Szerző: Véghely Tamás napenergia szakértő, az EU-SOLAR szakmai tanácsadója
A kereskedelmileg és iparilag is felhasználható napelemek fejlődéstörténetét bemutató cikksorozatunk előző részében elkezdtük bemutatni a második generáció tagjait. Ugrásszerű fejlődésnek lehetettünk tanúi, ami számtalan új fogalmat és technológiát hozott magával. Most ezekkel ismerkedünk meg.
Molekuláris orbitális energiaszintek
A korábbiakban hozzászoktunk ahhoz, hogy az energiaszinteket a félvezető sávokkal magyarázzuk, de ezt a szemléletet most gyökeresen meg kell változtatnunk. Új anyagok, szerves anyagok jelennek meg a technológiákban.
A félvezető sávok fogalmát felváltják a HOMO – LUMO molekuláris orbitális energiaszintek.
HOMO – LUMO energiaszintek
A félvezető fizikában korábban megismert energiasávok (vegyérték, tiltott, vezető, amelyek az elektronok energiaszintjét jelentették) molekuláris szinten csak nehezen értelmezhetők. Ezért a szerves molekulákat tartalmazó anyagok esetében más fogalmakat kell használnunk.
HOMO: a legmagasabb, elfoglalt molekuláris keringési pálya energiaszintje
LUMO: a legalacsonyabb, nem-elfoglalt molekuláris keringési pálya energiaszintje
1. ábra: A HOMO LUMO energiaszintek illusztrálása.
Érdekességképpen említjük meg, hogy az energiaszintek megváltozásával egyben megváltozik az anyag szerkezete is!
2. ábra: bizonyos anyagok HOMO-LUMO energiaszint változásai kihatnak az anyag szerkezetére is.
Míg korábban a félvezető anyagok energiasávjait kellett egyeztetni, most a molekuláris energiaszinteket kell egyeztetnünk egy napelem cella tervezésekor.
3. ábra A) B): egy szerves (OSC) napelem cella energia szintjei sematikus ábrázolásban.
Az IQE és EQE kvantum hatásfokok
Ugyancsak megismerhettük már a hatásfokok különféle definícióit, és láttuk, hogy az energiahozamok nem csupán a hatásfokoktól függenek. Sőt, előfordulhat olyan eset is, hogy egy alacsonyabb hatásfokú napelem cella több energiát eredményez, mint magasabb hatásfokú társai. (Lásd vékonyréteg és szelet alapú technológiák harca a piacon.). Most két másik fontos hatásfokot kell megismernünk, amelyek kvantumszinten jellemzik a napelem „cellákat”.
Megjegyzés: a cikkben a továbbiakban is „cellának, napelem cellának” fogjuk nevezni ezeket a „fény-elektromos átalakító egységeket” holott lehet, hogy formailag már alig lesz közük a „cellához” társítható képzeteinknek.
EQE
A külső kvantum hatásfok (EQE, external quantum efficiency) esetében a „hatásfok hányadosunk” a keletkezett elektronok (töltések) száma, osztva a beérkezett fotonok számával.
IQE
A belső kvantum hatásfok (IQE, internal quantum efficiency) esetében a „hatásfok hányadosunk” a keletkezett elektronok (töltések) száma, osztva a ténylegesen elnyelt fotonok számával.
EQE = IQE * (1-reflexió-transzmisszió)
BSF, PASHA, EWT, MWT, PERC/PERL, POLO, IBC, HIT, … szerkezetek
A napelemek egyre gyarapodó családja sok új taggal bővült, mára a „család” szinte tömeggé változott. Eddig is igen gyakoriak voltak a napelemes szakirodalomban a három- és négybetűs rövidítések, de számuk mostanra szinte áttekinthetetlenné vált. Ezt illusztrálja fejezetcímünk is, amelynek felsorolásában kellő visszafogottságot igyekeztünk gyakorolni. Sajnos arra, hogy minden változatot ismertessünk, a cikk keretein belül nincs lehetőségünk. De nincs is erre szükségünk, mert egy-egy jellegzetes típus kiválasztásával egy sorozatnyi változatot ismertethetünk. A nagyobb hatékonyságú napelemek nemsokára nagyobb tömegben is piacra kerülnek a következő – 2024-2030-ig terjedő – évek során.
Ismerkedjünk meg a főbb irányvonalakkal!
PERC, PERL, MWT, EWT, PASHA (kétoldalas cella hátoldali passzivált diffúzióval), IBC, SHJ (HIT) cellák.
Ebben a napelem-dzsungelben elsősorban azt kell világosan látnunk, hogy 1-2%-os hozam növelésért megy a küzdelem! Ez természetesen felvet további – például kereskedelmi és piaci – kérdéseket.
| Rövidítés | Angol név | Magyar név |
| BSF (Al-BSF) | Back Surface Field | Hátsó felületen passzivált |
| PERC /PERL | Passivated Emitter Rear Contact | |
| PASHA | kétoldalas cella hátoldali passzivált diffúzióval | |
| IBC | Interdigited Back Contact cell | Egy másba ágyazott hátsó fémezés |
| SHJ (HIT*) | Silicon Hetero Junction | Szilícium többréteges átmenet |
| BHJ | BHJ Bulk Heterojunction Solar cell | Tömbszerű, heteroátmenetes napelem cella |
| POLO | POLiszilícium Oxid | töltés-szelektív, POLiszilícium Oxid réteg |
| TOPCON | Tunnel Oxide Passivated Contact TOPCon | Oxidált alagút passzív kontaktus – cella |
| OPV | OPV Organo Photovoltaic cell | szerves, napelem cellák |
| EWT | EMITTER WRAP-Through | Emitter részen átvezetett |
| MWT | Metal Wrap Through | Fémezésben átvezetett |
| DYE | Dye cell | Festék alapú napelem |
| DSSC | Dye Sensitized Solar Cell | Festékkel érzékenyített napelem |
* A HIT a Panasonic cég márkaneve
** javasolom, hogy a napelem cellákat az angol rövidítés alapján jegyezzük meg
Az egyik legfőbb probléma, hogy ilyen gyors termékfejlődés (fejlesztés) esetén óhatatlanul – túlzottan korán – megjelenhetnek olyan napelem eszközök (szándékosan nem használjuk a termék fogalmat!), amelyek még nem piacérettek.
4. ábra: egy BSF napelem cella működésének sematikus folyamata.
A 7. Ábra, egy hátsó passziválással ellátott cella (BSF) működését mutatja. A hátsó passziválás kétféle módon növeli a hatékonyságot. Első előny az, hogy a hátsó réteg visszaveri azt a fényt, amely keresztülhatolt a cellán, de nem generált excitont. A visszavert fény újra megteszi az utat a cellán belül, és valószínűleg excitont gerjeszt. Második előny, hogy a réteg passziválja a kristályba esetlegesen bejutó szennyeződéseket, amelyek a hátsó felület irányából (és miatt) érkeznek.
PERC / PERL
A PERC konstrukció mozaikneve (passzív emitter, hátsó kivezetéssel) teljesen jól tükrözi a konstrukció lényegét. Ha az első (fény felőli) oldalon lévő fémezést sikerül kiküszöbölni, például áttenni a hátsó oldalra, akkor nő a besugárzott felület, nő a hozam. A PERC konstrukció – amellyel 1988-ban 24% hatásfokot értek el – már a 80-as években felmerült, alkalmazására egyenlőre „nem volt szükség, mert a fejlődés rendben ment”.
5. ábra: A PERC konstrukció a múltból. 1988-at írunk, 24% hatásfokkal! (van új a nap alatt?)
6. ábra: Perc/Perl, Pasha, IBC, SHJ konstrukciók. Figyeljük meg, hogy az egyes lényeges változatok között oly „csekély különbségek vannak”, hogy azt szinte csak a szakértő szeme veszi észre.
SHJ napelem cella konstrukció
Az SHJ konstrukció lényege, hogy egy adott technológiával létrehozott kristályos (c_Si) réteg köré amorf rétegeket csatoljanak, így a spektrális érzékenység lényegesen növelhető.
7. ábra: az SHJ konstrukció rétegelrendezése.
A napelemek főbb típusai az alábbi áttekintő táblázatban foglaljuk össze:
8. ábra A) —– H): Az újabb napelem cella konstrukciók áttekintése.
Összefoglaló
Folytatásos cikkünkben áttekintettük a napelem cellák fejlődésének II. generációját. Kiléptünk az eddig szokásos szilárdtest félvezető alapú szemléletből, és a kvantummechanika világába lépve megismertük az újabb konstrukciókat. Új hatásfok definíciókat vezettünk be (IQE, EQE), amelyek pontosabban leírják a fényhasznosítási lépések (lásd témanyitó, előző cikkünket) legelső mozzanatait, azaz a foton kvantum befogását. A történetnek itt még nincs vége, hamarosan folytatjuk a napelemek harmadik generációjával.
