruba 350 metrů se uskutečnil 3. prosince 2009 ve švýcarském Dübendorfu. Po dalších úspěšných letech následoval 13. května 2011 první mezinárodní let ze švýcarského Dübendorfu do Bruselu. Průměrná letová rychlost byla 50 km/h a letová hladina cca 1800 m. Dne 2. června 2014 byl představen další prototyp s ozačním HB-SIB.
Prototyp solárního letounu HB-SIA. Zdroj: commons.wikimedia.org. Under Creative Commons.
