Keress okos szakembereket

Minden, amit tudnia kell a napelemekről

A napelem (fotovoltaika vagy PV elem), vagyis a napenergia hasznosítása a közelmúlt egyik legdinamikusabban fejlődő iparága. A napelem már nem csak "kozmikus teológia", hanem lassan mindennapi életünk szerves része, ezért nem árt többet tudni róla.

Meghatározás

A fotovoltaikus, vagyis napelemes rendszer egy olyan műszaki terület, amely a fény közvetlen villamos energiává alakításának folyamatával foglalkozik. A név két szó - fotó (fény) és volt (elektromos feszültség mértéke) - kombinálásával jött létre. Az átalakítási folyamat egy fotovoltaikus cellában, vagyis napelem panelben történik.

Hogyan működik a napelemcella?

A napelemcella egy olyan elektronikai alkatrész, amely fotonok, fényrészecskék hatására áramot termel. Ezt az átalakulást nevezik fotovoltaikus hatásnak, amelyet 1839-ben fedezett fel Edmond Becquerel francia fizikus. A napelemcellák első gyakorlati alkalmazása csak a hatvanas években kezdődött el, mégpedig a műholdas technológiában.

A napelemcella félvezető anyagokból készül, amelyek elnyelik a nap által kibocsátott fotonokat és szabad elektronokat generálnak. A fotonok elemi részecskék, amelyek 300 000 km/s sebességgel továbbítják a napfényt. Amikor a fotonok olyan félvezető anyagba ütköznek, mint a szilícium, szabad elektronok keletkeznek, és üres helyeket, lyukakat hagynak maguk után. A szabaddá vált elektronok véletlenszerűen mozognak, és újabb lyukakat keresnek, amelyeket kitölthetnek.

Az áramtermeléshez azonban az elektronoknak ugyanabban az irányban kell áramolniuk. Ez kétféle szilícium felhasználásával érhető el. A napsugárzásnak kitett szilíciumréteget foszfor atomokkal adalékolják, amelynek egy elektronnal több van, mint a szilíciumnak. A másik oldalhoz bór atomokat adnak, amelyekben egy elektronnal kevesebb van. A kapott mechanizmus hasonlóan működik, mint egy akkumulátor. Az a réteg, amelynek elektronfeleslege van, negatív terminálissá válik (n-típusú), az elektronhiányos réteg pedig pozitívvá (p-típusú). A két réteg között elektromos mező jön létre.

Amikor a fotonok az elektronokat gerjesztik, az elektromos tér az n-típusú oldalra vonja be őket, míg a lyukak a p-típusú oldalra mozognak. Az elektronokat és a lyukakat elektromos kapcsolatokba irányítják, amelyek mindkét oldalon a külső áramkör felé áramlanak, áram formájában. Ez egyenáramot eredményez. Visszaverődést gátló bevonatot adnak a cella tetejére, hogy minimalizálják a felületi visszaverődés miatti fotonvesztést.

Mekkora a napelem panelek hatásfoka?

A hatásfok a napelem által termelt elektromos energia és a befogadott napfény mennyiségének aránya. A hatásfok mérése érdekében a cellákat modulokká egyesítik, amelyeket tömbökbe állítanak össze. A modulokat ezután egy ideális napsugárzást utánzó napszimulátor elé helyezik, ahol köbméterenként 1000 W fény éri 25 °C környezeti hőmérsékleten. A rendszer által termelt villamosenergiát vagy csúcsteljesítményét a bejövő napenergia százalékában kapjuk meg. Ha egy 1 m2 alapterületű panel 200 W villamosenergiát termel, akkor annak hatékonysága 20%. A napelem cella maximális elméleti hatékonysága körülbelül 33%. A való életben egy cella által termelt villamosenergia mennyisége a térség átlagos éves napsütésétől és a berendezés típusától függ.

A napelemcellák alaptípusai

A napelemcelláknak 3 alaptípusa van: kristályos szilícium napelem, vékonyrétegű napelem és szerves anyagokból készült napelem. Átalakítási hatékonyságuk folyamatosan javul.

Kristályos szilícium napelem

A szilícium-dioxidot kivonják a szilíciumból. A szilícium napelemek a fotovoltaikus piac több mint 95%-át teszik ki. Kereskedelmi alkalmazás során a hatásfokuk az alkalmazott technológiától függően 16,5% és 22% között mozog. Kivonásos eljárással a forgó szilícium olvadékból nagy, egykristályos szerkezetű szilíciumkristályt növesztenek, amelyet monokristálynak neveznek. Laboratóriumi hatásfoka akár 26,6%. A szilíciumcellák ára az elmúlt években csökkent, ami lehetővé teszi a napelemek számára , hogy más áramforrásokkal versenyezzenek.

Vékonyrétegű napelem

A körülbelül 200 mikron méretű szilícium rétegek helyett lehetőség van arra, hogy a félvezető anyagokat csak néhány mikron vastagságú vékony rétegekben vigyék fel egy hordozóra, például üvegre vagy műanyagra. Általánosan használt anyagok a kadmium-tellurid, valamint a réz-indium-diszelenid (CIS), amelyek laboratóriumi hatásfoka közel áll a szilíciuméhoz, nevezetesen 22,1% és 23,3% között található. Amorf (nem kristályos) szilícium is felhasználható a vékonyréteg előállításához. Ezt a technológiát régóta használják kis számológépekben, de kevésbé hatékony, mint a szilícium.

Szerves napelemek

A szerves napelemeket, amelyekhez szerves molekulákat vagy polimereket használnak félvezető ásványok helyett az utóbbi években kezdték a kereskedelemben használni. A cellák konverziós hatásfoka és élettartama még mindig alacsony, de a gyártás szempontjából potenciálisan olcsó alternatívát jelentenek.

Perovszkit napelemek

A közelmúltban egy másik technológia, a perovszkit napelemek kezdték felkelteni a közönség figyelmét. Bár még sok kutatásra van szükség ezen cellák tömegtermelésének lehetővé tételéhez (a probléma az instabilitásuk), a perovszkitáknak számos előnye kimutatható. Amellett, hogy könnyűek és rugalmasak, és nagy felületekre is felvihetők. Ezenkívül rendkívül költséghatékony a gyártásuk.

Technológiai összetartás

A tudósok a világ minden táján azon dolgoznak, hogy a különböző fotovoltaikus technológiákat ötvözzék a minél magasabb hatásfokú cellák létrehozását megcélozva. A különböző anyagok használata lehetővé teszi a napelem számára, hogy a maximális elméleti határértéknél (33,5%) jóval nagyobb hatékonyságot érjen el, miközben a gyártási költségek is kordában tartva maradnak. A kutatás főként a vékonyrétegű szilícium tandem cellákra összpontosít, amelyek elméleti hatásfoka 43%. Több csatlakozó maximális elméleti hatásfoka meghaladhatja az 50%-ot.