Szerző: Véghely Tamás napenergia szakértő, az EU-SOLAR szakmai tanácsadója
Bevezetés
Kereskedelmileg és iparilag is felhasználható napelemekről, azaz napelem iparról, az 1990-es évek óta beszélhetünk. Cikksorozatunkban egy gyors leltárt készítettünk arról, hogyan is állunk most, mit tudunk használni és egy kissé kitekinteni – már amennyire lehet előre tekinteni -, hogy mit is hozhat a jövő. Azért csak ilyen „gyors (és rövid) a leltár” mert már „papíron is csak lihegve tudjuk követni” a gyors fejlődést, és a hirtelen kinyílt technológiai lehetőségeket.
Az Első Generáció (1837 – 1990):
Méltán megérdemli a nagybetűs kiemelést, mert ez a hőskor.
Akkor élt tudósaink feltalálták, kitalálták, alkalmazták, és végül örökül hagyták ezt a csodálatos technológiát, amely fejlettebb változatban valószínűleg a hamarosan elkövetkező űrsétáinkon is elkísér.
Az egyes generációk maguk is sokféle al-változatot tartalmaznak. Ezeket a korlátozott hely miatt nem tudjuk részletesen, a maguk sokféleségében bemutatni, elemezni, így az egyes generációkat egy kiválasztott, jellemző példán mutatjuk be.
A villamos energia – ahogy a villamos/elektromos eszközök is – kétségtelenül a legfontosabb felfedezés az emberiség történetében. Azonban a fényből közvetlenül villamos energiát nyerni még nagyobb technikai bravúr volt. Az első kísérletek során csak 3-4% átalakítási hatásfokot értek el, de ez mégis hatalmas siker volt, mert KÖZVETLEN VILLAMOSENERGIA átalakítást jelentett.
1. ábra: ezen – a mára archívvá dicsőült – táblázaton mutatjuk be a 90-es évek napelem sztárjait
Az I. generáció főbb tagjai:
- Monokristályos szilícium (m_Si, c_Si) cellákból épült napelemek
- Polikristályos (multikristályos) szilícium (p_Si) cellákból épült napelemek
- PERL és PERC (passzív emitter, hátsó kivezetés) technológiával készített napelemek
- Nagy hatásfokú több átmenetes napelemek (multi junction, a periódusos rendszer III.-V. csoportjába tartozó anyagokkal, űrkutatás, CSP)
- Az első komolyabb integrációs kísérletek nagyobb rendszerek kialakítására (SPP < 1-3 MWp)
A korszak domináns szereplői a mono-, és polikristályos napelemek voltak, és ma is ezek alkotják a piac gerincvonalát. Még érdekesebb az összehasonlítás, ha az NREL 2005-ben és 2018-ban kiadott hatásfok adatait nézzük.
2. ábra: a NREL hatásfok összehasonlító grafikonjai, a kezdetek és a 2018-as állapot.
Az első generáció főbb technikai jellemzői:
- Főleg szilícium alapon készülnek
- Magas hőmérsékletű szilícium-kohászat adja az alapot (öntecs, szelet)
- Félvezető technikai (fotolitográfiai) megmunkálás
- Kis-, közepes méretek, max. (900-1400) x (600-900) mm)
- Üveg-üveg vagy üveg- műanyag lezárás
- Viszonylag megbízható minőség
- Maximum rendszerfeszültség 600 Vdc
- Gyártói kapacitás küszöb: 1-500 MWp/év
- Ezen a technológián tanulta meg az emberiség a napenergia hasznosítást
A továbbiak jobb megértése okán fontosnak tartjuk az előállítási folyamat logikai lépéseinek megismerését. A napsugárzásból a következőképp nyerünk elektromosságot:
3. ábra: a fényelektromos energia konverzió lépései
A fény és anyag kölcsönhatása
A fény többféle módon léphet kölcsönhatásba az anyaggal, az anyag és a fény (elektromágneses sugárzás) jellegétől (erősség, spektrum) függően.
4. ábra: az anyag és a fény kölcsönhatásai
Az anyagok elektromos vezetőképesség szerint, az alábbi három csoportba sorolhatók:
- Szigetelők
- Félvezetők
- Vezetők
5. ábra: az anyagok elektronsáv szerkezete
Szigetelők és félvezetők esetén a két sáv között úgynevezett. tiltott sáv helyezkedik el, ide elektron nem kerülhet. A tiltott sáv nagysága kb. 0,2-2 eV.
A félvezető anyagokban, a külső fény hatására elektron átugrás lehetséges, de ez csak akkor hatékony, ha a beeső foton energiája (gerjesztés) pontosan akkora, mint a tiltott sávszélesség. Ha kisebb, nem történik átugrás, ha nagyobb, akkor energia veszteség keletkezik. Különféle félvezető anyagoknál ez különféleképpen történik. A gerjesztés során exciton pár (elektronlyuk pár) keletkezik.
6. ábra: a fény általi gerjesztés folyamata
7. ábra: az alapprobléma – alacsony hatásfok, nagy veszteségek
A fent leírtak csak a kezdetét jelentik annak az izgalmas történetnek, amelyen a napelemek első generációja ment keresztül. A történetet természetesen folytatjuk. Cikksorozatunk következő részében szó lesz többek között a napelemek méretének változásáról, a fémezések fejlesztéséről, valamint a lézeres vágás előnyeiről és hátrányairól.
