A napelem energiatermelésért felelős fényelektromos (fotovoltaikus) hatást Alexandre Edmond Becquerel francia fizikus demonstrálta először sikeresen 1839-ben, 19 évesen. Az ifjú feltaláló a felfedezés hevében, még abban az évben megépítette a világ első fotovoltaikus elemét, amely az elektromágneses sugárzásból villamos energiát állít elő. Becquerel találmánya számos kísérletezésen és továbbfejlesztésen esett át, míg nem eljutottunk a napelemek mai formáihoz: tehát olyan berendezések, amelyek a napfény energiáját elektromos árammá tudják alakítani.
Hogyan termelnek a napelemek energiát?
A napelemek tulajdonképpen fotovoltaikus cellák, melyek a fotovoltaikus jelenségen alapulva működnek. Fotovoltaikus jelenség során az elektronok fény hatására az alapállapotból magasabb energiájú szintre gerjesztődnek, és az atommagoktól kissé „szabadulva” szabadon áramolhatnak. Amennyiben egy félvezető diódát teszünk ki megfelelő sugárzásnak, fotovoltaikus cellát hozunk létre. A lényeg az, hogy ha például egy szilícium darabot bór atomokkal egy másikat foszforral szennyezünk, és összeillesztjük őket, akkor az összeillesztésnél kapunk egy p-n átmenetet, mivel a bór elektronhiányos állapotot, illetve lyukvezetésnek kedvező körülményeket (n-típusú félvezető), a foszfor pedig elektron többletet, illetve elektronáramlást biztosít (p-típusú félvezető). A p-n átmenetben ezek a különböző töltésű töltéshordozók rekombinálódnak. vagyis az elektronok beilleszkednek az elektronhiányos helyre, ezáltal a töltéshordozók kioltják egymást), a helyhezkötött részecskék pedig olyan elektromos teret hoznak létre, mely megakadályozza a további töltésáramlást egyensúlyi állapotban. Amennyiben a p-n átmenetet fénnyel besugározzuk, annak elektronjait gerjesztjük. Az elektronok pozitív lyukakat hagynak maguk után. Normál esetben, illetve a dióda többi részén a gerjesztett elektronok és a lyukak gyorsan rekombinálódhatnak fénykibocsátás vagy hőleadás formájában leadva felvett energiájukat. A p-n átmenetben azonban az állandó elektromos tér szétválasztja a pozitív és negatív töltéshordozókat, mielőtt azok rekombinálódhatnának, így elektromos áramot hozva létre: az elektronok elindulnak a pozitív pólus felé (n-típusú félvezető rész), a lyukak pedig a negatív pólus felé (p-típusú félvezető rész), ahogy ezt a wikipedia ábrája mutatja.
Rekombináció: Félvezetőkben végbemenő folyamat, amikor a töltéshordozók egyesülve kölcsönösen semlegesítik egymást. Lényegében arról van szó, hogy egy, a vezetési sávban szabadon mozgó elektron visszaesik a valenciasávba, megszüntetve ott egy elektronhiányt, azaz egy lyukat. Ez megtörténhet egy lépésben (közvetlen rekombináció), vagy a tiltott energiasáv közepe közelében elhelyezkedő energiaszint segítségével (közvetett rekombináció). Ilyen energiaszintet hozhat létre pl. szilíciumban az aranyszennyezés.
A fotovoltaikus cella működése attól függ, hogy milyen anyagot használunk, ugyanis az elnyelt fény hullámhossza anyagi jellemző. Egy anyag vegyérték és vezetési sávja között (tiltott sáv) adott az energiakülönbség, így csak adott energiánál nagyobb energiájú (kisebb hullámhosszú) fény képes fotovoltaikus jelenséget előidézni. Ahhoz, hogy minél nagyobb részét lehessen a fény energiájának hasznosítani, gondolhatnánk, hogy nagyon szűk tiltott sávval rendelkező anyagok lehetnek jók, tehát a jó vezetők. Azonban, ha egy dióda teljesítményjellemzőit is figyelembe vesszük, amely egy I-V- diagramon ábrázolható (P=I∙V), és tudjuk, hogy a tiltott sáv szélesedésével növekszik az üresjárati feszültség (VOC), beláthatjuk, hogy ezek a hatások egymás ellen dolgoznak, így a kívánalmaknak optimuma van: azok az anyagok a legjobbak, melyek vegyérték és vezetési sávjai közti energiakülönbség körülbelül 1 eV, s ennek a szilícium (1.1 eV) és a GaAs (gallium-arzenid) felel meg.
A napelemek hatásfoka
A napelemeket szokás a hatásfokukkal jellemezni. Ez általánosan azt jelenti, hogy a beeső fény teljesítményéből mekkora arányban kapunk elektromos teljesítményt. Legtöbb anyagi jellemző hőmérsékletfüggő, aminek következtében a napelemek hatásfoka minden hatást összegezve jelentősen jobb alacsony hőmérsékleten. Ez meglehetősen nagy probléma, ugyanis a legtöbb panel tűző napon akár 70°C-ra is felmelegedhet. Ez még ugyan nem jelenti azt, hogy tűző napon kevesebb áramot generálnak, mivel a fényintenzitás növekedésével javul a hatásfok, de a lehetőségekhez képest romlik a teljesítmény. Egy megoldás lehetne – azonban egyelőre nincs gyakorlatban – hogy a napelemeket napkollektorokkal kombinálják. Ekkor a hőcserélőként működő napkollektor miközben meleg vizet termelne, hűtené a napelemet.
A teljesítmény javítására több megoldás közül az egyik a „többátmenetes” (multijunction, tandem vagy kaszkád) cella, melyben nem egyetlen p-n átmenet található, hanem több, különböző anyagból készült, melyek a napsugárzás különböző tartományaiban nyelnek el fotonokat. Ezek a cellák akár 35%-os hatásfokkal képesek működni (a gyártóknak szabványos körülmények közötti hatásfokot kell megadni, mint 25 °C, 1000 W/m2 besugárzás, stb.).
A ma forgalomban levő napelemek hatásfoka és ára változó. Alapanyag szerint alapvetően három csoportba sorolhatjuk őket: a legelterjedtebbek a szilícium alapú napelemek, speciális alkalmazási területeken (űrhajók) a GaAs illetve más, összetett félvezető alapú napelemek, és feltörekvő ágazat a szerves bázisú napelemek gyártása. Utóbbiak nagy előnye az alacsony ár, illetve alacsony gyártási költségek, továbbá magukban hordozzák a rugalmas panelek előállításának lehetőségét. A GaAs napelemek gyártása a legdrágább, de mivel hatásfokuk ezidáig a legjobb, az űrben használt napelemek ebből készülnek. A hatásfok-ár viszony jelenleg a szilícium alapú napelemeknek kedvez, de itt sem egy típusról lehet beszélni.
Milyen napelem fajták vannak?
A szilícium szerkezete lehet amorf vagy kristályos, azon belül pedig monokristály, polikristályos vagy vékonyréteg szilícium.
Az egykristályos szilícium előállítása a legdrágább, viszont belőle készíthetőek az egyelőre legjobb hatásfokú napelemek. A gyártáskor egy 30 cm átmérőjű egykristályt növesztenek, melyet utólag szeletelnek 0,3 mm vastagságú lemezekre. A szilíciumot ezután szennyezik a kívánt mértékben.
A polikristályos szilíciumot hasonlóan készítik azzal a különbséggel, hogy a lehűtés kevésbé kontrollált körülmények között zajlik, így nem egyetlen egykristályt kapunk, hanem több, kis egykristály alkotja a tömböt, amit aztán ugyanúgy szeletelnek, mint az egykristályos szilíciumot. A különbség az egykristály és a polikristályos szerkezet között szabad szemmel is jól látható (lásd: alább az ábrán). Az anyag jellemzői gyengébbek, így ezek a napelemek 1-2%-kal kisebb hatásfokkal működnek, azonban az egykristályos szilícium rovására a polikristályos szilícium panelek egyre inkább terjednek olcsóbb előállítási költségük miatt. Az amorf szilícium előállítási költsége és anyagigénye a legalacsonyabb, viszont a kezdetben jó hatásfoka idővel gyorsan lecsökken 6-8%-ra.
A félvezető dióda nem elég önmagában ahhoz, hogy napelemünk legyen. A napelemek másik fontos építőkövei az elektródák, amelyek biztosítják a létrehozott áram útját. Egyik probléma, melyet át kellett hidalni, az anód átlátszóságának szükségessége volt. Két alapvető megoldás terjedt el ezzel kapcsolatban: ITO (indium-ón-oxid) film használata, és a vékony anódrács kialakítása. ITO található a LED ill. OLED kijelzőkön is, ahol szintén követelmény, hogy a fény kijusson. Itt a fénynek be kell jutni a p-n átmenetig. Az ITO- filmek azonban nagyon törékeny és drága jószágok, ezért kutatások folynak más alternatívák kidolgozására. Az anódrács kialakításakor arra kell figyelni, hogy megtalálják azt az optimumot, amikor még nem fednek le túl sok területet az átlátszatlan fémmel, de elég vastag rácsot használnak ahhoz, hogy az ellenállási veszteségek már kicsik legyenek. Továbbá egy antireflexiós réteg is szükséges ahhoz, hogy megakadályozzák a fény visszaverődését, és elérjék a mai napelemek hatásfokát.
Egy modern napelem felépítése ennél sokkal bonyolultabb, de az alapvető sémát a fentiek alapján már megérthetjük. A napelemek elterjedésével ma már reális lehetőségünk van arra, hogy idővel a fosszilis energiahordozók nagy részét napenergiával helyettesítsük. További fejlesztésekkel valóban mindennapos dolog lehet, hogy háztartásunk energiaszükségletének jórészét napenergiával fedezzük. Próbáljunk meg minél többet tudni róla!
