Ha ránézünk egy mai napelemre, egy sima, sötétkék vagy fekete felületet látunk. Üveg, keret, néhány vezeték – kívülről szinte egyszerűnek tűnik. Pedig ami előttünk van, hosszú és rendkívül precíz gyártási folyamat eredménye.
Az előző részben gondolatban belenéztünk a napelemcellába. Megnéztük, hogyan adja át a fény energiáját az elektronoknak, mi a szerepe a félvezetőnek és a p–n átmenetnek, és hogyan lesz végül a napfényből elektromos áram. Most azonban menjünk még egy lépéssel hátrébb.
Honnan származik maga a szilíciumcella?
Hogyan lesz egy természetben előforduló ásványi nyersanyagból olyan tisztaságú és pontosságú félvezető, amely évtizedeken keresztül képes elektromos energiát termelni? A történet meglepő helyen kezdődik.
Minden a kvarcnál kezdődik
A szilícium a Földön rendkívül gyakori elem, de a természetben jellemzően nem tiszta szilíciumként találkozunk vele. A napelemgyártás egyik kiindulási anyaga a nagy tisztaságú kvarc, amely szilíciumot és oxigént tartalmazó szilícium-dioxidból áll. A kvarcból először úgynevezett kohászati minőségű szilíciumot állítanak elő. De ez még messze nem elég tiszta ahhoz, hogy napelemcella készüljön belőle. A fotovoltaikában ugyanis egészen más világ kezdődik. Itt már olyan anyagra van szükség, amelyben rendkívül szigorúan szabályozható, milyen atomok és milyen mennyiségben vannak jelen.
A következő lépés ezért a további tisztítás. A folyamat eredménye a nagy tisztaságú poliszilícium. Az amerikai energiaügyi minisztérium – U.S. Department of Energy – gyártástechnológiai összefoglalója szerint a kereskedelmi kristályos szilícium napelemek gyártási lánca is innen halad tovább az ingot, a wafer, a cella, majd a kész modul felé.
kvarc → kohászati szilícium → poliszilícium
De még mindig nagyon messze vagyunk attól a fényes napelemtől, amelyet egy háztetőn látunk.
A szilíciumból kristályt kell növeszteni
A megtisztított poliszilíciumot megolvasztják. És itt következik a gyártás egyik legérdekesebb mozzanata. Monokristályos szilícium előállításakor az olvadt szilíciumból egy apró kristálymag segítségével fokozatosan egyetlen nagy kristályt növesztenek. Az egyik széles körben alkalmazott eljárás a Czochralski-eljárás.
Egy kis kristálymagot érintenek az olvadt szilícium felszínéhez, majd lassan felfelé húzzák. Megfelelően szabályozott körülmények között a megszilárduló szilícium követi a kristálymag szerkezetét. Így fokozatosan egy nagy, henger alakú, egykristályos szilíciumtömb – úgynevezett ingot – jön létre. Első látásra ez még mindig nem hasonlít napelemre. A következő művelet után azonban már kezd ismerőssé válni.
Egy óriási kristályból hajszálvékony szeletek
A szilíciumtömböt előkészítik, majd rendkívül vékony szeletekre vágják. Ezeket nevezzük wafernek, magyarul gyakran szilíciumszeletnek. A vágást ma jellemzően gyémántbevonatú huzalokkal végzik. A cél egyszerűnek hangzik, valójában azonban komoly technológiai kihívás: minél vékonyabb wafert kell készíteni úgy, hogy az ne törjön el, és közben minél kevesebb értékes szilícium vesszen kárba.
Tudta?
A napelem egyik legfontosabb alkotóeleme tehát valójában egy nagy szilíciumkristályból levágott rendkívül vékony szeletből indul. Egy modern napelem mögött olyan kristálynövesztési és precíziós vágási technológia áll, amelyből a kész panelen szinte semmit sem látunk. De a wafer még mindig nem napelemcella.
A waferből most kell napelemcellát készíteni
A frissen levágott szilíciumlap önmagában még nem képes úgy működni, ahogyan azt az előző részben bemutattuk. További kezelések egész sorára van szükség. A wafer felületét először megtisztítják és kémiailag kezelik. A felület megfelelő kialakításával – textúrázásával – azt is segítik, hogy a beeső fényből minél kevesebb verődjön vissza.
Ezután következnek azok a félvezető-technológiai műveletek, amelyekkel kialakítják a cella szükséges elektromos tulajdonságait. Ennek része lehet az adalékolás, vagyis amikor nagyon kis mennyiségben meghatározott idegen atomokat juttatnak a szilíciumba. Így hozhatók létre azok az eltérő elektromos tulajdonságú tartományok, amelyekkel az előző részben már találkoztunk.
A p- és n-típusú rétegek, illetve a közöttük kialakuló elektromos tér teszi lehetővé, hogy a fény hatására felszabaduló töltéshordozókat hasznos elektromos áramként vezessük el. A DOE szerint a cellagyártás során a wafer felületének textúrázása után – a konkrét cellatípustól függően – adalékolás, különböző teljesítményjavító rétegek kialakítása és a fémes elektromos kontaktusok létrehozása következik.
És egyszer csak előttünk van valami, amit már felismerünk: a napelemcella.
Cella vagy panel? Nem ugyanaz
A hétköznapi beszédben gyakran napelemnek nevezzük az egész, tetőre vagy tartószerkezetre felszerelt egységet. Technikailag azonban érdemes különbséget tenni. A napelemcella az az alapvető félvezető eszköz, amelyben a fény elektromos energiává alakul. Egyetlen cella azonban viszonylag kis teljesítményt ad. Ezért sok cellát elektromosan összekapcsolnak.
Az összekapcsolt cellákból épül fel a napelemmodul, vagyis az, amit általában napelem-panelként látunk a tetőkön és napelemparkokban. A DOE összefoglalója szerint az egyedi PV-cellákat láncokba kapcsolva hozzák létre a nagyobb teljesítményű modulokat. De a cellákat védeni is kell.
Üveg, fóliák, keret – megszületik a napelemmodul
A szilíciumcellák vékonyak és sérülékenyek. Odakint viszont egészen más világ vár rájuk. Nyári hőség. Téli fagy. Eső. Szél. Pára. Por. Hó. Jégeső.
És mindezt nem néhány hónapig, hanem hosszú éveken keresztül kell elviselniük. Ezért a cellákból egy többrétegű, mechanikailag és környezetileg védett szerkezet készül.
Nagyon leegyszerűsítve egy hagyományos modulban megtalálhatjuk: edzett üveg → kapszulázó réteg → összekapcsolt napelemcellák → kapszulázó réteg → hátoldali védőréteg vagy második üveg → keret → csatlakozódoboz.
A cellákat elektromosan összekötik, a rétegeket egymásra helyezik, majd laminálással tartós, vízálló egységet hoznak létre. Ezután kerülhet rá az alumíniumkeret és a csatlakozódoboz, amelyen keresztül a megtermelt elektromos energia továbbvezethető.
És ezzel megtörténik az átalakulás: abból a nyersanyagból, amelynek történetét a kvarcnál kezdtük, elkészült egy modern napelemmodul.
Hosszabb az út, mint gondolnánk
Ha most újra ránézünk egy napelemre, már egészen mást látunk. Nem egyszerűen egy üveglapot. Hanem egy hosszú technológiai lánc végét:
kvarc
↓
kohászati szilícium
↓
nagy tisztaságú poliszilícium
↓
kristálytömb – ingot
↓
szilíciumszelet – wafer
↓
napelemcella
↓
összekapcsolt cellák
↓
laminált, védett napelemmodul
A DOE szerint a kristályos szilícium modulok gyártása ma is lényegében ezekből az elkülönülő fő szakaszokból épül fel.
Tudta?
A napelemgyártás egyik érdekes ellentmondása, hogy miközben a kész panel kívülről egyszerűnek látszik, az egyik legfontosabb alkotóelemének előállítása rendkívül magas tisztaságot igényel. A DOE egyik ellátásilánc-összefoglalója a poliszilícium esetében legalább 99,999999%-os tisztasági szintet említ. Vagyis a napelem története nem egyszerűen arról szól, hogyan fogjuk be a Nap energiáját.
Hanem arról is, hogyan tanultunk meg egy természetben előforduló anyagot olyan pontossággal megtisztítani, kristállyá formálni és feldolgozni, hogy végül a fényből elektromos áramot készítő eszköz szülessen belőle. És amikor 1954-ben megszületett az első praktikus szilícium napelem, még egyáltalán nem volt biztos, hogy ez a technológia valaha családi házak tetején vagy hatalmas napelemparkokban fog dolgozni. Volt ugyanis egy komoly probléma. A napelem rettenetesen drága volt.
Mégis hamarosan akadt egy hely, ahol az árnál sokkal fontosabb volt, hogy egy energiaforrás könnyű, megbízható legyen, és ott is működjön, ahol nincs konnektor. Ehhez azonban el kellett hagyni a Földet.
Felhasznált és ajánlott források
U.S. Department of Energy – Solar Photovoltaic Manufacturing Basics
Bemutatja a kristályos szilícium napelem gyártási folyamatát a poliszilíciumtól az ingot- és waferkészítésen, valamint a cellagyártáson át a modul összeszereléséig.
DOE – Solar Photovoltaic Manufacturing Basics
https://www.energy.gov/cmei/systems/solar-photovoltaic-manufacturing-basics
U.S. Department of Energy – Solar Photovoltaic Cell Basics
A szilícium félvezetőként betöltött szerepének, valamint a fotovoltaikus cellák működésének szakmai összefoglalója.
DOE – Solar Photovoltaic Cell Basics
https://www.energy.gov/cmei/systems/solar-photovoltaic-cell-basics
U.S. Department of Energy – Solar Photovoltaics Supply Chain Review
A kristályos szilícium teljes gyártási láncának – poliszilícium → ingot → wafer → cella → modul – áttekintése.
DOE – Solar Photovoltaics Supply Chain Review
https://www.energy.gov/cmei/systems/solar-photovoltaics-supply-chain-review-report
National Renewable Energy Laboratory (NREL) – Crystalline Silicon Photovoltaic Module Manufacturing Costs and Sustainable Pricing:
1H 2018 Benchmark and Cost Reduction Road Map
A tanulmány bemutatja a kristályos szilícium napelemek gyártási folyamatait, többek között a kristálynövesztést, a wafergyártást és a modulok előállítását.
https://docs.nlr.gov/docs/fy19osti/72134.pdf
