full screen background image

NAPELEM


A napelem (fotovoltaikus; fotovillamos elem PV ) egy félvezető anyagokból készült eszköz, gyakorlatilag egy dióda, két különböző tulajdonságú félvezető réteg összekapcsolt egysége, amely a fénysugárzás hatására elektromos áramot állít elő.
A fénysugárzás által gerjeszti a töltéseket: a becsapodó foton energiájának hatására egy elektron kilép a vegyérték sávból, a szabad töltések kimozdulnak a helyükről, és az elektromos tér által meghatározott irányba mozognak, vagyis elektromos áram jön létre.
A jelenség bármilyen megfelelő fényspektrumu fény esetén lezajlik, nem feltétlenül szükséges napfénynek lennie.
A félvezetők alapanyaga legtöbbször szilícium, de lehet gallium-arzenid (GaAs), kadmium tellurid (CdTe), vagy réz-indium-diszelenid (CuInSe2).

(akit mélyebben nem érdekel a működési elve nyugodtan ugorja át az alább bekezdést)

Szilícium alapú félvezetők:

A szilíciumatom külső elektronhéján négy vegyérték-elektron található. Ez a héj nyolc elektronnal lehet zárt, tehát még négy elektronnal kell feltölteni. A szilícium kristályrácsában a Si-atom négy szomszédjával közös elektronpárok alkotta kovalens kötésekkel kapcsolódik. Ha a szilícium kristályrácsába kevés foszfor-szennyezés kerül, a foszfor-atom beépül a szilíciumrácsba, de a külső elektronhéján lévő öt elektronja közül csak négy képez kovalens kötést a szomszédos szilíciumatomokkal, egy elektronja felesleges lesz, nincs rá szükség a kristályrácsot összetartó kovalens kötések kialakításához. Ez a többlet-elektron szabadon mozog a szilíciumrácsban, a fémek szabad elektronjaihoz hasonlóan. A foszforral szennyezett szilíciumrácsban tehát könnyen mozgó többlet-elektronok vannak, emiatt ún. negatív típusú, n-típusú félvezető keletkezik. A szennyezett szilíciumrács ugyanakkor kifelé elektromosan semleges, hiszen a foszfor protonjainak száma is nagyobb eggyel, mint a szilíciumé.

Szilícium napelem részletesen HIT napelem

A bór, mint szennyező anyag, más jelleggel változtatja meg a szilíciumrács tulajdonságait. A bóratomnak három vegyérték-elektronja van, a szilíciumrácsba beépülve három szomszédjával alkot kovalens kötést létesítő közös elektronpárt. A negyedik kötés hiányos, abból egy elektron hiányzik, annak helyén egy "lyuk" van. A bórral szennyezett szilíciumrács elektronhiányos, "pozitív", p-típusú félvezető. Elektromosan a p-típusú félvezető is semleges, hiszen a bór kevesebb elektronjához kevesebb proton is tartozik.

Szilíciumrács

Két különböző (n és p) típusú félvezető réteget egymásra helyezve különleges átmeneti réteg alakul ki a határfelület két oldalán. Az n -típusú félvezetőben a határfelület közvetlen közelében lévő gyengén kötött szabad elektronokat a p-oldali bóratomok jobb elektronvonzó tulajdonsága a p -rétegbe vonzza, ahol azok a bóratomok és a szilíciumatomok közötti tökéletlen, elektronhiányos kötésekbe beépülnek, a "lyukakat" kitöltve erős, szabályos kovalens kötéseket hoznak létre. A két félvezető átmeneti rétege így elektromosan már nem semleges. Az n -típusú félvezető, elektronjainak egy részét elveszítette, tehát pozitív töltésűvé válik. A p -típusú félvezetőben a lyukak feltöltésével viszont többségbe kerültek a negatív töltések. Az átmeneti rétegben kialakuló töltésmegoszlás sztatikus elektromos mezőt kelt, s ez az elektronok mozgását idézi elő.

Amikor egy beeső foton energiát közöl egy vegyérték sávban tartózkodó elektronnal, az a vezetési sávba kerül és maga mögött hagy egy lyukat a vegyérték sávban. Így a foton két töltéshordozót kelt: egy elektron-lyuk párt. A két félvezető érintkezési felületének közelében lévő átmeneti réteg elektromos mezejének hatására az elektronok az n -rétegbe, míg a p lyukak a rétegbe tartanak.

Ábra az elektronokról, energiáról, átmeneti rétegről

Az elektron helyén keletkezett lyuk pozitív töltéshordozó, hiszen az elektronjától megszabadított szilíciumatom pozitív ionná válik. Az ion természetesen a kristályrács azonos pontjában marad, illetve azonos pontja körül végzi a hőmérséklettől függő rezgőmozgást. A lyuk mozgása a p rétegben fiktív mozgás. Ugyanis a p rétegben az n irányba igyekvő szomszéd elektron beépül a lyukba, s a határtól egy rácsponttal távolabb jelenik meg a lyuk. Tehát az elektronhiányos állapot terjed a p -félvezető réteg túlsó irányában. Hasonló a helyzet egy bedugult utcában várakozó kocsisor esetén. Ha az egyik vezető autójával bekanyarodik egy mellékutcába egérutat keresve, a helyén egy autónyi üres hely marad. Ebbe "belearaszol" a következő kocsi 4-5 m-t haladva s ennek a helyén marad lyuk. Ide a következő kocsi lép előre, s már három autónyi hosszal "mozgott" a lyuk hátrafelé, az autók mozgásával ellentétes irányban, s a jelenség így folytatódik.

Bár az ellentétes töltések vonzzák egymást, legtöbbjük csak a cellára kapcsolt külső áramkörön keresztülhaladva tud újra semleges atommá egyesülni az érintkező felület mentén kialakuló elektromos mező belső potenciálja, mint energiagát miatt.

A fotovillamos cella tehát egy félvezető dióda, amely egy n - és egy p -típusú félvezető réteg összeépítésével jön létre. Felső felületét vezető-érintkezők hálózata részlegesen takarja: fedetlen felületére esik be a napsugárzás. Alulról vezető fémlemezre épül a cella. A felső vezető érintkezőt külső áramkörön keresztül kötjük az alsó fém alaplemezhez.

Fotovillamos cella

A villamos áram, mint az ismeretes, negatív töltésű részecskék, az elektronok árama. Az atom vegyérték-héján lévő elektronokat energiaközléssel (pl. egy foton beesésével) lehet kiszabadítani: megfelelő energiájú foton elnyelésével az elektron a vegyérték-sávból a vezetési sávba kerül. A napsugárzásnak kitett cellába becsapódó foton egy elektron-lyuk párt kelt. Ezeket a félvezető szétválasztja: az elektronok az n -típusú, a lyukak a p -típusú tartomány felé mozognak. A külső áramkörön keresztül az elektronok a p -rétegbe jutnak vissza.

A szilícium celláknak három fő típusa van

Amorf vagy vékony réteg

Polikristályos

Monokristályos

Amorf vagy vékony réteg napelemek

Az amorf szilíciumból készült napelemek üveg (nátron), vagy bármilyen más hordozó felületen lerakódó szilícium-rétege elektrokémiailag elbontott gázhalmazállapotú szilánból (SiH4) válik ki.
Csak nagyon vékony réteg (néhány μm) félvezető anyag kell hozzá, a hordozóanyag általában nagyon olcsó, pl. (nátron) üveg.
Különböző rétegek egymást követő kristályosításával hozzák létre a határréteget, Különböző anyagok kombinációjából felépített elem vagy modul sokkal többet tud abszorbeálni a fény szélesebb spektrumából, mint egy egyszerű elem (minden félvezető anyag egyedi abszorpciós sávval jellemezhető, ezek kombinációja növeli az összesen hasznosítható spektrumot) (pl.: kékre, zöldre, pirosra érzékeny elemi rétegek kombinálása)
Előnye, hogy nagy felületű félvezető réteget lehet kristályosítani egyidejűleg, a technológia során (elválasztás – kristályosítás) kis egyedi elemeket (cellák) alakítanak ki, melyeket szabadon variálva többféle villamos paraméterű modult lehet kialakítani.

Az amorf szilíciumban az atomok nem rendeződnek szabályos kristályráccsá, nem minden atom alakít ki kötést szomszédaival. Maradnak felhasználatlan ún. "lengő kötések", ezek abszorbeálhatják a fölöslegben lévő elektronokat, lerontva az érintkező p-n felület hatását.
Az amorf szilícium gyártása során ez a probléma elkerülhető azáltal, hogy a szilánból származó hidrogénatomok lekötik a lengő kötéseket egy szilícium-hidrogén ötvözetet alkotva.
A szennyező bór szintén gázfázisban van jelen a rendszerben a gyártás során, hatása ugyanaz, mint a kristályrácsot alkotó szilícium esetén.

Redukáció és oxidáció

Az amorf szilícium cellák némileg eltérő kialakításúak, mint a poli- vagy az egykristályból készültek. A 4 felső üvegrétegre egy különlegesen vékony szilíciumoxid-réteg közvetítésével átlátszó villamos vezető ónoxid (SnO) réteget visznek fel, ez az egyik villamos érintkező. Egy nagyon vékony p -típusú és az n -típusú félvezető közé egy vastagabb szennyezetlen közbenső amorf szilíciumréteg kerül. Az alsó érintkező felület alumínium. A cella lényegében úgy működik, mint a kristályos szilíciumból készült, de az amorf szilíciumban az elektronnak a vegyértékhéjról történő kiszabadításához szükséges kritikus energia-érték szélesebb sávba esik.

Rétegek bemutatása

Az amorf szilíciumból készült cella legnagyobb előnye az olcsóság. Fényelnyelő képessége sokkal jobb, mint a kristályos szilícium celláé. Sokkal vékonyabb, kevesebb az anyagszükséglete. Sokkal kisebb hőmérsékleten állítható elő, kevesebb energiaráfordítást igényel. Folyamatos üzemben elég nagy felületű cellák állíthatók elő, bármilyen hordozó rétegen.

Szilícium cella rétegei

Ezzel szemben gyengébb hatásfokú, mint a kristályos szilícium-cella, legfeljebb 12%. Másik nagy hátránya, hogy az üzemidővel arányosan csökken a hatásfok: néhány hónap alatt átlagosan 6-7%-ról mintegy 4%-ra.

Monokristályos napelem

Monokristályos napelem

A szilícium-egykristályt megolvadt szilíciumból az ún. Czochralski-eljárással állítják elő. Igen lassan emelik ki az 1400 °C-os olvadékból a kör-, vagy sokszög-keresztmetszetű, 4-5 m-es hosszúságúra "növesztett" egykristály-hasábokat. Ebből gyémánt vágószerszámmal szeletelik a 0,2-0,4 mm vastagságú rétegeket, majd a foszforral és bórral történő szennyezés után a jobb érintkezés érdekében polírozzák az illeszkedő felületeket, visszaverődés-csökkentő réteggel látják el a napfénynek kitett oldalt s az érintkezők kialakítása után kész a fotovillamos cella. Az egyes fotovillamos cellákból 32-36 elemet tartalmazó modulok készülnek. Ez lassú, jólképzett munkaerőt kívánó, munka- és energiaigényes folyamat, ezért meglehetősen drága. Igaz, hogy így elektronikus célra is kiváló minőségű félvezető-diódát kapunk.

A legkorszerűbb panelek hatásfoka 18%, laboratóriumi körülmények között 25% (az elméleti határ 33,7% az egy p-n átmenettel rendelkező napelemek esetében). Legnagyobb teljesítményét merőlegesen beeső napfénynél képes leadni, így gyakran használják ún. napkövető berendezések részeként.
Jellegzetes fekete színéről felismerhető

Polikristályos napelem

Polikristályos napelem

A polikristályos napelem kevésbé tökéletes kristályszerkezetű, de alig rosszabb hatásfokú öntött, polikristályos anyagú szilíciumot használnak. Az öntött tömbből fűrészelt lemezek sokkal olcsóbbak. Az így kapott lemezeket ónszalaggal forrasztják össze, majd többrétegű védőburkolatba helyezik.
Hatásfokuk 13-16% körül van. A gyengébb (reggeli, esti, szórt) fényt is viszonylag jó hatásfokkal képes hasznosítani.
Általában kékes színűek.

Napelemek tájolása

A napelemeket ideális esetben déli tájolású tetőfelületre érdemes telepíteni, Magyarországon fix 43-47 fokra.

Napelemek tájolása

Azért érdemes így szerelni mert ebből az irányból éri a legagyobb “benapozás”. Persze minden tető más, ezért nem mindig lehet az ideális tájolással és szögben szerelni. dél-keleti, dél-nyugati, esetleg keleti - nyugati felületekre is megérheti a telepítés, ha nincs más alternatíva.

Nyereséges tájolás

Az ábrákból jól látszik, hogy milyen tájolásnál milyen veszteségekkel kell számolni.