Szerző: Véghely Tamás napenergia szakértő, az EU-SOLAR szakmai tanácsadója
Cikksorozatunk előző részében megkezdtük a napelemek első generációjának bemutatását. Összefoglaltuk a legfőbb jellemzőit, valamint szót ejtettünk az anyag és a fény kölcsönhatásairól is. Ahogy ígértük, még számos érdekességgel tudunk szolgálni a témában, így most következzen a folytatás.
A hagyományos napelemek főbb szerkezeti elemei
Az első napelemek megjelenése után a felhasználók egyre nagyobb hatásfokot – hozamot – követeltek. Éppen ezért megindultak a fejlesztések többek között a cellák méretének növelése, a fémezési veszteségek csökkentése, a napelemek külső méretének növelése irányába.
1. ábra: az első generációs napelemek tipikus szerkezeti felépítése
A napelemek elkezdtek nőni
2. ábra: a napelem cellák méretének növekedése
3. ábra: az M0-tól az M12 –ig, a cellák méretének növekedése
Amit régen egy ember vitt fel a tetőre azt már két embernek kellett vinni. Ebből viszont sok probléma adódhat – például mikrorepedések megjelenése vagy állagromlás.
4. ábra: a „kétemberes” napelemek megjelenése
Sajnos az ember „nem nőtt fel” a napelemhez
5. ábra: a napelemek méreteinek változása az idő előrehaladása során. A napelemek „embertelenül” nagyok lettek.
Ez a „nagyság” lehet, hogy meggyorsítja a telepítési folyamatot, de lényegesen növeli a mikrorepedések megjelenésének valószínűségét. Mint azt a szakma jól tudja, ez a napelemek korai halálával végződhet. A megengedhető legnagyobb feszültség lényeges növekedése (Vsys, ami korábban 600-800 Vdc volt, most 1500 Vdc-re változott) is a rosszabb irányban hatott, a feszültség indukálta degradáció (potencial induced degradation, PID) kockázat megnövekedett! A nagyobb feszültségek miatt megnőtt a vonal-vonali (line-line) és a vonal-föld közötti DC áthúzások veszélye, vagyis a tűz kialakulásának kockázata is. A szakma tehát elkezdett kiutat keresni.
A végzetes SQ-limit felismerés, és a kétségbeesett próbálkozások
6. ábra: a Shockley – Queisser korlát (elméleti legmagasabb hatásfok) behatárolta a fejlesztések akkori irányát, de egyben új távlatokat is nyitott.
Az egyik első észrevétel az volt, hogy a fémezés, mivel lefedi az aktív felületet, veszteséget okoz, és az áramerősség megnövelése (több bus-bar) is csökkenti a veszteségeket.
7. ábra: az egyes anyagok és vegyületek fényelektromos átalakítási hatásfokának SQ féle felső határa
A fémezések fejlesztése
Megkezdődött a fémezések fejlesztése. Szinte egyszerre különféle változatok jelentek meg azzal a célzattal, hogy a cella felületi áramát a legrövidebb és legszélesebb (tehát a legnagyobb keresztmetszetű) úton lehessen továbbítani. Ennek kapcsán érdekes megoldások is megjelentek, amelyeket az alábbi ábrán is láthatunk.
8. ábra: a napelem cella fémezések kísérleti változatai
Érdemes megemlíteni, hogy a „Mandelbrot” fémezés igen kedvező hőtérképet mutatott. A szellemes névválasztású „chello” (mint a sokhúrú hangszer) megoldás lényege, hogy a szokásosnál lényegesen vékonyabb, huzalszerű, de sokkal több – 12 darab – felületi elektródával gyűjtjük be a töltéseket. Ebből a változatból valódi termék is készült.
9. ábra: a bus-bar-ok számának túlzott növelése nem túl hatásos
Mivel a rendszerfeszültség (Vsys) megnövelésének igénye továbbra is fennállt, egy érdekes fejlesztés indult meg a cellák felezésére vonatkozóan. A diódák (napelem cellák) nyitó feszültsége 0,5 – 0,7 volt, és mivel egy napelem cella egy diódát jelent, kézenfekvőnek tűnt a cellák kettévágása. A felezett cellák sorba kapcsolásával ugyanis dupla feszültség keletkezett. Így amíg egy korábbi napelem, amely 60 cellából állt, a fejlesztett változat szinte ugyanolyan felületű maradt, de 120 darab felezett napelem cellából állt, és feszültsége megduplázódott.
10. ábra: a felezett napelem cellái és a felezett string szerkezete
Az új konstrukció egyik előnye, hogy a korábbi, szinte kivédhetetlen árnyékfüggés jelentősen lecsökkent, kezelhetővé vált. Az előnyökkel azonban – mint tudjuk – hátrányok is járnak.
A törékeny és egyre vékonyabb cellákat úgy kell elvágni, hogy ne sérüljenek. Ez természetesen nem megy selejt nélkül, így a „kihozatal” csökken.
A vágások technológiáját át kellett gondolni, mert „drótos” technika, amelynek során a vágást egy gyémántporral bevont vékony huzal segítségével végezték, a kész napelem cellára nehezen volt alkalmazható, és a gyémánt-tűs karcolásos technika is nehézséget okozott.
A lézeres vágások előnyei és hátrányai
A napelem cellák megmunkálására többféle lézeres vágási technológiát dolgoztak ki:
- A TLS rövidítés jelentése termikus lézeres szétválasztás (Thermal laser separation).
- Az LSC rövidítés (az LDC elnevezés is használatos) jelentése lézeres karcolás és hasítás (laser scribing with cleaving).
A következő ábrákon néhány mikroszkópos képpel illusztráljuk a lézeres vágásokat.
11. ábra: a hosszú és rövid pulzusú lézer vágási képe
Bármennyire is kerülni akarjuk a sérüléseket, a lézeres vágás is hagyhat nyomot a felületen.
12. ábra: minél hosszabb a lézerimpulzus hossza (energiabevitel), annál nagyobb sérülés
A lézeres vágás igen nagy pontossággal végezhető és tulajdonképpen minden alakzat elképzelhető, vagyis lehetségessé vált a napelem cellák „méretszabósága” is.
13. ábra: most már lehetséges a napelem cellák „méretszabósága” is
Utolsó ábránkon egy napelem cella erősen felnagyított scanning elektronmikroszkópos (SEM) képet mutatunk be, a kivágott ábra egyik legkritikusabb helyéről, a hegyes sarokról (14. ábra. a). A kép egyben jól jelzi a technológiával elérhető simaságot és pontosságot is a b) ábrán.
14. ábra: a lézeres vágás egy erősen felnagyított scanning elektronmikroszkópos (SEM) képe
A napelemek első generációját már alaposan megismertük, így cikksorozatunk következő részében a második generáció jellemzőiről fogunk mesélni.
