A fotovoltatikus energiatermelés alapja - a napelem

A fotovillamos (PV) napelemek leggyakrabban a napsugárzás spektrumának a látható fény tartományába eső részét hasznosítják. A PV-elem tulajdonképpen egy dióda, egy n típusú felső és egy p típusú alsó félvezetőből, továbbá a felső és az alsó részhez csatlakozó fémvezetőből áll, amiket külső egyenáramú kör kapcsol össze. A beeső fénysugárzás fotonjai a felső félvezető elektronjait gerjesztik, és ha azok ennek hatására nagyobb energiára tesznek szert, mint a tiltott sáv szélessége, akkor a felső félvezető elektronjai kimozdulnak a kötésükből, kialakítva az n típusú félvezetőben az elektronfelesleget. Ugyanakkor az alsó, p típusú félvezetőben elektronhiány lép fel, a potenciálkülönbség hatására az elektronáram megindul, és egyenáram nyerhető, amit megfelelő váltakozó árammá alakíthatunk inverterrel.

1.4.10.1. ábra

Napelemeknek jellegzetes feszültség-áram karakterisztikája van. Az U−I jelleggörbe alkalmas a napelem általános, gyors megítélésére. A görbe a feszültségtengelyt az üresjárati feszültségnél metszi, míg az áramtengelyt a rövidzárra jellemző áram értéknél. Ha a terhelést az előbb definiált szélsőértékek között változtatjuk, akkor a képen látható jelleggörbét kapjuk eredményül. (Ténylegesen a felső szakasz nem vízszintes!)

A görbe menetéből következik, hogy egy széles tartományban a leadott egyenáram csak kis mértékben csökken a napelemen mutatkozó feszültség növelésével. Ha a feszültség tovább növekszik – egy könyökpont elérésekor – a görbe letörik, az áram gyors változásnak indul, gyakorlatilag nullára csökken. A letöréshez tartozó

feszültség- és áramértékek kimérése, meghatározása fontos a PV-elem optimális üzemeltetési viszonyainak meghatározásában, hiszen a napelemből kinyerhető legnagyobb teljesítmény egyenlő lesz a görbe alá berajzolható legnagyobb téglalap területével. Ennek a téglalapnak pedig egyik csúcsát éppen a letöréshez tartozó résszel érinti a jelleggörbe. A helyzetet bonyolítja, hogy az eddigiekben tárgyalt jelleggörbe meghatározásakor egy adott, állandó napsugárzás-intenzitást és egy adott, állandó környezeti hőmérsékletet feltételeznek.

Paraméterként felvéve az előbb említett két mennyiséget nem egy görbét, hanem görbesereget kapunk eredményül. Ez azt jelenti, hogy a környezeti hőmérséklet és/vagy a napsugárzás-intenzitás változásával a napelem optimális munkapontja (1.4.10.2.ábra) eltolódik, amit a korszerű elektronikai rendszerek automatikusan kezelnek.

1.4.10.2. ábra

A környezeti hőmérséklet növekedésével a napelemből kinyerhető teljesítmény csökken, főleg az üresjárati feszültség csökkenése miatt. A feszültség hőmérsékletérzékenységének magyarázata az, hogy az egyszerű, helyettesítő villamos modell szerinti dióda záró irányú árama rohamosan növekszik a hőmérséklettel.

Általánosságban elmondható, hogy az amorf celláknál körülbelül 0,2% teljesítménycsökkenés lép fel minden foknyi hőmérsékletnövekedéssel, ugyanez a polikristályos és egykristályos cellák esetén 0,4%. Az elektromos teljesítőképesség tehát jó közelítéssel lineárisan függ a napelemek hőmérsékletétől.

A PV-elem − sötét színének köszönhetően − a napenergia nagy hányadát elnyeli, így hőmérséklete jóval magasabb lehet, mint a környezet hőmérséklete. Ha van villamosteljesítmény-felvétel a napelemről, akkor némileg alacsonyabb a hőmérséklete, mint ha ugyanilyen körülmények között nincs áramkiadás. Ennek az a magyarázata, hogy villamos teljesítmény leadáskor a napenergiának egy része elektromos árammá transzformálódik a cellákban, és nem a napelem felmelegítésére fordítódik. Anapelem hőmérséklete gyakorlatilag lineárisan függ a sugárzás intenzitástól.

A napelemek típusai

A kristályos napelemek a legrégebben használt, legkiforrottabb és a legelterjedtebb technológiának számítanak;

a kristályos technológia esetén nagy tisztaságú szilíciumcellákból épülnek fel. A cellák gyártási technológiája alapján megkülönböztetünk monokristályos és polikristályos cellákat.

A különbség a két technológia között a szilíciumtömbök előállításában van, azokban, amiből a Si-lapokat (wafer) vágják:

• Monokristályos cellákhoz a szilíciumtömböt úgy kristályosítják, hogy az egyetlen szabályos kristály legyen, amit folyamatos „kihúzással” valósítanak meg az olvadékból elektromos tér jelenlétében, az ilyen tömb henger alakú, ebből lesznek azután a levágott sarkúnak tűnő nyolcszögletű elemek.

• Polikristályos cellákhoz a szilíciumot négyzet keresztmetszetű tömbökbe öntéssel állítják elő, miközben a szilícium több kristályban dermed meg.

A monokristályos celláknál az éleiket levágva, a körlapból legtöbbször nyolcszög alakú cellákat alakítanak ki, így ránézésre is meg lehet különböztetni a poli- és monokristályos cellákat és az abból készült napelemeket (1.4.10.3.ábra).

A gyártási eljáráson kívül a gyakorlati szakemberek szerint az alkalmazhatóságban kismértékű különbség van a mono- és polikristályos napelemek között. Melegebb környezetben monokristályos modulok kicsit jobban teljesítenek, míg északon a polikristályos teljesít jobban; illetve általában, nagyobb a hatásfoka a monokristályos celláknak. Közép-Európában a PV-panelek szállítóinak ajánlásai szerint gyakorlatilag azonos mennyiségű áramot lehet megtermelni velük ugyanakkora összteljesítmény esetén, többnyire nem lehet kimutatni szignifikáns éves különbséget. Így jellemzően a gyártó, az ár, a beszerezhetőség és a tetőn való elhelyezhetőség alapján szokás választani köztük.

1.4.10.3. ábra

A kristályos technológia mellett ún. vékonyréteg-technológiával is állítanak elő napelemeket. Ahordozók tekintetében nagyon széles lehetőségek vannak az üvegtől a hajlékony hordozókig. Azelőállítás olcsóbb, azonban a hatásfok jóval alacsonyabb, és a teljesítménydegradáció is fellép néhány hónap alatt, de azután már stabilizálódik a szolgáltatott energia.

A vékonyrétegű (vagy vékonyfilmes) technológiánál tehát nem kristályos szilíciumtömbökből vágnak cellákat, hanem a félvezető réteget kémiai vagy fizikai módszerekkel deponálják közvetlenül az üvegre, vagy akár egy más hordozófelületre viszik fel úgy, hogy a néhány mikron vastagságú, egyenletes félvezető réteg kialakuljon. A félvezető filmréteget és az alapanyagot a gyártási technológia határozza meg, jelenleg az elterjedt és már tömeggyártásban lévő vékonyrétegű technológiák a következők:

• aSi−µSi, azaz amorf szilícium (aSi) és mikromorf (µSi) szilícium: ez a ma használt technológiák közül az egyik nagyon elterjedt, jelentős számú cég vágott bele az utóbbi években ilyen technológiájú gyártásba. A félvezető réteg itt is szilícium, amit szilángázból (SiH4) állítanak elő: kémiai reakció során a hidrogént

leválasztják a szilíciumról, ami lerakódik az üvegre vagy más felületre, pl. műanyagra vagy fémre is akár.

Viszonylag kis hatásfokú napelemet nyernek: aSi 5−6%-os, µSi 7−9%-os.

• CdTe, azaz kadmium-tellurid: ez a másik fő vékonyrétegű technológia, de itt egy gyártó (First Solar) kezében koncentrálódik a termelés döntő része. A First Solar speciális, VTD gyártási technológiát (magas hőfokú porlasztást) használ a gyártásban. Óriási szériában tudják előállítani 7−10% hatásfokú napelemeiket. A kadmium nagy toxicitása és tűzveszélyes volta, valamint a tellur nehézkes hozzáférhetősége kihívást jelent ennél a típusnál.

• CIGS, CIS, azaz réz-indium-gallium-diszelenid és réz-indium-diszelenid: a vékonyrétegű technológiák újabb változata. Tömeggyártása csak 2010-ben indult be, addig csak pilot-sorokon folyt a gyártás és fejlesztés, általában 5−20MW éves kapacitással. Nagyon sok cég fejleszt ilyen gyártási módokat, mivel 9−12%-os hatásfokot is el lehet érni az ilyen napelemekkel. Azonban egyelőre nem sikerült igazán olcsó gyártási módot találni, és az alapanyagok közül is némelyik szűkösen hozzáférhető és drága, de a számos fejlesztés miatt ígéretes és lassan már elérhető technológiának tartják.

Vékonyrétegű napelemek a világ napelemes piacának 20%-át jelentik, és viszonylag új technológiának számítanak, de azért már kipróbált és elfogadott megoldásnak tekinthetők. Mivel kisebb a hatásfokuk, így pl.

családi ház tetejére nagyon ritkán kerülnek, mert nagyobb a területi igényük a kristályos napelemekhez képest.

Inkább erőműtelepi (földre telepített) alkalmazásuk jöhet szóba. A vékonyrétegű napelemeknek jobb a hőmérsékleti együtthatója, így főként a sivatagos, nagyon meleg környezetben (tehát nem Közép-Európában) van előnye, mert a nagy melegre kevésbé érzékenyek, mint a kristályos napelemek. A kutatási irányokat és eredményeket szemlélteti a 1.4.10.4.ábra a US National Center for PV közleménye alapján, ami szerint a laboratóriumi eredmények a jóval a kereskedelmi típusok előtt járnak.

1.4.10.4. ábra Forrás: NREL, Raffaelle: Current trends in photovoltaic, Summit on Energy Efficiency, 1. April 2011, Santa Barbara

A kereskedelmi napelemrendszerek: modul – panel – telep

Az elemi napelemeket ún. modulokon alakítják ki, ennek mérete a gyártástechnológia függvénye. Típusaik az előbbiekben szerepeltek. A modulokat azután táblásítják, így alakítják ki a paneleket. Apanelek már megfelelő védelmet biztosítanak a napelemeknek, fedőréteg, hátlap és megfelelő keret biztosítja a szerelhetőséget. A panelek kialakítása olyan, hogy közvetlenül a háztetőhöz rögzített állványzatra vagy erőműtelep esetében a földön rögzített állványzatra lehet szerelni azokat. A panelek legtöbbje a területét érő szélhatásból származó erőhatásoknak is ellenáll. Az ilyen panelek forgató rendszerekre is közvetlenül felszerelhetők.