2. rész – Mi történik a napelem belsejében, amikor rásüt a Nap?

Az előző részben több mint száz évet utaztunk az időben.

Alexandre-Edmond Becquerel 1839-es kísérletétől Charles Fritts szeléncelláján és Russell Ohl felfedezésén keresztül eljutottunk 1954-ig, amikor a Bell Laboratories kutatói – Daryl Chapin, Calvin Fuller és Gerald Pearson – bemutatták az első valóban praktikus szilícium napelemet.

De egy nagyon fontos kérdést még nem válaszoltunk meg: hogyan lesz a napfényből elektromos áram?

Első hallásra szinte hihetetlen. A napelemben nincs generátor. Nincs turbina. Nincs dugattyú.
Nincs benne olyan mechanikus szerkezet, amelyet a Nap forgatna vagy mozgatna. A napelem mégis képes arra, hogy a ráérkező fény energiáját közvetlenül villamos energiává alakítsa.

Nézzük meg, mi történik odabent!

Az egész egy fotonnal kezdődik. A Napból érkező sugárzást elképzelhetjük apró energiacsomagok sokaságaként. Ezeket nevezzük fotonoknak. A fotonok körülbelül 150 millió kilométeres utat tesznek meg a Naptól a Földig. Amikor pedig egy részük eléri a napelem felületét, kezdetét veheti az a folyamat, amelynek végén elektromos energiát kapunk. A történet főszereplője azonban nemcsak a fény. Kell hozzá egy különleges anyag is. A félvezető.

A ma kereskedelmi forgalomban lévő napelemmodulok jelentős része kristályos szilíciumra épül.

Mi az, hogy félvezető? Az anyagokat elektromos tulajdonságaik alapján leegyszerűsítve elképzelhetjük egy skálán. Vannak jó elektromos vezetők, például a fémek. Vannak szigetelők, amelyek nagyon rosszul vezetik az elektromos áramot. A félvezetők pedig valahol a kettő között helyezkednek el. De éppen ez teszi őket különlegessé.

Elektromos tulajdonságaikat ugyanis megfelelő módon befolyásolni lehet. A szilíciumhoz rendkívül kis mennyiségben más elemeket adva eltérő elektromos tulajdonságú rétegek hozhatók létre.

Így juthatunk el ahhoz a két betűhöz, amelyekkel a napelemek működésének magyarázatakor gyakran találkozunk: p és n.

A napelem egyik titka: a p–n átmenet

Az előző részben már találkoztunk Russell Ohl nevével. A Bell Laboratories kutatója egy szilíciummintában olyan határfelületet figyelt meg, amelynek később rendkívül fontos szerepe lett a félvezető-technológiában. Ez a p–n átmenet.

Nagyon leegyszerűsítve a napelemcellában két eltérő elektromos tulajdonságú félvezető tartomány találkozik. A találkozásuk környezetében kialakul egy belső elektromos tér.

Ez azért kulcsfontosságú, mert amikor a fény energiája mozgásba hoz töltéshordozókat, ez az elektromos tér segít abban, hogy azok ne egyszerűen rendezetlenül mozogjanak, hanem elkülönüljenek és meghatározott irányba haladjanak.

És itt érkezünk el a történet legizgalmasabb pillanatához.

Megérkezik a foton

Képzeljük el, hogy egy megfelelő energiájú foton eléri a napelemcellát. A félvezető elnyelheti a foton energiáját. Ez az energia képes egy elektront magasabb energiaállapotba juttatni, így létrejöhet egy mozgásra képes elektron és egy úgynevezett „lyuk”. A cellában kialakított elektromos tér segít szétválasztani ezeket a töltéshordozókat. Ha pedig megfelelő külső áramkört kapcsolunk a cellához, az elektronok mozgása már elektromos áramot jelent.

A folyamat leegyszerűsítve tehát: napfény → foton → félvezető → töltéshordozók → elektromos tér → elektronáramlás → elektromos áram

A félvezető elnyeli a fény energiáját, a fotonok energiát adhatnak az elektronoknak, a cella elektromos tere pedig úgy irányítja a létrejövő töltéshordozókat, hogy a fémes kontaktusokon keresztül elektromos áram legyen kivezethető.

De hogyan jut ki az áram a cellából?

A cella felületén és hátoldalán elektromos érintkezők találhatók. Ezek összegyűjtik és elvezetik a létrejövő elektromos áramot. Egyetlen cella azonban önmagában viszonylag kis elektromos teljesítményt szolgáltat. Ezért sok cellát elektromosan összekapcsolnak. Ezekből épül fel a napelemmodul, amit a hétköznapi nyelvben egyszerűen napelemnek vagy napelem-panelnek nevezünk.

Fontos tehát különbséget tenni: a cella alakítja át a fény energiáját elektromos energiává, a modul pedig sok összekapcsolt és a környezeti hatásoktól védett cellából áll.

A modulban ezért a cellák mellett üveg, kapszulázó rétegek, elektromos összekötések, hátoldali védőréteg vagy második üveglap, csatlakozódoboz és gyakran alumíniumkeret is található.

Egyenáram születik – de a konnektorban más van

A napelemcellák egyenáramot, vagyis DC-t állítanak elő. Otthonaink és a villamosenergia-hálózat azonban váltakozó árammal – AC-vel – működnek. Ezért szükség van egy másik fontos berendezésre: az inverterre. Az inverter feladata többek között, hogy a napelemek által termelt egyenáramot a hálózatban használható váltakozó árammá alakítsa.

Ha tehát végigkövetjük a Napból érkező energia útját, leegyszerűsítve ezt kapjuk: Nap → foton → napelemcella → egyenáram → inverter → váltakozó áram → épület vagy villamosenergia-hálózat

Egy foton történetéből így lesz végül használható elektromos energia.

De nem minden napfényből lesz áram

Itt következik egy fontos részlet. A napelemre érkező napenergia nem alakul át teljes egészében villamos energiává. A fény egy része visszaverődhet a felületről. Bizonyos fotonok áthaladhatnak a fényelnyelő rétegen anélkül, hogy hasznosulnának. Más esetekben a bevitt energia egy része végül hővé alakul. A létrejött elektronok és lyukak egy része pedig újra egyesülhet – ezt nevezzük rekombinációnak –, mielőtt hozzájárulhatna a hasznos elektromos áramhoz.

Éppen ezért dolgoznak a kutatók többek között antireflexiós bevonatokon, felületi textúrákon, passzivációs eljárásokon és egyre fejlettebb cellaszerkezeteken.

A cél ugyanaz: a napelemre érkező fényből minél több hasznos elektromos energia szülessen.

És itt jön egy meglepetés: a túl nagy meleg nem feltétlenül jó

Ha napelemről beszélünk, ösztönösen azt gondolhatjuk: minél forróbb, annál jobb. Pedig ez nem így működik. A napelemnek a fényre van szüksége, nem a forróságra. Erős napsütésben a cellák jelentősen felmelegedhetnek, a magasabb cellahőmérséklet pedig csökkentheti a feszültséget és ezáltal a leadott teljesítményt. Vagyis egy hideg, tiszta, napsütéses napon egy napelem kifejezetten kedvező körülmények között működhet.

Tudta?

A napelem tehát nem a Nap melegét alakítja elektromos energiává. A fény energiáját hasznosítja.

Ez apró különbségnek tűnik, pedig a napelem működésének megértéséhez alapvető. A sok napsütés kedvező, miközben a magas cellahőmérséklet már csökkentheti a teljesítményt.

A fény útjában

Most már azt is könnyebb megérteni, miért olyan fontos mindaz, ami a napelem fényelnyelő cellája és a Nap között található. A napfénynek el kell jutnia a működő celláig. A napelemet ezért úgy tervezik, hogy a lehető legtöbb hasznos fény jusson el oda, ahol az energiaátalakítás megtörténhet. A panel azonban nem laboratóriumban dolgozik. Odakint van. Éjjel és nappal. Nyáron és télen. Esőben, szélben és szárazságban.

A felületére por, pollen, madárürülék, mezőgazdasági vagy ipari eredetű szennyeződés, sőt akár több ezer kilométert utazó sivatagi por is kerülhet. Ha pedig a szennyeződés csökkenti a cellákhoz eljutó napsugárzás mennyiségét, már érthetővé válik, miért lehet jelentősége a panelek megfelelő üzemeltetésének és szükség szerinti tisztításának.

Mert a folyamat első szereplője mindig ugyanaz: a fény.

Hogyan lesz azonban egy darab kőzetből ilyen precíz energiatermelő berendezés?

Tudjuk már, hogyan fedezték fel a fotovoltaikus hatást. Láttuk, hogyan született meg a szilícium napelem. És most már azt is tudjuk, mi történik a cellában, amikor megérkezik egy foton. De honnan kerül oda maga a szilícium? Meglepő módon a következő történet nem egy csúcstechnológiás laboratóriumban kezdődik. Hanem egy ásványi nyersanyagnál.